Kiedy słyszymy określenie pole kwantowe, łatwo wyobrazić sobie jakąś niewidzialną przestrzeń otaczającą cały świat. Coś tajemniczego, wszechobecnego i być może łączącego wszystko ze wszystkim. Samo słowo „kwantowe” brzmi dla wielu osób niemal magicznie. Tymczasem za tym pojęciem kryje się jedna z najbardziej niezwykłych prób opisania rzeczywistości, jakie stworzył człowiek.
Najbardziej zaskakujące jest jednak coś innego.
To, co na co dzień uznajemy za podstawę świata — przedmioty, ciała, kamienie, drzewa, planety — na najgłębszym znanym nam poziomie wcale nie musi być najbardziej podstawową warstwą rzeczywistości.
W opisie kwantowej teorii pola to pola są fundamentalne, natomiast cząstki możemy traktować jako ich wzbudzenia. CERN porównuje to obrazowo do fali pojawiającej się na powierzchni ogromnego oceanu.
Jeżeli brzmi to dziwnie, to dobrze.
Bo świat kwantowy jest dziwny.
I właśnie dlatego warto spróbować go zrozumieć.
Zacznijmy od czegoś prostego: czym w ogóle jest pole?
Zanim pojawi się słowo „kwantowe”, zatrzymajmy się przy samym polu.
Pole nie jest pojęciem zarezerwowanym dla fizyki kwantowej. Znamy na przykład pole magnetyczne. Nie widzimy go bezpośrednio, a jednak możemy obserwować jego działanie.
Połóż magnes pod kartką papieru, rozsyp na niej opiłki żelaza, a zobaczysz charakterystyczny wzór.
Magnes nie musi dotknąć każdego opiłka.
W otaczającej go przestrzeni istnieje pole.
Podobnie możemy mówić o polu elektrycznym czy grawitacyjnym.
Pole w fizyce można więc bardzo upraszczając wyobrazić sobie jako coś, co ma określony stan lub wartość w każdym punkcie przestrzeni.
Tyle że w fizyce kwantowej sprawa staje się znacznie bardziej niezwykła.
A jeśli cząstka nie jest początkiem historii?
Przez długi czas intuicyjnie wyobrażaliśmy sobie materię jak konstrukcję z coraz mniejszych klocków.
Mamy ciało.
Ciało składa się z tkanek.
Tkanki z komórek.
Komórki z cząsteczek.
Cząsteczki z atomów.
W atomach znajdują się elektrony oraz jądra, a jądra zawierają protony i neutrony. Te ostatnie również nie są elementarne — ich składnikami są kwarki. Elektrony i kwarki należą natomiast do cząstek uznawanych obecnie za elementarne w Modelu Standardowym.
Można więc zapytać:
co znajduje się jeszcze głębiej?
Naturalna odpowiedź brzmi: jeszcze mniejsza cząstka.
Ale współczesny opis prowadzi nas w inną stronę.
Pole.
W kwantowej teorii pola cząstka nie musi być traktowana jak maleńka kulka istniejąca niezależnie od wszystkiego wokół.
Możemy myśleć o niej jak o wzbudzeniu odpowiedniego pola.
To zasadnicza zmiana sposobu patrzenia na rzeczywistość.
Wyobraź sobie ocean
Oczywiście każde porównanie świata kwantowego do rzeczy znanych z codzienności jest niedoskonałe, ale spróbujmy.
Wyobraź sobie spokojny ocean.
Na jego powierzchni pojawia się fala.
Czy fala jest czymś całkowicie niezależnym od oceanu?
Nie.
Jest wzbudzeniem jego powierzchni.
Może się przemieszczać, posiadać energię, spotkać inną falę, zmienić kształt albo zniknąć.
Ocean pozostaje.
W bardzo uproszczonym obrazie podobnie można myśleć o polach kwantowych i cząstkach.
Elektron jest związany z polem elektronowym.
Foton — z polem elektromagnetycznym.
Higgs — z polem Higgsa.
CERN opisuje cząstki właśnie jako fale lub wzbudzenia pól, które są bardziej fundamentalnymi elementami tego obrazu.
Tylko tutaj zaczyna się rzecz naprawdę zdumiewająca.
