W setną rocznicę narodzin mechaniki kwantowej

Czego jeszcze nie wiemy w fizyce?

KRZYSZTOF A. MEISSNER

14 grudnia 1900 roku Max Planck na posiedzeniu Niemieckiego Towarzystwa Fizycznego przedstawił hipotezę, że energia układów drgających nie może zmieniać się w sposób ciągły, a jedynie skokowy poprzez emisję lub absorpcję kwantów. 

Pozwoliło to Planckowi na wyprowadzenie wzoru, zgodnego z doświadczeniem, na rozkład promieniowania ciała doskonale czarnego. Idea była tak radykalna, że musiała czekać 5 lat na pierwsze zrozumienie jej faktycznej doniosłości (wyjaśnienie przez Einsteina efektu fotoelektrycznego), 13 lat na pierwsze zastosowanie do modelu atomu (,,stary" model atomu Bohra), 25 lat na wprowadzenie jako ogólnie obowiązującej zasady dynamiki (mechanika kwantowa w sformułowaniu Heisenberga-Jordana lub Schrödingera), a 100 lat, czyli do dzisiaj, czeka na pełne zrozumienie.

Sto lat temu hipoteza Plancka była całkowitym zaskoczeniem. Fizyka teoretyczna wydawała się być nauką niemal zamkniętą, w której wszystko było znane dzięki trzem filarom - mechanice Newtona, termodynamice i elektrodynamice Maxwella. Filary te pozwalały na opis całości ówczesnej wiedzy teoretycznej i dlatego pod koniec XIX wieku niektóre uniwersytety rozważały możliwość zamknięcia wydziałów fizyki, gdyż wydawało się, że od strony badawczej niewiele jest już do zrobienia - pozostawało wyjaśnić pewne drobne problemy, jak wspomniane promieniowanie ciała doskonale czarnego, stabilność atomów czy zupełne drobiazgi, jak niezgodność z obliczeniami, o 42 sekundy kątowe na stulecie, obserwacji obrotu peryhelium Merkurego. Po kilku latach okazało się, że te "drobne" problemy były zwiastunami całkowitej rewolucji w fizyce, która sprowadziła mechanikę Newtona i elektrodynamikę Maxwella z roli teorii fundamentalnych i ostatecznych do roli teorii efektywnych (bardzo użytecznych, ale o ograniczonym zakresie stosowalności).

Przez minionych sto lat powstały, oprócz mechaniki kwantowej, szczególna teoria względności Einsteina - w pewnym sensie ,,unifikująca" przestrzeń i czas, ogólna teoria względności Einsteina - najpiękniejsza klasyczna teoria w fizyce, dotycząca wszystkich oddziaływań, w tym grawitacji, która jako pierwsza pozwoliła na opis wszechświata jako całości, co było niemożliwe w ramach teorii Newtona oraz kwantowa teoria pola - mechanika kwantowa z wbudowaną szczególną teorią względności, pozwalająca na opis cząstek elementarnych, doświadczalnie potwierdzona z dokładnością do dwunastu miejsc po przecinku). Poza tym znacznie lepiej wiemy, ile nie wiemy. Wynika to z dwóch przyczyn. Stawiamy obecnie pytania, które mogły być również postawione w XIX wieku, ale domaganie się odpowiedzi wydawało się wtedy tak absurdalne, że nikt ich nie stawiał. Np. pytaniem takim jest: dlaczego litr wody waży ok. 1 kilograma, a nie np. milion ton, zakładając, że wzorce długości i masy znalibyśmy np. z badań astronomicznych. Obecnie potrafimy odpowiedzieć na to pytanie pod warunkiem, że znamy masy protonu, neutronu i elektronu oraz ich ładunki. Problem zszedł na głębszy poziom: dlaczego te masy i ładunki są takie a nie inne - chociaż nie mamy najmniejszej wskazówki, gdzie szukać odpowiedzi, to ani nie uważamy problemu za absurdalny, ani nie twierdzimy, że nie będzie można nigdy go rozwiązać. 

Drugą przyczyną, dlaczego obecnie lepiej wiemy, ile nie wiemy, jest fakt, że nowe teorie powstałe w XX wieku postawiły swoje pytania, których nawet nie można było w XIX wieku postawić. Wiemy już z pewnością, że na niektóre z tych pytań odpowiedzi musimy szukać w teoriach ogólniejszych niż obecnie istniejące.

