Lucidum intervallum: Polityka o odkryciach naukowych

Karol Jałochowski

26 sierpnia 2012

Historia przełomowych odkryć naukowych

Poplątanie ze splątaniem

W cieniu wielkiej historii od ponad wieku toczy się walka cicha, ale dramatyczna. Stawką nie są dobra materialne, nie życie, ale coś znacznie cenniejszego – rzeczywistość.

Nieco ponad sto lat temu w naukach ścisłych doszło do radykalnego przełomu – uczeni zaczęli wykonywać eksperymenty z niespotykaną dotąd precyzją. Ich wyniki były tyleż fascynujące, co niepokojące. Pojedyncze cząstki i atomy zdawały się być w wielu miejscach naraz, obracały się w lewo i prawo jednocześnie. Co więcej, wydawało się, że dopiero akt obserwacji, czyli eksperyment wykonany przez świadomego obserwatora, ustalał te wartości – zupełnie jakby wcześniej w ogóle nie istniały i zupełnie tak, jakby były kompletnie przypadkowe. Ba, wszystko wskazywało na to, że zanim swoim spojrzeniem nie zaszczycił ich człowiek, obiekty te miały jakiś pośledni, nieostry status. Rodziła się nowa teoria – mechanika kwantowa. Jej autorzy – Niels Bohr, Max Planck, Albert Einstein, Werner Heisenberg, Louis de Broglie, Erwin Schrödinger, Max Born, Paul Dirac i inni – doprowadzili do prawdziwej intelektualnej intifady.

Równania spisane na papierze pozwalały pięknie wyliczać nieintuicyjne, paradoksalne prawa mikroświata. Ale teoria żądała czegoś w zamian: obiektywna, istniejąca niezależnie od naszej świadomości rzeczywistość musiała przestać istnieć. Odtąd – jak głosił Niels Bohr, papież nowej nauki – należało mówić tylko o abstrakcyjnych prawdopodobieństwach i funkcjach falowych, nie wdając się w jałowe, zdaniem Duńczyka, dyskusje, co też w istocie mogą one znaczyć i jaka jest ich łączność z tzw. rzeczywistością. „Zamknij się i rachuj” – taką mantrę powtarzano kilku pokoleniom fizyków.

Bunt odszczepieńców

Jako pierwszy stawił wyraźny opór takiemu dictum Albert Einstein. Będąc młodym człowiekiem sam układał fundamenty nowej fizyki, ale w wieku średnim dostrzegł, że wydaje się ona niedokończona. Einstein nie przyjmował do wiadomości, że przyroda może być przypadkowa, że to, co się dzieje teraz, nie zależy od tego, co miało miejsce wcześniej. Rzeczy nie stają się takie, a nie inne, dopiero kiedy włączymy aparaturę pomiarową, uważał. Rzeczywistość musi istnieć niezależnie od nas. Czy naprawdę sądzicie, pytał kolegów, że Księżyc przestaje istnieć, kiedy nikt na niego nie patrzy?

W 1935 r. wraz z Borysem Podolskim i Nathanem Rosenem Einstein obmyślił eksperyment, który miał obnażyć niekompletność fizyki kwantowej. Mamy oto dwie związane ze sobą w kwantowy sposób cząsteczki. Ich dokładne własności nie są bliżej znane, bo tak właśnie każe zasada nieoznaczoności. Są jak obłok potencjalnych możliwości, jak wir wszystkich swoich możliwych stanów (gdybyśmy na tym etapie eksperymentu dokonali pomiaru, zniszczylibyśmy ten subtelny stan zawieszenia). Delikatnie rozdzielamy cząsteczki – jedną pozostawiając w laboratorium, a drugą przenosząc choćby i na drugi koniec Wszechświata. Dopiero teraz dokonujemy pomiaru stanu którejś z nich. Gdyby potraktować mechanikę kwantową poważnie, pisał Einstein, natychmiast ustaliłby się też stan drugiej cząsteczki. Dosłownie natychmiast – tak jakby czas i przestrzeń zupełnie dla nich nie istniały, jakby porozumiewały się ze sobą szybciej niż prędkość światła, jakby skutek odrywał się od przyczyny. Einstein ten wyimaginowany fenomen nazwał oddziaływaniem duchów na odległość. Dziś nazywamy go splątaniem kwantowym.