Pole nie znajduje się wyłącznie tam, gdzie akurat wykrywamy cząstkę.
Pola w tym opisie wypełniają przestrzeń.
Czy więc pole kwantowe jest jedno?
W popularnych rozmowach często słyszymy określenie:
„pole kwantowe”.
Może ono sprawiać wrażenie, jakby istniało jedno wielkie pole obejmujące cały Wszechświat.
W fizyce obraz jest bardziej złożony.
Mówimy o różnych polach kwantowych związanych z różnymi rodzajami cząstek i oddziaływań.
Istnieje między innymi pole elektronowe, pola kwarkowe, pole elektromagnetyczne oraz pole Higgsa.
Model Standardowy opisuje znane cząstki materii oraz trzy z czterech fundamentalnych oddziaływań: elektromagnetyczne, słabe i silne. Grawitacja nie została w nim ujęta w taki sam sposób.
To ważne, ponieważ już tutaj docieramy do granicy pomiędzy tym, co potrafimy bardzo dobrze opisywać, a tym, czego nadal nie umiemy połączyć w jedną całość.
Czy pola naprawdę istnieją, czy są tylko matematyką?
To pytanie jest fascynujące.
Fizyka posługuje się matematyką, żeby przewidywać wyniki eksperymentów. Kwantowa teoria pola robi to z niezwykłą skutecznością.
Możemy jednak zapytać filozoficznie:
czy równania opisują coś, co naprawdę istnieje, czy jedynie tworzą niezwykle skuteczny sposób przewidywania tego, co zaobserwujemy?
To nie jest już tak proste pytanie, jak mogłoby się wydawać.
Jeżeli mówimy, że pole elektronowe istnieje w całej przestrzeni, łatwo wyobrazić sobie jakąś niewidzialną substancję.
Nie należy jednak brać analogii z oceanem zbyt dosłownie.
Pole kwantowe nie jest cieczą.
Nie jest mgłą.
Nie przypomina niewidzialnego gazu rozlanego po Wszechświecie.
To coś opisywanego przez teorię matematyczną, której konsekwencje możemy sprawdzać eksperymentalnie.
A pytanie o to, czym pole jest „samo w sobie”, prowadzi już znacznie głębiej.
Higgs pokazał nam coś niezwykłego
Jednym z najbardziej znanych przykładów jest pole Higgsa.
Przez wiele lat istniało przede wszystkim jako element teorii.
W latach 60. XX wieku zaproponowano mechanizm, dzięki któremu cząstki mogą uzyskiwać masę poprzez oddziaływanie z polem Higgsa. Im silniej określona cząstka elementarna oddziałuje z tym polem, tym większą ma masę; foton z polem Higgsa nie oddziałuje w ten sposób i pozostaje bezmasowy.
Z polem związana jest cząstka — bozon Higgsa.
Przez dziesięciolecia jej poszukiwano.
W 2012 roku eksperymenty ATLAS i CMS w Wielkim Zderzaczu Hadronów ogłosiły odkrycie nowej cząstki zgodnej z przewidywaniami dotyczącymi bozonu Higgsa.
To był niezwykły moment.
Coś przewidzianego dzięki równaniom wiele lat wcześniej pozostawiło ślad w eksperymentach przeprowadzonych przez kolejne pokolenie ludzi.
Niewidzialne pole nie stało się nagle czymś, co możemy wziąć do ręki.
Dostaliśmy jednak bardzo mocny znak, że teoria opisuje coś rzeczywistego.
A teraz najdziwniejsze: czym jest pustka?
Spójrz na pustą szklankę.
Powiesz zapewne, że nic w niej nie ma.
Oczywiście pozostaje powietrze, więc możemy je usunąć.
Tworzymy próżnię.
Teraz jest pusto?
W codziennym znaczeniu — tak.
W kwantowym opisie rzeczywistości sprawa nie jest jednak tak prosta.
Próżnia kwantowa nie oznacza po prostu absolutnego „nic”.
Pola nadal istnieją.
Stan próżni jest najniższym energetycznie stanem tych pól, ale nie należy utożsamiać go z filozoficzną nicością.
To niezwykle ważne rozróżnienie.
Kiedy w popularnych tekstach pojawia się stwierdzenie, że „cząstki powstają z niczego”, brzmi to sensacyjnie.
