Nemoj da brigaš, svemir se stara

„Svatko tko nije šokiran kvantnom fizikom, jednostavno ju ne razumije“

jednom prilikom je izjavio Niels Bohr, jedan od suosnivača fizikalne teorije koja je i dan-danas na frontu napretka znanosti, dok nobelovac Richard Feynman tvrdi:

“Mislim da se slobodno može reći kako nitko ne razumije kvantnu mehaniku. Ako ikako možete, nemojte stalno sebi govoriti: Ali kako to može biti tako? jer će vas to odvesti ravno u slijepu ulicu iz koje još nitko nije uspio izaći. Nitko ne zna kako to može biti tako! “ 

Zaista, radi se o grani fizike koja prkosi „zdravom razumu“ no, povod ovom članku su njene interpretacije koje sasvim ignoriraju razum – bio on zdrav ili bolestan. Radi se o tzv. „Interpretaciji mnoštva svjetova“ (“Many Worlds Interpretation”, skraćeno – MWI) izloženoj u djelu pokojnog Hugh Everett-a III: “Relative State” Formulation of Quantum Mechanics. Anketa među 72 vodećih stručnjaka u kvantnoj kozmologiji i ostalim granama vezanim za kvantnu mehaniku, dala je porazan (kasnije ću pokušati objasniti zašto porazan) rezultat – čak 58% fizičara smatra da je MWI točna! No, krenimo od Schrödingerove mačke da bismo shvatili kako je ta interpretacija uopće nastala. Kvantni fizičari opisuju sustave koje pruočavaju (a to može biti običan proton baš kao i cijeli svemir) takozvanom valnom funkcijom. Valna funkcija je – matematički promatrano – imaginarna veličina, tako da njenu fizikalnu interpretaciju moramo tražiti u kvadratu njezina modula iliti apsolutne vrijednosti. Jednostavno rečeno, kvadrat modula valne funkcije predstavlja vjerojatnost stanja koji sistem zauzima. Kako sustav može zauzimati različita stanja, potpuni opis sustava dobije se linearnom kombinacijom (ne cjepidlačimo, običnim zbrajanjem) ovih vjerojatnosti – takozvanom superpozicijom stanja. Tu dolazimo do mačke.

Jedan od velikih osnivača kvantne mehanike Erwin Schrödinger, zamislio je ovakav misaoni pokus (misaoni pokusi su bili specijaliteti A.Einsteina, a svrha im je da se na njima razmotre sve moguće logičke fizikalne konzekvence neke teorije):

“U neku neprozirnu kutiju zatvorimo mačku s kapsulom nekog smrtonosnog plina. U toj kutiji je i mehanizam koji u sasvim slučajnom – nama nepoznatom vremenskom trenutku – razbija kapsulu. S obzirom na činjenicu da je kutija zatvorena, kao i da mi ne poznajemo taj trenutak, o sudbini mačke možemo nešto doznati tek kad otvorimo kutiju. Može biti je uginula, ako je kapsula razbijena, ili je ostala živa ako mehanizam još nije razbio kapsulu.”

To je kratki opis misaonog pokusa, poznatog pod imenom “Schrödingerova mačka”. Kad kvantni teoretičar nastoji opisati taj pokus, on mora voditi računa o dva moguća stanja mačke, jer – mačka može biti ili živa ili mrtva. Shodno tome, valna funkcija kojom on opisuje pokus ima dva člana – jedan koji opisuje živu mačku, drugi koji se odnosi na mrtvu mačku. Daklem, tako dugo dok se ne pogleda u kutiju i dozna stvarno stanje mačke, ona je za teortičara ni živa – ni mrtva! Nitko – ni teoretičar, ni opažač ništa ne može reći o stanju mačke tako dugo dok se ne otvori kutija. Ona se ima smatrati u nekom inetrmedijarnom, živo-mrtvom obliku. Fizičar kaže, da se u trenutku otvaranja kutije dešava tzv. kolaps valne funkcije – jedan od njenih članova naglo iščezava, dok drugi poprima sasvim određenu vrijednost. Kako smo sigurni da smo mačku stavili u kutiju, jasno je da ona mora biti u nekom stanju. Kako nikako ne možemo doznati koje je to stanje (živo ili mrtvo) moramo smatrati da je mačka mrtvo-živa ili živo-mrtva, kako vam već drago. Jasno je da to prkosi našem iskustvu i našem zdravom razumu, dok se fizičar mora još baktati s tumačenjima oko kolapsa valne funkcije – kako je to i jeli uopće moguće, da se u jednom trenutku (kad otvorimo kutiju) mrtvo-živa mačka transformira bilo u mrtvo, bilo u živo stanje?  Situacija je paradoksalna i doprinjela je (uz druge, važnije stvari) da Schrödinger napusti daljnje bavljenje fizikom.