Wyniki tego myślowego eksperymentu miały dowodzić, że nasza wiedza cierpi na poważne niedostatki. Jego autorzy sugerowali, że nie bierzemy pod uwagę jakichś zmiennych ukrytych, jakiegoś pola, które pośredniczy w kontaktach między obiektami mikroświata. Einstein do końca życia poszukiwał takiej bliższej ludzkiej intuicji wersji fizyki kwantowej. Również Schrödinger czuł, że jest coś odstręczającego w owym akcie obserwacji, tym „nieopisywalnym, wykraczającym poza wszelkie prawa wydarzeniu, którego wynik jest czymś na podobieństwo ostatecznego, pozbawionego przyczyny faktu”. Ale obaj panowie byli w mniejszości. Świat fizyki, zdominowany przez stronników charyzmatycznego Bohra, nie wdawał się w filozoficzne dysputy. Siedział cicho – i rachował.

Kolejny śmiałek objawił się pod postacią Davida Bohma, fizyka, którego karierę naukową w USA przetrąciła antykomunistyczna komisja McCarthy’ego. On także chciał odzyskać rzeczywistość. W latach 50., tułając się po świecie, Bohm opracował własną, alternatywną interpretację mechaniki kwantowej. Szedł w ślady Louisa de Broglie’a, Francuza, który jeszcze w latach 20. wpadł na pomysł, że przypadek w mechanice kwantowej można wyeliminować, wprowadzając specyficzną towarzyszącą każdej cząstce falę. Bohm uznał, że trzeba pójść nawet dalej.

Skoro świadomy obserwator zdaje się odgrywać niezrozumiałą, ale kluczową rolę w procesie pomiaru, to i jego trzeba wciągnąć na pokład nowej teorii. Zdaniem Bohma, Wszechświat i umysł tworzyły jedną, złożoną całość. Bliżej było mu do hinduskiego filozofa Jiddu Krisznamurtiego, z którym na starość prowadził wielogodzinne debaty na temat istoty czasu, materii i umysłu, niż do kolegów z Zachodu. Zaliczający się do nich Richard Feynman mawiał Bohmowi: „Jak dla mnie – nie ma tu żadnego problemu. Mechanika kwantowa działa, po co więc przy niej grzebać?”. Dodawał też: „To nie nasza nieznajomość wewnętrznych trybów sprawia, że natura wydaje się opierać na prawdopodobieństwach. Zdaje się, że to coś wrodzonego. Ktoś kiedyś powiedział, że nawet sama przyroda nie ma pojęcia, dokąd poleci elektron”.

Feynman miał posłuch, Bohma nie słuchał nikt. Także dlatego, że jego teoria była hiperbarokowo złożona. Trajektorie pojedynczych cząstek zależały w niej od konfiguracji wszystkich elektronów we Wszechświecie, co „nieco” utrudnia rachunki. Poza tym nie przewidywała żadnych nowych zjawisk, a tylko inaczej tłumaczyła te znane. Wydała się całkiem bezużyteczna – wszystkim, z jednym wyjątkiem. W 1964 r. pewien nieznany szerzej fizyk irlandzki John Bell sformułował twierdzenie, w którym – podobnie jak Bohm – próbował udowodnić istnienie rzeczywistości.

Kwantowe odrodzenie

Po II wojnie światowej zajmowanie się podstawami fizyki kwantowej skazywało na wegetację na obrzeżach systemu akademickiego. Liczyła się fizyka jądrowa, fizyka cząstek elementarnych, dziedziny szybko przekładające się na namacalne zastosowania. Bell zatrudnił się więc w podgenewskim ośrodku CERN, z powodzeniem projektując akceleratory cząstek elementarnych. Jednak być może z racji proletariackiego pochodzenia albo typowo irlandzkiego zuchwalstwa – poza protokołem szedł śladem Einsteina i Bohma. Mierził go dziwny, nibyboski status nadawany obserwatorom przez tradycyjną mechanikę kwantową.

Bell dowodził, że – mówiąc w skrócie – albo splątanie kwantowe występuje w przyrodzie, co wydawało mu się całkowicie absurdalne, albo dotychczasowa mechanika kwantowa jest błędna. Z jego zaskakująco prostego formalnie twierdzenia płynął wniosek o wielkiej doniosłości – nie ma żadnego oddziaływania duchów na odległość, a realność istnieje niezależnie od nas. Trzeba tylko znaleźć teorię, która ją opisze, być może taką, która obejmie także ludzką świadomość. Trzeba wykonać śmiały skok w nieznane, przekonywał. Ten słynący z łagodności charakteru Irlandczyk zamieniał się ponoć w gniewnego, starotestamentowego proroka, kiedy szło o imponderabilia fizyki – proroka drugiej rewolucji kwantowej. Ale pod koniec lat 60. o jego odkryciu nie wiedział i nie chciał wiedzieć prawie nikt.