Tyle że kwantowa próżnia nie jest niczym w potocznym znaczeniu tego słowa.
Mamy do czynienia z fizycznym stanem opisywanym przez teorię.
I tutaj nasze codzienne pojęcie pustki zaczyna się rozpadać.
Czy pustka może mieć właściwości?
Wydaje się to absurdalne.
Jak „nic” może mieć właściwości?
Problem znika, kiedy przestaniemy nazywać próżnię absolutnym niczym.
Eksperymenty badają zachowanie światła i materii w warunkach próżni, a współczesna fizyka traktuje stan próżni jako istotną część opisu kwantowych pól. CERN prowadził między innymi eksperyment OSQAR dotyczący właściwości próżni w obecności silnego pola magnetycznego.
To prowadzi do niesamowitego wniosku.
Usunięcie cząstek z fragmentu przestrzeni nie oznacza usunięcia samych pól.
Możemy pozbyć się fal z oceanu.
Nie oznacza to jeszcze, że zniknął ocean.
Znów pamiętajmy: to tylko analogia.
Ale pomaga wyobrazić sobie, dlaczego „pusta przestrzeń” w fizyce kwantowej nie musi oznaczać absolutnej nicości.
Czy cząstki mogą pojawiać się i znikać?
W świecie codziennym przedmioty mają trwałość.
Kubek stoi na stole.
Po godzinie nadal tam jest.
Samochód nie znika na skrzyżowaniu, żeby po chwili pojawić się trzy ulice dalej.
Świat cząstek elementarnych zachowuje się inaczej.
W odpowiednich procesach cząstki mogą powstawać, rozpadać się i przekształcać. Energia może zostać wykorzystana do wytworzenia nowych cząstek, o ile spełnione są odpowiednie prawa zachowania i warunki fizyczne.
Właśnie dlatego w akceleratorach zderza się cząstki przy ogromnych energiach.
Nie chodzi tylko o rozbijanie ich jak dwóch samochodów podczas kolizji.
Energia zderzenia może prowadzić do powstania nowych cząstek. CERN wykorzystuje ten mechanizm do badania fundamentalnej struktury materii.
To kolejna rzecz, która przeczy naszej codziennej intuicji.
Na głębokim poziomie rzeczywistość okazuje się bardziej dynamiczna, niż sugeruje nieruchomy stół stojący przed nami.
Skoro wszystko jest polami, dlaczego stół jest twardy?
To bardzo dobre pytanie.
Jeżeli materia nie jest po prostu zbiorem miniaturowych kuleczek, dlaczego nie możemy przełożyć dłoni przez blat?
Przecież atomy w ogromnej części nie przypominają zwartej bryły.
Odpowiedź tkwi w oddziaływaniach.
Elektrony związane z atomami naszej dłoni oddziałują z elektronami i strukturą atomową stołu. Dochodzą do tego zasady kwantowe, w tym dotyczące fermionów, które ograniczają możliwość zajmowania przez identyczne cząstki tego samego stanu.
W efekcie powstaje to, czego doświadczamy jako twardości materii.
Stół jest więc dla nas całkowicie realny.
Możemy na nim postawić filiżankę.
Możemy się o niego uderzyć.
Jednocześnie jego głęboka struktura wygląda zupełnie inaczej niż obraz, który podpowiadają nam oczy i dotyk.
Nasze zmysły pokazują rzeczywistość w skali potrzebnej do życia.
Nie muszą pokazywać jej najbardziej fundamentalnej warstwy.
Czy wszystko we Wszechświecie jest ze sobą połączone?
Tutaj trzeba zachować szczególną ciekawość, ale również precyzję.
Skoro pola kwantowe istnieją w całej przestrzeni, łatwo wykonać kolejny krok i powiedzieć:
„A więc wszystko jest połączone ze wszystkim.”
Brzmi pięknie.
Problem polega na tym, że może oznaczać wiele zupełnie różnych rzeczy.
W sensie fizycznym pola są częścią opisu całego Wszechświata, a cząstki mogą ze sobą oddziaływać zgodnie z określonymi prawami.
Istnieje również zjawisko splątania kwantowego, w którym stanów pewnych układów nie da się opisać jako całkowicie niezależnych.
