Po koniec XIX wieku wydawało się, że w fizyce wszystko zostało już wyjaśnione. Wybitni naukowcy, tacy jak James Clerk Maxwell czy Albert Michelson przekonywali, że jedynym zajęciem pozostanie dookreślanie istotnych stałych fizycznych z coraz większą dokładnością. Tymczasem początek XX wieku przyniósł dwie największe rewolucje w historii fizyki: teorię względności oraz mechanikę kwantową. Ów niespodziewany przewrót oraz niezwykłość świata, który odsłonił się przed oczyma naukowców, to motyw przewodni wykładu pt. „Kot Schrödingera” wygłoszonego przez prof. dr. hab. Macieja Maśkę z Zakładu Fizyki Teoretycznej UŚ.

Prof. dr hab. Maciej Maśka z Zakładu Fizyki Teoretycznej UŚ

Jeżeli obraz fizyki w XIX wieku zostałby porównany do jasnego, niemalże bezchmurnego nieba, wówczas jego błękit zakłócić mogłyby jedynie dwa nie do końca jeszcze zrozumiałe zjawiska, o których w 1900 roku pisał m.in. lord Kelvin.

– To on wskazywał, że teorię dynamiczną opisującą ciepło i światło jako przejawy ruchu przysłaniają tylko dwie chmurki: niemożność wyjaśnienia eksperymentu Michelsona-Morley’a oraz kłopot z promieniowaniem ciała doskonale czarnego – mówił podczas wykładu prof. Maciej Maśka. – Czy lord Kelvin mógł przypuszczać, że wraz z kolejnymi odkryciami chmury te przysłonią jeszcze do niedawna przejrzyste niebo? Rozwiązanie tych problemów dało bowiem początek dwóm największym teoriom fizycznym XX wieku, pierwszego – teorii względności, drugiego zaś – mechanice kwantowej – wyjaśniał fizyk.

Tematyka wykładu koncentrowała się wokół zagadnień związanych z odkryciami praw rządzących mikroświatem oraz ich konsekwencjami całkowicie burzącymi zdroworozsądkowe rozumienie znanego nam świata. Słynny kot Schrödingera, jednocześnie żywy i martwy, otwierał listę niezwykłości zasad mechaniki kwantowej, które, jak przekonywał fizyk, choć dziś są szeroko wykorzystywane w praktyce, potrafiły wprawić w zdumienie swoich odkrywców – noblistów w dziedzinie fizyki. Aby uwypuklić tę myśl, prof. Maśka przytoczył kilka wypowiedzi ekspertów na temat praw rządzących mikroświatem. I tak Albert Einstein przekonywał, że zajmując się problemem względności, zachowuje się niczym struś chowający głowę w piasek na samą myśl o kwantach. Wolfgang Pauli doszedł do wniosku, że wolałby zostać komikiem, gdyby ktoś wcześniej uzmysłowił mu, czym będzie się zajmował jako fizyk. Z kolei Anton Lorentz pół żartem, pół serio mówił ponoć, że wolałby umrzeć, zanim dokonano tych odkryć, gdy jeszcze wszystko wydawało mu się proste i jasne…

Najwyraźniej prof. Maciej Maśka postanowił sprawić, by publiczności zgromadzona w sali Wydziału Nauk Społecznych poczuła się przez chwilę jak największe umysły XX wieku. – Chciałbym, aby państwo wyszli stąd lekko skonfundowani, użyłem być może niemodnego słowa, ale ono znakomicie oddaje nasz stan w momencie zetknięcia się z prawami mechaniki kwantowej. Nie zrozumiemy ich, jeśli będziemy się posługiwać wyłącznie pojęciami, których używamy na co dzień. Wchodząc w ten świat, musimy zostawić poza jego granicami aparaturę znanego nam makroświata – zapewniał prelegent.

Przekroczenie progu „krainy kwantowej” nastąpiło wraz z analizą zjawiska promieniowania ciała doskonale czarnego. To ona umożliwiła Maxowi Planckowi przedstawienie w 1900 roku hipotezy przeczącej przekonaniu o energii jako jakości ciągłej i wprowadzenie pojęcia kwantów, czyli małych porcji, w których jest ona nam przekazywana. Prof. Maśka podczas wykładu mówił także o licznych eksperymentach, których wyniki fizycy są w stanie bez problemu przewidzieć, ale zupełnie tracą grunt pod nogami, gdy muszą odpowiedzieć na jedno proste pytanie: dlaczego stanie się to, co stać się musi?

Jednym z przykładów był eksperyment z dwoma szczelinami pokazujący różne wyniki i przebieg w skali makro przynoszący klasyczny i niebudzący wątpliwości wynik oraz w skali mikro, na poziomie atomowym – zaskakujący i całkowicie sprzeczny z intuicją. Zgodnie z zasadami fizyki kwantowej eksperyment ten pokazuje, że na poziomie mikroświata pojedynczy elektron biegnie równocześnie dwiema różnymi drogami (sic!). Ogromną rolę odgrywa w tym przypadku obecność bądź nieobecność obserwatora. Jeśli widzimy tylko efekt „wypuszczania” pojedynczych cząstek w kierunku dwóch szczelin, wówczas obserwujemy obraz interferencyjny. Innymi słowy, pojedyncze elektrony zachowują się jak fale. W obecności tzw. obserwatora otrzymamy natomiast obraz charakterystyczny dla cząstek.

– Najwyraźniej elektron czuje się niekomfortowo, gdy mu się przyglądamy, i wtedy zachowuje się klasycznie, jak cząstka. Gdy jednak przestaje być obserwowany, zachowuje się, jakby był falą... Eksperyment pokazał, że zachowanie się układu w mikroświecie zależy od tego, czy go podglądamy, czy nie. To jest dopiero dziwne! – podsumował prof. Maśka.

Publiczność słuchająca wykładu na własne oczy przekonała się, że układ ten jest jednocześnie w dwóch różnych stanach tak jak tytułowy kot Schrödingera – i żywy, i martwy zarazem. Co więcej, dotyczy to wszystkich elementów mikroświata. Jak podkreślał prof. Maśka, trzeba jednak pamiętać o tym, że zasad mechaniki kwantowej nie wolno przenosić na poziom makro, który jest nam bliższy i dużo bardziej zrozumiały.

Kolejna część wykładu została poświęcona zagadnieniu wybranych efektów kwantowych, takich jak zasada nieoznaczoności Heisenberga, splątanie kwantowe czy zjawisko tunelowania. I chociaż często trudno zrozumieć, w jaki sposób przebiegają, naukowcy potrafią je świetnie wykorzystywać np. w elektronice.

Podsumowując wykład, prof. Maśka nawiązał także do światów niezwykłych, znanych doskonale przede wszystkim miłośnikom literatury fantastycznej. Jak przekonywał, ani jednak to, co wydarzyło się w Śródziemiu, ani w Hogwarcie, ani nawet dawno, dawno temu w odległej galaktyce, nie jest tak dziwne, jak świat, w którym żyjemy. Formułując tę tezę, prof. Maśka podkreślał, że owa dziwność oznacza przede wszystkim rzeczywistość nieznaną, jeszcze nieoswojoną, działającą wbrew ludzkiej intuicji, co zresztą starał się udowodnić, opowiadając o niektórych zjawiskach zachodzących także na poziomie mikro. I jeśli ktoś z publiczności miał po wysłuchaniu wykładu przekonanie, że zupełnie nie pojmuje praw mechaniki kwantowej, mógł być pewny, że poznał mikroświat lepiej od tych, którym wydawało się, że wszystko zrozumieli.