Pogłoski rozchodziły się dwoma kanałami – akademickim i kontrkulturowym. Nie ma pewności, który odegrał większą rolę, ale wiele wskazuje na to, że ten drugi, a to dlatego, że przełom lat 60. i 70. był dla fizyków dość parszywy i wielu z nich musiało szukać stymulacji nie na uczelni, a w komunach i aśramach. David Kaiser, historyk nauki z Massachusetts Institute of Technology, sugeruje wręcz, że było tak, jak głosi tytuł jego wydanej niedawno książki „How the Hippies Saved Physics: Science, Counterculture, and the Quantum Revival” („Jak hipisi ocalili fizykę: nauka, kontrkultura i kwantowe odrodzenie”).

W czasie wojny fizycy budowali bombę jądrową, potem termojądrową. Stali się „narzędziem wojskowym”, które księgowano obok innych rodzajów broni masowej zagłady. Pod koniec lat 60. zimna wojna nieco zelżała, chwycił natomiast kryzys (stagflacja) i fizycy trafili na bruk. W Europie sytuacja była nieco lepsza, ale w Stanach Zjednoczonych w ciągu paru lat liczba stanowisk naukowych spadła 20-krotnie. Filozofowanie na temat natury rzeczywistości straciło rację bytu. Wątek rozważań Einsteina, Bohma i Bella pociągnięty został jednak przez grupę kalifornijskich fizyków-odszczepieńców. Idea, że wszystkie cząsteczki świata oraz umysł mogą być splecione we wszechogarniającą całość, rezonowała z hipisowskim imperatywem poszerzania granic ludzkiego poznania.

Przez co najmniej kilka lat jednym z ważniejszych środowisk, w których dopuszczano swobodną dyskusję na temat splątania kwantowego, była Fundamental Fysiks Group. To zawiązane formalnie w 1975 r. przez Elisabeth Rauscher i George’a Weissmanna stowarzyszenie z bazą w San Francisco stanowiło azyl dla młodych, ale niespełnionych intelektualnie fizyków, którzy atmosferę swobodnych dyskusji wokół najbardziej nawet szalonych konceptów znali jedynie z zakurzonych pamiętników twórców mechaniki kwantowej.

Biegły w sanskrycie Schrödinger lata całe studiował religie wschodnie, odnajdując w dziejach Brahmy to, czego nie mogła, jego zdaniem, zagwarantować nauka: ideę metafizycznej jedności świata i umysłu. Heisenberg i Pauli wspólnie z Carlem Jungiem poszukiwali istoty kolektywnej, obejmującej całe Stworzenie świadomości (Pauli spisał na te potrzeby 400 własnych snów). Członków Fundamental Fysiks Group zajmowały podobne, aczkolwiek nierzadko psychodeliczne i zakrawające na mistycyzm spekulacje, głównie związane z twierdzeniem Bella. Pytali, czy możliwa jest natychmiastowa, nieograniczana czasem i przestrzenią, komunikacja oparta na kwantowym splątaniu.

Fundamental Fysiks Group przyciągała rozmaite postaci – od licencjonowanych uczonych, nierzadko bezrobotnych (Saul-Paul Sirag publikował w prestiżowym „Nature”, zarabiając jako stróż nocny), po nieuleczalnych szaleńców. Z jednakową pasją rozmawiano o fundamentach fizyki, jak i o metodach gięcia łyżeczek na odległość. O grupie szczególnie głośno zrobiło się po wydaniu „Tao fizyki”, przebojowej, przetłumaczonej na 32 języki książki jednego z jej członków, Fritjofa Capry, który wibracje atomów i cząstek elementarnych przyrównywał do tańców Śiwy.

Członkowie Grupy mieli znaczący wpływ na zbliżający się przełom w fizyce kwantowej. Jednym z nich był John Clauser, który narażając się na ostracyzm, na wpół legalnie, w pozbawionej okien piwnicy wykonał doświadczenie wykazujące, czy nieszczęsne, rozważane od blisko pół wieku splątanie kwantowe występuje w przyrodzie, czy nie. Używając aparatury z epoki kamienia łupanego – jak wspominał sam Clauser – rustykalnego komputera na karty perforowane i złomu z uczelnianych magazynów, udowodnił to, co tak naprawdę chciał obalić – że wyśmiane przez Einsteina, Rosena i Podolskiego splątanie kwantowe to pospolita cecha przyrody.

Chciałem wstrząsnąć światem, obalić establishment – wspominał Clauser. Udało się, ale niezgodnie z intencją autora. Wykazał, że fizyka kwantowa, mimo swojej kuriozalności, pozostaje słuszna, musimy natomiast na dobre zapomnieć o intuicyjnym wyobrażeniu rzeczywistości. Rzeczy mogą się zdarzać bez wyraźnej przyczyny, splątane cząstki tworzą całość niezależnie od tego, jak bardzo je rozdzielimy, świadomość zdaje się mieć dziwną władzę nad materią. Clauser pokazał to jako pierwszy, ale oczywiście nie działał w próżni – był jeszcze Abner Shimony, Eugene Wigner, John Wheeler, Michael Horne, Richard Holt, utalentowany Francuz Alain Aspect, wreszcie Anton Zeilinger, Austriak, zapewne najwybitniejszy dziś mistrz kwantowych splątań i teleportacji. Funkcjonując w strukturach tradycyjnej uczelni, wszyscy oni przebijali się mozolnie przez gruby mur niechęci, tworzony przez starszych kolegów.