Nie oznacza to jednak automatycznie, że każda myśl człowieka jest połączona ze wszystkimi wydarzeniami we Wszechświecie.
To byłby już dodatkowy wniosek.
I właśnie tutaj warto rozdzielić dwie rzeczy:
to, co wynika z fizyki, oraz to, co zaczynamy na jej podstawie sobie wyobrażać.
Jedno nie musi wykluczać ciekawości wobec drugiego.
Gdzie kończy się wiedza, a zaczynają domysły?
To chyba najważniejsza część całego tematu.
Wiemy, że kwantowa teoria pola niezwykle skutecznie opisuje świat cząstek elementarnych.
Potrafimy przewidywać wyniki eksperymentów.
Odkryliśmy cząstki przewidziane wcześniej teoretycznie.
Model Standardowy okazał się jednym z najbardziej udanych opisów fundamentalnej fizyki, jakie kiedykolwiek powstały.
Jednocześnie nie jest teorią wszystkiego.
Grawitacja pozostaje poza jego pełnym opisem.
Natura ciemnej materii nadal nie została wyjaśniona.
Pozostaje zagadka przewagi materii nad antymaterią.
Nie znamy odpowiedzi na pytanie, dlaczego cząstki mają właśnie takie masy i dlaczego występują w obserwowanym układzie generacji. CERN sam wymienia te kwestie jako otwarte problemy współczesnej fizyki.
A to oznacza, że historia poznawania fundamentalnej rzeczywistości zdecydowanie się nie skończyła.
A gdzie w tym wszystkim jest grawitacja?
To jeden z największych problemów.
Mamy dwa niezwykle skuteczne sposoby opisywania natury.
Mechanika kwantowa i kwantowa teoria pola doskonale radzą sobie ze światem bardzo małym.
Ogólna teoria względności Einsteina opisuje grawitację, czasoprzestrzeń, planety, gwiazdy i wielkoskalową strukturę Wszechświata.
Problem pojawia się wtedy, gdy próbujemy stworzyć jeden spójny opis obejmujący oba te światy.
Model Standardowy nie zawiera kwantowej teorii grawitacji, a pogodzenie opisu kwantowego z ogólną teorią względności pozostaje fundamentalnym wyzwaniem.
Można powiedzieć coś niezwykłego:
posiadamy dwie wielkie mapy rzeczywistości, ale nadal nie wiemy dokładnie, jak złożyć je w jedną.
To pokazuje, jak daleko zaszliśmy.
I jednocześnie — jak długa droga może jeszcze przed nami pozostawać.
Czy czas i przestrzeń są naprawdę podstawowe?
Tutaj zaczynamy dochodzić do granicy obecnego obrazu świata.
Codziennie żyjemy w przestrzeni.
Poruszamy się od jednego miejsca do drugiego.
Czas płynie.
Przeszłość wydaje się znajdować za nami, przyszłość przed nami.
Naturalnie zakładamy więc, że przestrzeń i czas są sceną, na której rozgrywa się cała historia Wszechświata.
Ale co, jeśli sama scena również nie jest czymś ostatecznym?
W różnych kierunkach fizyki teoretycznej bada się możliwość, że czasoprzestrzeń może mieć głębszą strukturę albo być zjawiskiem wyłaniającym się z bardziej fundamentalnego poziomu.
Nie mamy dziś jednej potwierdzonej odpowiedzi mówiącej, co znajduje się „pod” czasoprzestrzenią.
I właśnie to jest fascynujące.
Być może pytanie „co znajduje się w przestrzeni?” nie jest najgłębszym pytaniem.
Jeszcze bardziej fundamentalne mogłoby brzmieć:
skąd wzięła się sama przestrzeń?
A co było przed polami?
Kiedy dowiadujemy się, że cząstki można opisywać jako wzbudzenia pól, łatwo odczuć satysfakcję.
Oto dotarliśmy do fundamentu.
Tylko czy rzeczywiście?
Skąd wzięły się pola?
Dlaczego istnieją właśnie takie?
Dlaczego mają określone właściwości?
Skąd pochodzą prawa, według których oddziałują?
Dlaczego matematyka opisuje je w taki sposób?
