Kvantna fizika – ondje gdje razum odlazi umrijeti

Ovaj tekst ima nekoliko namjena. Prva je da zainteresira čitatelja za svijet kvantne fizike. Druga jest da educira jer je ovaj tekst pun zanimljivih crtica koji govore o prirodi materije, našeg svijeta i svemira pa i nas samih. Treća jest da probije led što se tiče tema o kojima sam do sada ovdje pisala. Svjesna sam da koristim platformu na kojoj se skupljaju ljubitelji knjiga, ali mislim da to nije nešto ograničavajuće, dapače. Kada sam isti ovaj tekst objavila na svom Wattpad profilu prije dvije godine, naišla sam na vrlo pozitivne povratne informacije koje su mi pomogle spoznati kako ljude privlači čudno, kontraintuitivno, apstraktno i neshvatljivo. Ako te riječi ne opisuju kvantnu fiziku, onda ne znam što opisuju.

Zato vas želim povesti na ovo putovanje kroz svijet malenog. Kvantna fizika za pažljivog promatrača može biti poput prosvjetljenja – kao kada kroz gustu šumu nerazumijevanja naiđete na prolaz koji vodi u isti, ali zapravo drugačiji svijet i kada se sa svim novim saznanjima sve nekako poklapa i vodi ka razumijevanju. Ili nam se barem tako čini. Obećajem da će vam ovaj tekst pobuditi maštu, ali samo ako me pozorno pratite. Sve će na kraju imati smisla, a i neće imati smisla.

Zalazimo u svijet kontraintuitivnog.

Ljudi su istraživači i u potrazi su za različitim stvarima. Znatiželja je jedna od naših najvrjednijih osobina. Fizičari se trude razotkriti i razumjeti istinsku prirodu svemira. Žele razotkriti ostatak vela koji pokriva ono što se još drži skrivenim od nas. Neki bi rekli da je to Sizifov posao, ali ja smatram da u tome ima nešto lijepo i inspirativno. Jedini je problem što kvantna fizika nadilazi naše fizikalne mogućnosti. Jer na tom putu nužno je savladati i pomiriti neke već prilično ustaljene divove nama već znane fizike, divove poput Newtona i Einsteina.

Kvantna fizika naizgled je filozofsko područje. Osim što je vrlo apstraktno i teško za shvatiti i zamisliti, kosi se sa zdravim razumom i našim svakidašnjim iskustvima. Kontraintuitivna je. Teško je zamisliti i sami atom, a tek onda još teže i nešto još mnogo, mnogo, mnogo manje od atoma i samih elektrona i ostalih subatomskih čestica. Pa ipak, kvantna fizika je unatoč tome što je poprilično mlada grana fizike, u samo nekoliko desetljeća napravila velike korake.

Dok sam istraživala o ovome, nailazila sam na dosta ljudi koji smatraju da kvantna fizika nema taj domet koji neki ljude tvrde da ima, ali moje mišljenje je, prema dokazima i shvaćanjima koje ja imam o kvantnoj fizici, da ti ljudi imaju samo jako površno znanje o temi. Ne možete bar toliko poznavati kvantnu fiziku i tvrditi da je svijet krut i nepromjenjiv. Sva moderna fizika ukazuje na upravo suprotno.

Naime, kvantna mehanika kosi s klasičnom fizikom. Konkretno, kosi se ne samo s općom teorijom relativnosti koja se svakim pokusom pokazuje sve točnijom i točnijom, već i sa zdravim razumom. Glavni zadatak i ultimativni cilj moderne fizike je pronaći zajedničku teoriju koja bi obuhvatila i kvantnu mehaniku i opću teoriju relativnosti. Takozvanu Teoriju svega. Obje ne mogu biti točne u isto vrijeme. Kontradiktorne su. Velika obećanja u tom pogledu zasad nudi teorija struna u koju u ovom tekstu nećemo ulaziti. Teorija struna ukratko nudi objašnjenje da sve postoji zbog vibracija sitnih struna sastavljenih od energije. Te strune čine sve subatomske čestice. Stanje koje tvori struna ovisi o njenoj frekvenciji titranja i koliko je struna udruženo. Takvo objašnjenje svijeta nudi pomirljivo rješenje dviju kontradiktornih teorija, objašnjenje u kojem su obje točne na svoj način. Međutim, teorija struna je ono što je nastalo iz kvantne teorije, a bez razumijevanja osnova ne možemo dalje.

