Splątane piękno

MICHAŁ GIKOWSKI: Zaskoczyły Pana nazwiska tegorocznych laureatów Nagrody Nobla z fizyki?

FRANK WILCZEK: Nie. Ponieważ jestem członkiem Akademii Szwedzkiej, miałem dostęp do pewnych informacji i wiedziałem, że ten moment się zbliża. Ale nie dziwię się też w szerszym sensie. Ten obszar fizyki i te konkretne wyniki były długo dyskutowane jako potencjalni kandydaci do nagrody.

Za co w zasadzie jest tegoroczna nagroda? Co to jest splątanie?

Splątanie to korelacja. Jeśli mamy parę butów, i ktoś z jakiegoś powodu wysyła lewego i prawego buta w pudełkach osobno do dwóch osób w odległych miejscach, to gdy osoba w lokalizacji A otwiera pudełko i widzi, że ma lewy but, można z całą pewnością przewidzieć, że gdy druga osoba otworzy pudełko w miejscu B, będzie miała w ręce prawy but. To jest splątanie. Buty są ze sobą związane, nie są od siebie niezależne. Ale jeśli spróbujemy tę logikę zastosować do „butów kwantowych”, zobaczymy o wiele bardziej paradoksalne efekty. Załóżmy, że buty mają nie tylko tę właściwość, że są lewe lub prawe, ale mogą być również czerwone lub niebieskie. Jeśli sprawdzasz kolor, nie możesz sprawdzić, czy but jest lewy czy prawy. Możesz sprawdzić – w fizyce mówimy: zmierzyć – jedną rzecz, bo w pewnym sensie w chwili pomiaru niszczysz obiekt, na który patrzysz. Więc jeśli jedna z tych osób, do których zostały wysłane buty, zdecyduje się zmierzyć, czy jej but jest lewy czy prawy, a druga zdecyduje się spojrzeć na kolor, to korelacja zostanie zniszczona.

To wszystko ma przełożenie nie tylko na teorię, ale ma też wielkie znaczenie w praktyce, w technologii.

Tak, gałąź nauki zajmująca się kwantowym przetwarzaniem informacji jest dziś rozpalona nowymi osiągnięciami, a poziom technologii poprawia się skokowo. Nauczyliśmy się przejmować kontrolę nad światem kwantowym na wielu frontach i myślę, że właśnie dlatego przyznano teraz tę nagrodę. To przede wszystkim nagroda dla całej dziedziny, której ci badacze byli pionierami.

Pięć lat temu przyznano w fizyce Nobla badaczom, którzy potwierdzili eksperymentalnie istnienie fal grawitacyjnych, a więc także intuicję Einsteina. Teraz przyznano go ludziom, którzy udowodnili, że w innych kwestiach się mylił.

To prawda – Einstein chciał podważyć teorię kwantową. Stworzył wiele eksperymentów myślowych, które, jak sądził, ją kwestionowały, ale w rzeczywistości dawały się wytłumaczyć także w jej ramach. Dyskusje te miały jednak bardzo konstruktywny wpływ na udoskonalenie naszego sposobu rozumienia najdziwniejszych aspektów teorii kwantowej. Einstein oczywiście nie był głupi, a jego zastrzeżenia były przemyślane. Nie podobało mu się to, że efekty dotyczące splątania dają się odczuć nawet przy bardzo dużych odległościach w czasie i przestrzeni. I jego zastrzeżenia zmusiły eksperymentatorów do opracowania nowych technik. To był początek ekscytujących odkryć, dzięki którym ludzie przejęli kontrolę nad światem kwantowym. Każdy, kto przesuwa granice wiedzy, popełnia błędy. Większość z nich donikąd nie ­prowadzi, ale Einstein był takim geniuszem, że nawet jego błędy wytyczyły bardzo ważne ścieżki postępu.

Dlaczego ten obszar jest teraz tak istotny?