Kvantna mehanika je puna sličnih paradoksa ali od jednoga se ne može pobjeći – njen matematički opis prirode i predviđanja koja iz toga proizlaze, su izuzetno točni i potvrđeni s najvećom mogućom preciznošću. Kvantna teorija je, za razliku od klasične fizike, probabilističkog karaktera – što naprosto znači da ona barata sa vjerojatnostima događaja koje može izrazito točno opisati i predvidjeti. Daklem, teškoća se vjerojatno krije u našim interpretacijama matematičkih rezultata kvantne teorije. Do nedavno (a smatram i danas) najveći dio fizičara priklonio se tzv. Kopenhagenskoj interpretaciji kvantne mehanike – temeljem koje smo i interpretirali pokus sa mačkom – danoj i razrađenoj od njenih osnivača, prvenstveno Nielsa Bohra. Danas ih sve veći broj zastupa Bohmovu interpretaciju (David Bohm) a kao što smo vidjeli, čak više od polovice anketiranih smatra točnom MWI. Nije mi namjera govoriti o prve dvije, s obzirom da ih mnogi fizičari smatraju diskutabilnima i paradoksalnima, već ću se ograničiti na treću spomenutu (Everettovu) koja po mišljenju mnogih izbjegava te primjedbe. Ali, na koji način – dobro je pitanje?

Everett je prvo pokušao još više potcrtati paradoksalnost, a time i neodrživost Kopenhagenske interpretacije. Dakako, još jednim misaonim pokusom (koji ću prilagoditi za laike): 

Zamislimo da na nekoj planeti u dalekom svemiru, Ana – u laboratoriju izoliranom od vanjskog utjecaja – vrši prije opisani pokus sa mačkom. Ima deset dana vremena da u bilo kojem trenutku pogleda (izvrši mjerenje, rekli bi fizičari) koja je sudbina mačke, te da to zapiše u bilježnicu. Tako dugo dok to nije napravila, mačka se nalazi u superpozicij stanja; ni živa – ni mrtva. Mirko sa Zemlje promatra Anin laboratorij, i u skladu sa kvantnom mehanikom opisuje taj sustav nekom drugom valnom fukcijom. On zna da se mjerenje mora izvršiti u roku od deset dana, pa tek deseti dan izvrši svoje mjerenje – tj. opažanje laboratorija. Mirkova valna funkcija je superpozicija svih mogućih stanja laboratorija i Ane, daklem i rješenja koje će ona zapisati u bilježnicu: 1) mačka je živa i 2) mačka je mrtva. Neka četvrti dan Ana pogleda u kutiju i zapiše što je vidjela, recimo – mačka je živa. Deseti dan Mirko opaža svemirski laboratorij i vidi Anu, kao i ono što je ona napisala u teku. Međutim, on – prema Kopenhagenskoj interpretaciji – može reći: Do mojega mjerenja, do desetog dana, Ana i njen laboratorij nalazili su se u superpoziciji stanja, a tek onda kada sam ja pogledao pojavio se rezultat koji je bio zapisan, daklem i njegov zapisničar – Ana!