Kako bih ovaj tekst učinila još tečnijim i pristupačnijim, krenut ću od nečeg što svi poznajemo.

Materije.

Materija je nešto za što smo uvjereni da znamo kako se ponaša i nešto za što i sama klasična fizika može tvrditi da može predvidjeti kako će se ponašati. I to je istina sve dok se držimo klasične fizike i fizike krutih tijela.

Ali istina je takva da kruto tijelo ne postoji.

Vidite, sva fizika koja se uči u osnovnim i srednjima školama (pa čak i na fakultetima, osim ako ne studirate fiziku) je fizika koja promatra idealne modele. Zašto? Zato što je jako teško raditi sa stvarnim objektima. Na primjer, za neko tijelo se uvijek pretpostavlja da mu je gustoća ravnomjerno i savršeno raspoređena po volumenu, masa tijela se uvijek stavlja u jednu točku, utrošci energije su uvijek odmjereni, često se zanemaruje trenje i otpor zraka i uglavnom sve komplikacije pri računanju.

Stvarni svijet nije idealan, a kada to uistinu uvidimo, uvidimo koliko malo znamo o materiji. Materija ne postoji i ne sastoji se od materije. Sad nekome vjerojatno zvoni u glavi da se sve sastoji od atoma, pa kako onda ne postoji materija? Atomi nisu materija. Atomi nisu tvari. Tvari su još manje “čestice” od kojih se sastoje i “čestice” od kojih se sastoje te “čestice”. Zašto stavljam navodnike shvatit ćete kasnije.

Heisenberg, jedan od suosnivača kvantne teorije, otkrio je da atomi nisu tvari, otkrio je da atomi “ne postoje”. Atomi su samo tendencije. Atomi su nestabilni, jezgra i elektroni svako malo nestaju i pojavljuju se niotkuda. Otkrio je da ako “promatramo” atom (jer nitko nikada nije vidio atom) i njegove elektrone koji čine oblak oko jezgre, ne možemo istovremeno znati gdje se nalazi elektron i njegovu brzinu. Možemo precizno znati samo jedno od tog dvoje i to načelo se naziva Heisenbergovim načelom neodređenosti. Dakle, elektroni samo čine oblak mogućnosti. Ovo načelo vrlo je važno za stvari o kojima ću govoriti nakon ovog.

To nas dovodi do pitanja što je zapravo stanje tvari te zašto se materija kakvu poznajemo ponaša tako kako se ponaša. Možemo li svojim promatranjem utjecati na to što vidimo i kako se tvari ponašaju?

To nas dovodi do Schrödingera i njegove slavne mačke u kutiji. Za vas koji možda niste čuli za ovaj paradoksalni misaoni pokus, Schrödinger je zamislio da je u kutiju stavio mačku i zatvorio ju. U kutiji se nalazio radioaktivni materijal koji ima 50% šanse ubiti mačku. Pitao se što će li pronaći u kutiji kada prođe vrijeme poluraspada radioaktivnog materijala. Hoće li mačka biti živa ili mrtva?

Naravno, kada otvorimo kutiju uvidimo jedno od ta dva stanja, kao što se dogodi u stvarnom životu, ali ono što je i samog Schrödingera odvratilo od proučavanja kvantne fizike (bila mu je filozofski uznemirujuća) jest bio njegov zaključak.

On je došao do zaključka da je mačka prije nego što otvorimo kutiju i živa i mrtva, odnosno da vibrira u dvije mogućnosti, oboje istovremeno. Zvuči apsurdno, da. Ali ovaj fenomen dokazan je.

Nazivamo ga superpozicija.

Superpozicija znači da ono o čemu mislimo postoji u svim mogućim pozicijama tog objekta, a čim svojim osjetilima zamijetimo taj objekt, on se pojavi na jednom od tih stanja. Zvuči nemoguće, ali da nema superpozicije predmeti u našim realnostima ne bi mogli postojati.