Wymienię tylko kilka, w mojej ocenie najważniejszych, problemów współczesnej fizyki, których przyszłe rozwiązanie może spowodować podobną rewolucję pojęciową do ,,rewolucji kwantowej" sprzed stu lat. Wybór takich problemów jest oczywiście ryzykowny, gdyż np. sto lat temu nikt by się nie spodziewał, że akurat badanie spektrum promieniowania może doprowadzić do jakiegokolwiek przełomu, ale wtedy nie spodziewano się przełomu z żadnej strony. Podejmując to ryzyko, można wymienić trzy problemy, których rozwiązanie, być może jedno i to samo, będzie prawdopodobnie wymagało zupełnie nowych koncepcji. Pierwszym, i chyba najważniejszym, problemem jest połączenie mechaniki kwantowej z ogólną teorią względności (teorią grawitacji) znanym jako problem kwantowej teorii grawitacji. Niemal z pewnością można oczekiwać, że teoria taka będzie musiała się zmierzyć z absolutnie fundamentalnymi pytaniami np. o naturę przestrzeni i czasu czy o istnienie bądź nieistnienie początkowej osobliwości we wszechświecie. Przez kilkadziesiąt lat próbowano rozwiązać ten problem w analogii do połączenia mechaniki kwantowej ze szczególną teorią względności (czyli kwantowej teorii pola), ale bez powodzenia. Nowymi propozycjami są teoria strun, ostatnio w szerszym kontekście nazywana teorią M, która stanowi radykalne odejście pojęciowe od kwantowej teorii pola i ma już pewne cechy, których można by od kwantowej teorii grawitacji oczekiwać oraz tzw. sformułowanie pętlowe kwantowej teorii grawitacji - niestety matematycznie teorie te są tak skomplikowane, że nie można obecnie stwierdzić, czy stanowią krok w dobrym kierunku.

Drugim fundamentalnym problemem, prawdopodobnie związanym z kwantową teorią grawitacji, jest problem stałej kosmologicznej. Stałą kosmologiczną, jako stałą energię w przestrzeni niezależną od obecności materii i promieniowania, wprowadził do swoich równań ogólnej teorii względności Einstein - potem zresztą nazwał to wprowadzenie ,,największą pomyłką swojego życia". Choć umiemy opisywać wszechświat z dowolną stałą kosmologiczną, to jakiekolwiek ,,wyjaśnienia" teoretyczne dają wielkość tej stałej absurdalnie dużą w porównaniu z obserwacjami (o kilkadziesiąt rzędów wielkości).

Ponieważ stała kosmologiczna dotyczy własności ,,pustej" przestrzeni, więc oznacza to bardzo istotny mankament istniejących teorii. 

Trzecim problemem jest wytłumaczenie obserwowanych mas cząstek. Problemami, które nie muszą mieć wymiaru fundamentalnego, są w fizyce cząstek elementarnych: problem unifikacji, tj. opisu w jednolity sposób wszystkich oddziaływań, istnienia bądź nieistnienia supersymetrii - specjalnej symetrii łączącej cząstki o różnych spinach oraz od wielu lat nierozwiązany problem budowy protonu. Poza fizyką cząstek elementarnych istnieje wiele trudnych i otwartych problemów, np. struktura wielkoskalowa we wszechświecie, wyjaśnienie istoty nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego, niektóre zjawiska w bardzo niskich temperaturach itd. Trudno jest obecnie ocenić, czy ich rozwiązanie wymagać będzie wprowadzenia zupełnie nowych fundamentalnie koncepcji czy jedynie nowych metod. Jednak istnieje możliwość powtórzenia sytuacji sprzed stu lat, gdy pozornie niefundamentalny, ,,drobny" problem okazał się zwiastunem rewolucji pojęciowej.

Mimo że fizyka kwantowa odgrywa rolę we wszystkich wspomnianych wyżej problemach, to pozostaje jeszcze problem z samą mechaniką kwantową. Mimo jej nieprawdopodobnej skuteczności, ogromnej liczby zjawisk, które doczekały się w jej ramach wyjaśnienia (wystarczy wspomnieć tutaj niemal całą chemię), to nadal borykamy się z fundamentalnym problemem interpretacji mechaniki kwantowej, w szczególności z problemem pomiaru, czego nikt tak naprawdę do końca nie rozumie; skuteczność w stosowaniu jakiegoś narzędzia nie zawsze idzie w parze z całkowitym rozumieniem idei jego działania. Stąd ,,rewolucja kwantowa" zapoczątkowana sto lat temu wykładem Plancka jeszcze się nie zakończyła.

Należy mieć nadzieję, że w podobnym artykule napisanym za sto lat, problemy tutaj wspomniane już dawno będą rozwiązane, ale z pewnością pojawią się nowe. Ale na razie jeszcze nie wiemy, że tego nie wiemy...
Sto lat temu hipoteza Plancka była zaskoczeniem. Fizyka teoretyczna wydawała się nauką, w której wszystko było znane. Przez  sto lat nowe teorie postawiły pytania, których nie można było w XIX wieku postawić. można wymienić problemy, których rozwiązanie będzie prawdopodobnie wymagało zupełnie nowych koncepcji. Poza fizyką cząstek elementarnych istnieje wiele otwartych problemów.