Pod koniec lat 20. i 30. XX w. pojawił się nowy, głęboki sposób rozumienia świata, odnoszący się zwłaszcza do świata atomów, nazwany teorią kwantową, który w kolejnych latach, ku zaskoczeniu niektórych jego twórców – w tym Einsteina – triumfalnie potwierdził swoje panowanie nad dziedzinami czasu i przestrzeni zarówno znacznie mniejszymi, jak i znacznie większymi, niż pierwotnie przewidywano. Wszystkie związane z nim pozorne paradoksy są czymś, z czym po prostu musimy żyć. Dla ludzi takich jak ja, którzy dorastali, gdy mechanika kwantowa była już dojrzała, to cudowne. Nie uważam jej za problematyczną czy paradoksalną. Uważam za wielki dar od Boga to, że świat działa w sposób, który jest tak interesujący, matematycznie elegancki i poszerzający nasze horyzonty.

W miarę zdobywania pewności siebie, w miarę testowania kolejnych aspektów teorii kwantowej nauczyliśmy się ją wykorzystywać do robienia coraz większej ilości niezwykłych rzeczy. Wszystko, co umożliwia nam komunikowanie się w czasie rzeczywistym na duże odległości za pomocą obrazów, np. mój komputer, opiera się na teorii kwantowej. Dzięki niej mamy tranzystory i lasery oraz możemy błyskawicznie przesyłać dane. Mechanika kwantowa naprawdę działa. Ale gdy przyjrzysz się równaniom teorii kwantowej i jej założeniom, zobaczysz, że nie wykorzystaliśmy jeszcze jej pełnego bogactwa. We wszechświecie nadal istnieje mnóstwo rzeczy, których nie używamy, a fizycy zajmujący się materią skondensowaną, fizycy atomowi i informatycy kwantowi pracują nad tym, by lepiej wykorzystać te zasoby.

Radośnie Pan brzmi, gdy mówi, że jest mnóstwo rzeczy, których jeszcze nie zrobiliśmy.

W pewnym sensie teoria kwantowa uczy, że nasze zwyczajne postrzeganie świata jest fragmentaryczne. Świat jest o wiele bardziej złożony, niż podpowiadają nam zmysły. Gdy nasz gatunek rodził się w toku ewolucji na stepach Afryki, musieliśmy radzić sobie z innymi problemami i ewolucja nie wyposażyła nas w odpowiednie do rozwiązywania naszych problemów zmysły. Ale dziś o wiele lepiej wykorzystujemy nasze umysły, lepiej panujemy nad zmysłami i mamy o wiele szerszą wiedzę. Postrzegamy zjawiska kwantowe za pomocą wielu nowych narzędzi i widzimy nowe, ogromne możliwości. To będzie przyszłość. Obserwujemy rodzaj intelektualnej wspinaczki. Im więcej rozumiemy, tym więcej jest do zrobienia.

Mamy teorię kwantową – od ponad stu lat. Mamy też teorię względności Einsteina, która również ma ponad sto lat. Obie sprawdziły się znakomicie. Czy to problem dla fizyki? Nasza wiedza opiera się na liczących wiek teoriach.

Zwłaszcza teoria kwantowa, ale w mniejszym stopniu także ogólna teoria względności nie są precyzyjnymi teoriami, są za to swego rodzaju szkieletami. W przypadku teorii kwantowej nie mówi ona, jak działają atomy, jak działają ich jądra, jak działają rozmaite materiały. Oprócz teorii względności i mechaniki kwantowej potrzebne są konkretne, dodatkowe pomysły.

Nastąpił postęp w zrozumieniu podstaw fizyki, zbudowany na ramach teorii kwantowej, ale zdecydowanie wykraczający poza wszystko, co było w głowach Maxa Plancka czy Wernera Heisenberga – twórców tej dziedziny. Myślę o rozwoju teorii oddziaływań silnych, elektro­magnetycznych i słabych, które ludzie powszechnie nazywają modelem standardowym. Wiązało się to z wieloma zasadniczo nowymi pomysłami. I nie było to tylko konsekwencją założeń teorii kwantowej. Kwestionuję więc ogólne założenia tego pytania, ale rozumiem jego ducha.