Ovo je toliko puno puta promatrano u pokusima sa svjetlom i elektronima da se to uči u srednjoj školi.  Oni koji su imali fiziku u srednjoj školi vjerojatno se sjećaju pokusa s ispucavanjem elektrona kroz dvije sitne pukotine. Misaoni pokus s mačkom izmišljen je samo kako bi bolje ilustrirao rezultate i zaključke tog pokusa. Konkretno, u školi se uči dualna priroda svjetlosti. Svjetlost je i čestica i val i fotoni su dovoljno maleni da kod njih možemo promatrati oba stanja kada im damo dovoljno energije. No, stvar je u tome da sve čestice od kojih smo mi sastavljeni i sve oko nas ima tu dualnu prirodu. Dugo se mislilo suprotno. Na primjer, Newton se zalagao za korpuskularnu prirodu svjetlosti, odnosno, smatrao je da je svjetlost čestica, pojava sastavljena od tjelešaca koja imaju masu. Tek Einstein je otkrio da je svjetlost oboje i to je bilo jako kontroverzno mišljenje u to doba. Neki instituti čak su mu odbijali suradnju kada je objavio svoje proračune. Danas je to provjerljivo jer znamo kako se uočavaju valna, a kako čestična svojstva.

Onda se otkrilo da i elektroni imaju valna svojstva što je bilo šokantno jer su se elektroni također smatrali česticama, djelićima materije. Granice se postavljaju tek kada dođemo do predmeta razmjerno “velikih” masa. Na primjer, vi nikada nećete zamijetiti valna svojstva svoje olovke jer je ona u relativnom odnosu prema atomima i elektronima teška i velika. Njena valna duljina, valno svojstvo jer premaleno da ga možemo promotriti. To se još zove i De Broglieva valna duljina, također je dio gradiva srednje škole.

Ali zato elektroni mogu biti u superpoziciji.

Pratite li me?

Jedan od pokusa u kojem su pokazali da elektroni postoje u dva stanja odjednom je bio gore spomenuti pokus s ispucavanjem elektrona kroz dva vrlo mala proreza, Youngov pokus. Pokus je pokazao da elektron ne bira u koju će rupu ući već da ulazi u obje odjednom i postoji u oba stanja odjednom. To je zaključeno po tome što su elektroni ostavili trag svjetlosti na pozadini na koju su slijetali u obliku pruga i to se naziva interferencija. Ako se sjećate kako izgleda transverzalni val, kada se dol sretne s brijegom oni se međusobno poništavaju i to tvori tamnu prugu. Međutim, ako se sretnu brijeg i brijeg ili dol i dol, to rezultira konstruktivnom interferencijom i tako nastaje svijetla pruga.

Takvo što je nemoguće bez valnih svojstava i to je odalo njihova valna svojstva. Imajte na umu da su se elektroni do tada smatrali česticama. To je bilo ogromno iznenađenje znanstvenicima i to s razlogom. Možda to ne izgleda kao nešto nevjerojatno, ali sjetite se da to znači da je jedno te ista stvar na dva različita mjesta! Elektroni su interferirali čak i kada bi ih puštali pojedinačno misleći da onda ne mogu međusobno interferirati i da će dobiti dvije pruge kao što bi dobili s bilo kojom materijom. Međutim, ponovno su dobili interferencijske pruge.

Nadam se da me pratite.

Ono što je uslijedilo je zapravo još više zbunjujuće. S obzirom na to da je objašnjenje uz pomoć superpozicije bilo neizbježno, odlučeno je da će provjeriti kroz koji prorez elektron zapravo prolazi. Pretpostavljam da je bilo nevjerojatno za povjerovati, odnosno, mislilo se da superpozicija ne može biti odgovor na pitanje.

Postavljen je mjerni uređaj pokraj proreza i elektroni su ponovno pušteni jedan po jedan. Rezultat su bile samo dvije pruge, kao što bi dobili da su bacali najobičnije kuglice tvari, materije. Znanstvenici su pokušavali uhvatiti valno ponašanje elektrona na detektorima tako što bi ih naglo uključili nakon ispucavanja elektrona, ali elektroni su se ponovno pojavljivali u samo dvije svijetle linije. Dakle, samim time što se promatrač umiješao, ponašanje objekta promatranja se promijenilo upravo kao da je elektron bio svjestan da ga se promatra. Samim time što smo promatrali kroz koji će prorez elektron ući poremetilo je valno ponašanje elektrona i razlomilo fenomen superpozicije. Zašto bi se elektron ponašao tako? Zašto bi samo promatranje objekta utjecalo na bilo koji način na njega?

To konkretno i jasno daje odgovor iz fizike na to je li moguće utjecati na okolinu oko sebe samo promatranjem. Jest. Zato tu zalazimo u zonu sumraka gdje razum odlazi umrijeti, a započinje zona neodređenosti i nesigurnost.