Czy pola są naprawdę najbardziej podstawowym poziomem rzeczywistości, czy kiedyś odkryjemy strukturę znajdującą się jeszcze głębiej?
Historia poznania powinna nauczyć nas ostrożności ze słowem „ostateczny”.
Atom kiedyś oznaczał coś niepodzielnego.
Później odkryliśmy jego wnętrze.
Proton również okazał się złożony.
Dzisiaj za elementarne uznajemy między innymi kwarki i leptony.
Czy za sto albo pięćset lat człowiek nadal będzie uważał je za fundamentalne?
Nie wiemy.
Dlaczego pole kwantowe tak fascynuje ludzi zainteresowanych duchowością?
Powód jest dość łatwy do zrozumienia.
Współczesna fizyka pokazała obraz rzeczywistości, który znacznie różni się od intuicyjnego świata przedmiotów.
Materia przestała przypominać zbiór twardych, niezależnych kulek.
Pojawiły się pola, prawdopodobieństwa, superpozycja, splątanie, kwantowa próżnia oraz inne zjawiska trudne do przełożenia na codzienne doświadczenie.
Dla wielu osób stało się to inspiracją do zadawania pytań wykraczających poza samą fizykę.
Czy świadomość ma jakiś związek z fundamentalną strukturą rzeczywistości?
Być może intencja potrafi wpływać na świat także poza naszym zachowaniem?
A może pomiędzy człowiekiem a Wszechświatem istnieje głębszy poziom połączenia?
To są interesujące pytania.
Nie są jednak automatycznie odpowiedziami.
Samo istnienie pól kwantowych nie dowodzi, że myśl może zmieniać zewnętrzne wydarzenia.
Z drugiej strony fakt, że fizyka czegoś obecnie nie opisuje, nie daje nam kompletnej filozofii świadomości, życia czy sensu istnienia.
Dlatego można pozostawić drzwi otwarte bez udawania, że wiemy, co znajduje się po drugiej stronie.
Czy obserwator tworzy rzeczywistość?
To jedno z najczęściej powtarzanych zdań związanych z mechaniką kwantową.
I zarazem jedno z najbardziej mylących.
W eksperymentach kwantowych sposób pomiaru ma znaczenie dla tego, jakie własności układu możemy określić. Nie oznacza to jednak automatycznie, że Wszechświat potrzebuje ludzkiej świadomości, aby istnieć.
Słowo „obserwator” w codziennym języku kojarzy nam się z człowiekiem patrzącym na coś.
W fizyce pomiar jest związany z fizycznym oddziaływaniem układu z aparaturą lub otoczeniem.
Mimo to problem pomiaru i interpretacja mechaniki kwantowej pozostają źródłem głębokich sporów filozoficznych.
Co właściwie oznacza stan kwantowy?
Czy opisuje rzeczywistość samą w sobie, naszą wiedzę o niej, czy jeszcze coś innego?
Tutaj zaczynają się różne interpretacje.
A wraz z nimi — kolejne pytania.
Czy pole kwantowe może być „polem możliwości”?
To piękne określenie często pojawia się poza fizyką.
Trzeba jednak wiedzieć, że jest metaforą.
Mechanika kwantowa rzeczywiście operuje prawdopodobieństwami możliwych wyników pomiarów. Nie oznacza to, że kwantowe pole jest katalogiem wszystkich naszych możliwych przyszłości, z którego świadomość wybiera samochód, partnera, pieniądze czy konkretny przebieg życia.
Tego rodzaju interpretacja wykracza poza to, co możemy wyprowadzić bezpośrednio z fizyki.
Czy metafora może być inspirująca?
Oczywiście.
Czasami metafory pomagają człowiekowi myśleć o własnym życiu.
Warto tylko wiedzieć, kiedy mówimy o fizyce, a kiedy zaczynamy filozofować.
Obie rzeczy mogą być fascynujące.
Nie są jednak tym samym.
A może największą tajemnicą jest to, że cokolwiek istnieje?
Możemy zejść jeszcze głębiej.
Załóżmy, że kiedyś poznamy pełną teorię wszystkich pól.
Połączymy grawitację z mechaniką kwantową.
Wyjaśnimy ciemną materię.
Zrozumiemy początek Wszechświata.