Što je u tome paradoksalno? Pa to što prema takvoj interpreatciji Ana niti nije mogla postojati sve dok Mirko nije izvršio mjerenje, i tek onda se realizirala u stvarnosti skupa sa svojim zapisom u bilježnici. A to je svakako apsurdno. Još jedna paradoksalna situacija koju, nemojmo zaboraviti, kvantnomehaničke formule jako dobro opisuju, ali je interpretacija neprihvatljiva “zdravom razumu” (ipak, valja voditi računa i o Einsteinovoj opomeni: “Zdrav razum je samo pregršt predrasuda koje smo usvojili do osamnaeste“). E sad, Hugh Everett III nudi nam neproturječnu, neparadoksalnu i neapsurdnu interpretaciju – barem on i onih 58% fizičara koji je smatraju ispravnom, tako misle. Krajnje pojednostavljeno opisat ćemo njegovu ideju proširenu Bryce DeWitt-ovim doprinosom. Rješenje se sastoji u tome da u trenutku opažanja mačke (vraćamo se na nju) opažač biva spregnut (povezan) sa jednim dijelom valne funkcije, ali da nema nikavog kolapsa valne funkcije – ona i nadalje ostaje nepromjenljiva, kontinuirana i determinirana, ali se dešava (pazi sad) realno cijepanje svemira – na jedan u kojem imamo promatrača sa živom, i na drugi u kojem imamo promatrača sa mrtvom mačkom! S time što, ako smo recimo vidjeli mrtvu mačku, mi nismo svjesni onog drugog svemira u kojem i dalje egzistiramo, ali sa živom mačketinom. Da bi spasio matematičke teškoće oko interpretacije kolapsa valne funkcije, i paradoks oko utjecaja promatrača na realizaciju ishoda eksperimenta, Hugh Everett III odlučio je pocijepati svemir! Pri svakoj alternativi koju opisujemo superpozicijom valne funkcije, svemir se cijepa na realne i međusobno nepovezane dijelove koji imaju zajedničku prošlost, ali sebi svojstvenu budućnost (u jednom se priča nastavlja sa mrtvom, u drugom pak sa živom mačkom). Stoga se ne skanjujte opaliti sebi metak u glavu – u jednom od rascijepljenih svemira ionako ostajete živi. Neka vas ništa ne zadržava da ubijete susjeda – u jednoj od realnih alternativa to se nije ni desilo. Neka vas ne žalosti što niste izvukli glavni zgoditak na Lotu – postoji svemir u kojem se to desilo. Postoje i svjetovi bez “istočnog grijeha”, a ako vam je u vašem svemiru umrla voljena osoba ima onaj u kojem je ona još živa. Sitna nevolja je samo u tome što – svega toga niste svijesni!