Ovaj eksperiment potaknuo je nekoliko teorija od kojih je javnu maštu najviše raspirila teorija o multi svemirima. Razumljivo.

Ukratko, teorija multisvemira nalaže da svaki put kada se u svemiru pojavi više mogućnosti, taj svemir se “rascijepi” na više svemira u kojima je svaka od mogućnosti ispunjena. Tako na primjer može postojati svemir u kojem je Hitler dobio rat ili svemir u kojem se dva svjetska rata nikada nisu dogodila. To hoće reći da svaki put kada i vi donesete odluku, svemir se rascijepi na sve mogućnosti koje bi se mogle dogoditi da to niste učinili. Kada vi odlučite da ćete otići negdje, već postoji svemir u kojem niste otišli tamo gdje sa svojom svijesti koju posjedujete jeste.

Osim u fizici, neobične činjenice da nismo samo promatrači možemo naći i u neuroznanosti.

Pri poručavanju mozga s PET scanom, pred ispitanike su bili stavljeni određeni predmeti. PET uređaj registrirao je moždanu aktivnost pri gledanju u taj predmet. Zatim su ispitanici zamoljeni da zatvore oči i zamisle taj isti predmet u svom umu. Nije bilo razlika u moždanoj aktivnosti. Postavlja se pitanje je li realnost ono što vidimo očima ili mozgom? Ako mozgom registriramo realnost, što je realnost ako se mozak jednako ponaša pri zamišljanju i gledanju nečeg? Je li realnost za čovjeka u našem umu ili negdje vani?

Odgovor na ovo pitanje je da mozak u srži ne prepoznaje razliku između onoga što vi trenutno vidite pred sobom i onog na što zamišljate, sjećate se ili izmišljate.

Samo se sjetite kako vam se možda uznoje dlanovi ili se uzlupa srce pri pomisli na neki traumatični ili nemili događaj. Sjetite se kakav vas osjećaj prođe tijelom onda kada mislite na nešto lijepo, na voljenu osobu, ljubimca? Sjetite se kako se osjećate kada zamišljate pisanje važnog ispita? Te stvari nisu pred vama, a ipak vaše tijelo i mozak reagira kao da ste upravo tamo i proživljavate to iako možda samo ležite u krevetu.

Ove činjenice su posebno zabavne jer preispituju prirodu svemira. Što je realnost? Je li promjenjiva? Gdje se nalazi ta realnost ako se teorija multisvemira doista pokaže točnom? Je li realnost za sve ljude ista? Odgovor je i da i ne.  

Ako samo promatrač može utjecati na ponašanje elektrona kojeg ni ne vidimo golim okom, onda zamislite što li možemo napraviti svjesnim uplitanjem u našu realnost. Razmislite, ako ništa nije stabilno, tj. ako je toliko nestabilno da možemo promijeniti ponašanje čestica na subatomskom nivou onda se materija, atomi i sve čestice mogu najbolje opisati kao misli, informacije, moguća stanja koja su nejasna dok svoju pažnju ne prebacimo na njih.

Ako ste me do sada pratili, razumjet ćete kako sam došla do ovog zaključka. To je, naravno, samo moja interpretacija. Na kraju krajeva, preispitujte sami. I ja sam samo laik koji je do ovih informacija došao pukom znatiželjom te sam donijela zaključke koji meni imaju smisla. Ni ja ne razumijem u potpunosti kvantnu fiziku i ne trudim se niti reći da ju razumijem. Ovaj tekst tek je zavirio u ono što se krije iza naziva kvantna fizika. Možda bi bilo malo lakše za razumjeti ova stajališta kada bih pisala o teoriji struna koja stoji kao novo rješenje muka fizičara. Kažem možda jer je vjerojatnije da bi na kraju svega ipak bilo više pitanja nego odgovora.

Penjanje planinom spoznaje je zbilja Sizifov posao. Jer u tom penjanju sa svakim odgovorom nailazi se na još pitanja koji vode u drugim smjerovima u koje je čovječanstvo spremno odlutati ako se u njima nadzire i trunka odgovora na sve. Vjerojatno ćemo tako lutati dovijeka, ali kako se kaže: „Putovanje je cilj“.

Autorica: Lou Masacky

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Google photo

You are commenting using your Google account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

Connecting to %s