Dzięki mechanice kwantowej, ogólnej teorii względności i ideom wchodzącym w skład modelu standardowego dziś naprawdę szczegółowo rozumiemy to, jak działa materia i czym właściwie ona jest. Nasze teorie zostały dogłębnie przetestowane. Aby podważyć najmniejsze elementy tych modeli, musimy dziś tworzyć gigantyczne akceleratory i przeprowadzać precyzyjne eksperymenty, a mimo to teoria nadal się trzyma. Nie tylko jeśli chodzi o jej ramy, ale i o szczegóły. Czy to jest problem? Tylko jeśli szukamy rewolucji. Ale jeśli stawiamy na zastosowania, jeśli chcemy budować nowe rzeczy, wykorzystywać potencjały drzemiące w równaniach, które nie zostały jeszcze wykorzystane w praktyce, to problemu nie ma.

Co fizykom teoretykom pozostało do zrobienia?

Wciąż jest wiele do zrobienia. Jednak bardzo trudno dziś jest robić rewolucje. Tak dobrze poradziliśmy sobie w fundamentalnym zrozumieniu świata, że trudno jest znaleźć rzeczy, których brakuje.

Istnieją konkretne kwestie, które należy rozwiązać, konkretne tajemnice. Myślę, że najbardziej wyróżnia się z nich ta: czym jest ciemna materia. Byliśmy tak dumni z siebie, poklepywaliśmy się po plecach za dogłębne zrozumienie zwykłej materii na podstawie teorii kwantowej, teorii modelu standardowego i ogólnej teorii względności. Tymczasem astronomowie odkryli coś, co do tych modeli i teorii nie pasuje. Coś dodatkowego. Mamy całkiem dobre pomysły na temat tego, czym to coś jest. Na początku października nasze konsorcjum naukowe wydało białą księgę opisującą propozycję przeprowadzenia nowego eksperymentu w poszukiwaniu aksjonów – pewnych hipotetycznych cząstek, które mogą być powiązane z ciemną materią.

Nawet sto lat po sformułowaniu teoria kwantów ma opinię niezwykle trudnej do zrozumienia. Gdzie tkwi jej piękno?

Fundamentem nowoczesnej teorii kwantowej jest artykuł Heisenberga z 1924 r., a jej zalążki sięgają prac Plancka z 1899 r. Jest to więc stara teoria, ale wciąż kwitnie.

Obawiam się jednak, że jej pełne piękno jest trudne do uchwycenia bez przygotowania, ponieważ leży ono w zbieżności między rodzajem idealnego świata pojęciowego, który można sformułować tylko w języku matematyki, i świata rzeczywistego. Aby naprawdę docenić teorię kwantową, musisz nauczyć się algebry liniowej, zmiennych zespolonych, liczb zespolonych i tym podobnych rzeczy. To są podstawowe narzędzia. To wbrew pozorom nie jest tak straszne. Jeśli rzeczywiście chcesz dobrze zrozumieć nawet najbardziej podstawowe zjawiska mechaniki kwantowej, to nie możesz tego uniknąć. Inaczej to tak, jakby mówić o pięknie polskiej poezji bez znajomości języka polskiego. ©

FRANK WILCZEK (ur. 1951) jest laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki z 2004 r. oraz tegorocznej Nagrody Templetona. Największy wkład wniósł do tzw. chronodynamiki kwantowej, opisującej najsilniejsze oddziaływania między cząstkami. Aktualnie zajmuje się poszukiwaniem teorii wyjaśnianiającej naturę ciemnej materii. Wykłada na MIT.