Działalność Grupy miała jeszcze jeden poważny i wymierny efekt. Należący do niej Nick Herbert w 1981 r. obmyślił hipotetyczną maszynę FLASH (First Laser Amplified Superluminal Hookup). Miał to być rodzaj telegrafu, służący do – uwaga! – przesyłania sygnałów z prędkością większą niż prędkość światła. Za problem zabrali się młodzi i przekonani o absurdalności propozycji Herberta doktorzy – Wojciech Żurek, William Wootters oraz, niezależnie, Dennis Dieks. Szybko odkryli zasadniczą (choć nieoczywistą) usterkę jego rozumowania, a przy tej okazji sformułowali jedno z najbardziej fundamentalnych twierdzeń mechaniki kwantowej – o tzw. zakazie klonowania. Nadświetlna komunikacja okazała się jednym z najbardziej produktywnych humbugów w historii nauki. Rozpoczęła drugą, trwającą do dziś, rewolucję kwantową (opisaliśmy ją szerzej w POLITYCE 27/10).

Trzecia rewolucja

Jeszcze w latach 70. Stephen Wiesner, najbardziej nieśmiały fizyk na świecie, odkrył, jak fakt, iż pomiar dowolnej własności badanego obiektu nieodwracalnie wpływa na ten obiekt, wykorzystać można do stworzenia pieniędzy, których nie sposób podrobić. Amerykanin Charles H. Bennett podchwycił temat i wraz z Kanadyjczykiem Gillesem Brassardem wykazał w 1984 r., jak ten fenomen zaprząc na potrzeby kryptografii. Mniej więcej w tym samym czasie Brytyjczyk David Deutsch stworzył podstawy informatyki kwantowej. On też podsunął swemu młodemu podopiecznemu, pochodzącemu z Polski Arturowi Ekertowi, zapomnianą pracę Einsteina, Podolskiego i Rosena. W 1991 r. Ekert dostrzegł w niej coś zupełnie wyjątkowego – to, jak splątanie kwantowe może stać się metodą bezpiecznego, odpornego na podsłuch przesyłania kluczy kryptograficznych. W latach 80. i na początku 90. powyższymi wynikami zainteresowana była garstka osób. Praca Wiesnera czekała na publikację dekadę. Niedługo potem zeszła prawdziwa lawina prac naukowych.

Pokolenia fizyków wychowanych z komputerem w kołysce zaczęły opisywać świat kwantów w kategoriach bitów, wymiany informacji. Otworzyli nową dziedzinę wiedzy. W stanach fotonów, atomów i jonów można było precyzyjnie zapisywać zera i jedynki. Łatwo dostępne lasery pozwalały tanio powoływać do życia splątane pary fotonów. Urządzenie, które u Clausnera przypominało lokomotywę, dziś zmieści się w pudełku czekoladek. Bell stał się cytowany (jego twierdzenie ujawniało kolejne zaskakujące walory) i sławny.

Na przełomie wieków zaczął się niepozbawiony aspiracji komercyjnych wyścig. Wojsko, banki i rządy zaczęły korzystać z metod kryptografii kwantowej. Inżynierowie zaprojektowali pierwsze komputery kwantowe. Peter Shor i Lov Grover wymyślili dla nich specjalne algorytmy. Nagle minusy splątania okazały się plusami. Splątanie stało się surowcem – jak węgiel kamienny, ropa naftowa – użytecznym w szyfrowaniu i obliczeniach. Ale jedno fundamentalne pytanie nadal pozostawało i pozostaje bez odpowiedzi: jest ta rzeczywistość czy jej nie ma?

Wciąż nie wiadomo. Nie ma nawet pewności, czy badamy ją, czy tylko nasze o niej mniemania. Choć dalej panuje dość powszechne przekonanie, że fizyka kwantowa wymaga przeformułowania, rozważania o jej fundamentach nie należą, mówiąc oględnie, do absolutnych priorytetów. Eksperymenty nie są źródłem podobnych stymulujących niespodzianek jak przed wiekiem. Poza tym Niels Bohr nie dyktuje już warunków, ale rynek – owszem. Rakiety lub czołgu z filozofowania nie będzie. A może status rzeczywistości pozostaje niejasny dlatego, że – jak mawiają fizycy – najłatwiejsze rzeczy już zostały zrobione?