Czy wtedy odpowiemy na wszystkie pytania?
Niekoniecznie.
Pozostanie bowiem jedno z najbardziej niezwykłych:
dlaczego istnieje cokolwiek?
Dlaczego są pola?
Czemu istnieją prawa?
Skąd wzięła się możliwość istnienia materii?
Dlaczego Wszechświat jest w ogóle zrozumiały?
Możemy odkrywać kolejne poziomy rzeczywistości, a każde rozwiązanie może odsłaniać następną zagadkę.
Być może właśnie dlatego człowiek nigdy nie przestanie pytać.
Co więc naprawdę wiemy?
Wiemy bardzo dużo.
To warto podkreślić.
Nie jesteśmy już w miejscu, w którym wszystko dotyczące budowy materii jest tajemnicą. Potrafimy tworzyć niezwykle dokładne modele, przewidywać zachowanie cząstek, przeprowadzać eksperymenty, odkrywać wcześniej przewidziane obiekty i wykorzystywać zjawiska kwantowe w technologiach.
Model Standardowy z ogromną skutecznością opisuje znane cząstki i trzy fundamentalne oddziaływania.
Równocześnie nie znamy całego obrazu.
Natura ciemnej materii wciąż pozostaje dla nas zagadką.
Nie mamy jeszcze kompletnej kwantowej teorii grawitacji.
Wiele własności pola Higgsa nadal pozostawia pytania, podobnie jak możliwość istnienia nieodkrytych pól i cząstek.
Ostateczna natura rzeczywistości wciąż pozostaje jedną z największych zagadek.
Im więcej odkrywamy, tym wyraźniej widzimy kolejne drzwi.
Tyle wiem, że nic nie wiem
I może właśnie tutaj pole kwantowe staje się czymś więcej niż tylko tematem z fizyki.
Nie dlatego, że daje nam prostą odpowiedź na tajemnicę istnienia.
Wręcz przeciwnie.
Pokazuje, jak bardzo rzeczywistość może różnić się od obrazu tworzonego przez nasze zmysły.
Patrzymy na stół i widzimy stały przedmiot.
Schodzimy głębiej — pojawiają się atomy.
Jeszcze głębiej znajdujemy jądra i elektrony.
W protonach i neutronach odkrywamy kwarki.
Kolejny poziom opisu prowadzi nas do pól kwantowych.
I wtedy naturalnie pojawia się pytanie:
czy to już koniec?
A może za polami znajduje się następna warstwa?
Może kiedyś ktoś spojrzy na dzisiejszą kwantową teorię pola podobnie jak my patrzymy na dawne wyobrażenia o atomie — jako na niezwykle ważny krok, ale nie ostatni?
Nie znamy odpowiedzi.
Właśnie dlatego poznawanie rzeczywistości jest tak fascynujące.
Człowiek nauczył się zaglądać w głąb materii, budować ogromne akceleratory, wykrywać cząstki istniejące przez niewyobrażalnie krótki czas i zapisywać prawa mikroświata za pomocą równań.
A mimo całej tej wiedzy nadal możemy spojrzeć w nocne niebo i zadać pytania, na które nikt nie potrafi odpowiedzieć do końca.
Czym naprawdę jest rzeczywistość?
Czy pola kwantowe są jej fundamentem, czy tylko kolejną odkrytą przez nas warstwą?
Skąd wzięły się same prawa natury?
Co istniało u początku wszystkiego?
I czy człowiek kiedykolwiek będzie zdolny poznać całość?
Możliwe, że największym osiągnięciem nie jest znalezienie odpowiedzi na każde pytanie.
Być może znacznie ważniejszy jest moment, w którym po ogromnej drodze poznania potrafimy nadal powiedzieć:
„Tyle wiem, że nic nie wiem.”
Nie dlatego, że niczego się nie nauczyliśmy.
Lecz dlatego, że dopiero zaczynamy rozumieć, jak ogromne jest to, czego jeszcze nie znamy.
Przeczytaj także – Czy nasze pragnienia mogą wpływać na rzeczywistość bardziej, niż nam się wydaje?
Czym jest świadomość? Czy istnieje tylko w naszym mózgu?
Zapraszam do biblioteki lustra losu