Einstein, Bohr a válka o kvantovou teorii

Foto: geralt/Pixabay

Co je skutečné? Nedokončené pátrání po smyslu kvantové fyziky 

Před 90 lety se ve fyzice rozpoutalo peklo. Objev kvantové teorie rozpoutal prudké diskuze mezi Albertem Einsteinem a Nielsem Bohrem. Představovalo to výzvu pro samotnou povahu vědy a pravděpodobně v tom i nadále pokračuje tím, že vážně narušuje vztah mezi teorií a povahou reality. Adam Becker, vědecký spisovatel a astrofyzik, zkoumá tento zamotaný příběh v titulu: Co je skutečné?  Napsal server Nature.

Becker zpochybňuje hegemonii kodaňské interpretace kvantové mechaniky. Tato teorie, kterou ve 20. letech 20. století předložili Bohr a Werner Heisenberg, tvrdí, že fyzické systémy mají pouze pravděpodobnosti, spíše než specifické vlastnosti, dokud nejsou změřeny. Becker tvrdí, že pokus analyzovat, jak tato interpretace odráží svět, ve kterém žijeme, je cvičením v neprůhlednosti. Ukazuje, že vývoj vědy je ovlivněn historickými událostmi, včetně sociologických, kulturních, politických a ekonomických faktorů – zkoumá alternativní vysvětlení. Tvrdí, že kdyby se události ve dvacátých letech minulého století odehrávaly jinak, náš pohled na fyziku by mohl být velmi odlišný.

Becker se zdržuje na Solvayově konferenci v Bruselu v roce 1927, kde se sešlo 29 skvělých vědců, aby diskutovali o začínající kvantové teorii. Zde vyvrcholily neshody mezi Bohrem, Einsteinem a dalšími, včetně Erwina Schrödingera a Louise de Broglieho. Zatímco Bohr navrhoval, že entity (jako jsou elektrony) mají pouze pravděpodobnosti, pokud nebyly pozorovány, Einstein tvrdil, že mají nezávislou realitu, což vyvolalo jeho slavné tvrzení, že „Bůh nehraje v kostky“. O několik let později přidal glosu: „To, co nazýváme vědou, má jediný účel určit, co je. Najednou byl v sázce vědecký realismus – myšlenka, která potvrdila vědecké teorie zhruba odrážející realitu.

Kvantové jevy byly pro mnohé fenomenálně matoucí. První byla dualita vlna-částice, ve které světlo může působit jako částice a částice, jako jsou elektrony, interferují jako světelné vlny. Podle Bohra se systém chová jako vlna nebo částice v závislosti na kontextu, ale nemůžete předpovědět, co to udělá.

Za druhé, Heisenberg ukázal, že nejistota, například ohledně polohy a hybnosti částice, je pevně začleněna do fyziky. Za třetí, Bohr tvrdil, že můžeme mít pouze pravděpodobnostní znalosti o systému: v Schrödingerově myšlenkovém experimentu je kočka v krabici mrtvá i živá, dokud není spatřena. Za čtvrté, částice se mohou zamotat. Například dvě částice mohou mít opačné rotace, bez ohledu na to, jak daleko od sebe jsou: pokud změříte jednu, že se roztočí nahoru, okamžitě víte, že druhá se roztočí dolů. (Einstein to nazval „strašidelnou akcí na dálku“.)

Becker vysvětluje, jak tato pozorování zpochybňují lokalitu, kauzalitu a determinismus. V klasickém světě kulečníkových koulí, projektilů a jablek padajících ze stromů nebyly nikdy problémy.

Becker probírá historii a ukazuje, jak Bohr jako antirealista přivedl na svou stranu mnoho začínajících fyziků, včetně Heisenberga, Wolfganga Pauliho a Maxe Borna. Einstein však vytrvale tvrdil, že kodaňská interpretace je neúplná. Domníval se, že v pozadí kvantových jevů mohou existovat skryté proměnné nebo procesy; nebo možná „pilotní vlny“, navržené de Brogliem, řídí chování částic. V roce 1932 vytvořil matematik John von Neumann důkaz, že v kvantové mechanice nemohou existovat žádné skryté proměnné. Ačkoli je to matematicky správné, o desetiletí později se ukázalo, že je chybný. Ale škoda byla způsobena: potenciálně životaschopné alternativy, které vymysleli Einstein a de Broglie, zůstaly relativně neprozkoumané. Kodaňská interpretace se uchytila ​​ve třicátých letech 20.

Na Solvayovu konferenci lze tedy pohlížet jako na mezník mezi dvěma matematicky ekvivalentními, ale zásadně odlišnými paradigmaty: Bohrovým instrumentalistickým pohledem na kvantovou fyziku a Einsteinovým realistickým pohledem. Ve vědě dominantní paradigma určuje, které experimenty se provádějí, jak jsou interpretovány a jakou cestu výzkumný program sleduje.

Ale co když pole vybere špatné paradigma? Becker ukazuje, jak v 50. a 60. letech 20. století hrstka fyziků oprášila teorie Einsteina a de Broglieho a proměnila je v plnohodnotnou interpretaci schopnou otřást status quo. David Bohm tvrdil, že částice v kvantových systémech existovaly, ať už byly pozorovány nebo ne, a že mají předvídatelné polohy a pohyby určené pilotními vlnami. John Bell pak ukázal, že Einsteinovy ​​obavy z lokality a neúplnosti v kodaňské interpretaci byly na místě. Byl to on, kdo vyvrátil von Neumannův důkaz tím, že odhalil, že vylučuje pouze úzkou třídu teorií skrytých proměnných.

Vědecká komunita přivítala Bohmovy myšlenky chladně. Bývalý mentor J. Robert Oppenheimer řekl: „Pokud nemůžeme Bohma vyvrátit, musíme souhlasit s tím, že ho budeme ignorovat“. A jak ukazuje Becker, Bohmovy levicové názory vedly k vystoupení před sněmovním výborem pro neamerické aktivity ak následné ostrakizaci.

Bohmův současník, fyzik Hugh Everett, přinesl další výzvu kodaňské interpretaci. V roce 1957 se Everett rozhodl vyřešit „problém měření“ v kvantové teorii — rozpor mezi pravděpodobnostní povahou částic na kvantové úrovni a jejich „zhroucením“, když se změří, do jednoho stavu na makroskopické úrovni.

Everettova interpretace mnoha světů nepředpokládala žádný kolaps. Místo toho se pravděpodobnosti rozdvojují v okamžiku měření do paralelních vesmírů – jako je ten, ve kterém je Schrödingerova kočka naživu, a jiný, ve kterém je mrtvá. Ačkoli se pro některé zdá nekonečné množství netestovatelných vesmírů nevědeckých , mnoho fyziků dnes považuje teorii za důležitou.

Kniha má několik drobných nedostatků. Becker dává příliš mnoho prostoru nedávným aplikacím založeným na Bellově výzkumu a příliš málo novému vývoji ve filozofii vědy. Přesto on, stejně jako kosmolog Sean Carroll ve svém díle: Velký obraz z roku 2016, jasně uvádí důležitost filozofie. To je klíčová výzva, vlivní vědci, jako je Neil deGrasse Tyson, tuto disciplínu odmítají jako ztrátu času.

Co je skutečné? je argumentem pro zachování otevřené mysli. Becker nám připomíná, že potřebujeme pokoru, když zkoumáme nesčetné množství interpretací a narativů, které vysvětlují stejná data.

Zdroj: Narure