Ponavljam kako sam cijelo izlaganje, razumljivosti radi, proveo na najelementarniji način te mi stoga profesionalni fizičari mogu svašta zamjeriti (svakako imajmo na umu da se kvantna fizika ne bavi proučavanjem nikakvih mačaka ili drugih makroskopskih objekata, već elementarnim gradivnim elementima materije i fizičkim poljima). No, pitanje je koliko bi opravdane bile zamjerke – nesumnjivo inteligentnih znanstvenika – koji u svrhu “dovođenja u sklad sa stvarnošću” svojih teorija, ne prezaju ni od cijepanja svemira. Postoji bezbroj međusobno nepovezanih svemira, u kojima je – barem prema teoretičarima – sve moguće. Sve bi bilo lijepo, kada bi ovakve teorije u istoj mjeri u kojoj navodno rješavaju njihove matematičke teškoće, bilo moguće provjeriti. Međutim, za sada to nije, a uvjeren sam da ni neće biti moguće. Za znanstvenu fantastiku barem znamo da je fantazija, za maštu barem znamo da nema granica, no dojam je da su neki znanstvenici previše popustili uzde svojim zamislima. Lično sam uvjeren kako sve više teoretičara gubi vezu sa onim što bi nam trebali objasniti – sa stvarnošću (iliti Prirodom) samom. Ne znam kakvu vrijednost može za ljudski rod imati teorija koju je nemoguće provjeriti, ili će se (eventualno) moći provjeriti za stotine ili tisuće godina? Mislim da su se fizičari – u svom apriornom odbacivanju filozofije –  suviše približili upravo jednom filozofskom pravcu, a da toga ni sami nisu svijesni. Idealizmu. Ne želim kritizirati matematički formalizam kvantne teorije – s jedne strane on savršeno funkcionira, s druge strane nisam za to niti kompetentan. Radi se o nalaženju interpretacije koja će biti trojako usklađena: sa matematičkim aparatom znanosti, sa logikom i ono najvažnije – sa svijetom kojega opisuje. Kvantna teorija u praksi radi bez greške, bez obzira na njene postojeće interpretacije. Stoga je za očekivati da bi se mogla pronaći intepretacija koja bi odbacila teškoće svih dosadašnjih, uključivo sa Everettovom, ali spustila malo loptu na zemlju tj. – u postojeći (naš) svemir. Ne možemo, niti bismo smjeli tek tako, na vjeru ili povjerenje, prihvaćati zamisli koje zaobilaze jedinu konačnu potvrdu ili opovrgavanje – sud prakse. Istina je „moj Horacije, ima više stvari na zemlji i na nebesima no što se i sanja u vašoj filozofiji“ (W.Shakespeare, „Hamlet“), ali ne vjerujem da postoji baš sve što čovjeku padne na pamet, e da bi spasio svoje nepoimanje teorija koje zna upotrebljavati ali ih ne shvaća. Kao da interpretacija mnoštva svjetova stvara više teškoća negoli ih razrješava. Vjerujem da “drugi” svemiri ipak nisu poput nepoznatih kontinenata na našoj planeti, te ih samo kolumbovskom odvažnošću treba pronaći. Kako pod svemirom (kozmosom, univerzumom, vasionom) podrazumijevamo čitav prostorno i vremenski beskonačan svijet koji nas okružuje, to u kontekstu interpretacije mnoštva svjetova moramo redefinirati i dosadašnje shvaćanje (našeg) univerzuma. Daklem, on ne bi bio sve što postoji, što bi s čisto filozofske strane moglo biti prihvatljivo – ljudska spoznaja širi opseg svijeta koji čovjek poznaje. No, kao što je poznato, naš svemir se nalazi u procesu širenja pa se opet otvaraju pitanja proglašena promašenima: u što se to širi naš svemir? Pogrešno je smatrati da se svemir širi u nečemu – današnji je odgovor – njegovo širenje znači nastajanje novog prostora (prostor-vremena). Kakav je međusobni prostorno-vremenski odnos tih mnoštva svjetova, posebno spram spoznaje da se naša kozmička domaja širi? Sasvim sigurno to implicira postojanje dodatnih dimenzija osim poznatih četiri (tri prostorne dimenzije i vrijeme), što je s čisto matematičke strane sasvim konzistentno (u tzv. „teoriji struna“ barata se sa 10 i više dimenzija), no… Možemo li očekivati da te visoke apstrakcije ikada postanu shvatljive ljudskom umu, ili se zaista moramo ograničiti samo na najobičnije proračunsko slaganje naših modela sa stvarnošću, bez dubljih uvida u istu? Jeli upravo u tom smislu svijet zaista čovjeku neshvatljiv?

Suprotnosti između idealističke i materijalističke filozofije (poimanja svijeta) povlače se još iz antičkih vremena – svekoliko ljudsko iskustvo govori uvijek u korist ove potonje.  I Marx se obračunavao sa idealizmom u znanosti (recimo, u “Tezama o Feuerbachu”), a posebice Engels u svojoj “Dijalektici prirode” (pri čemu je nevažno da se danas to djelo smatra zastarjelim; nisu bitni prevaziđeni fakti već suština izlaganja). Karl Popper pak, u knjizi  “Logika naučnog otkrića”, govori o kriteriju oborivosti ili opovrgljivosti koji mora zadovoljavati svaka znanstvena teorija; u protivnom ona nije znanstvena, već – iracionalna. Dok Everett pokazuje kako Kopenhagenska intepretacija dovodi do solipsizma (shvaćanje po kojemu jedino postoji subjektivno ja, te se sve drugo i svi drugi nalaze u njemu i njegovoj svijesti), do čega dovode njegova gledišta? Do sijaset naših klonova razasutih širom bezbroj međusobno nekontaktibilnih svemira u nekoj metavasioni; klonova koji su sažeti u jedno jedinstveno ja tek do vremena dok se moj svemir ne razdijeli u niz drugih svemira. Nakon toga aktuelni ja više nema niti fizičkih niti psiholoških, ili bilo kojih drugih zamislivih veza sa ostalim svojim replikantima jer, okolina ako možda i ne stvara, svakako mijenja karaktere. Na prvi pogled je MWI interpretacija kvantne fizike sasvim materijalističkog karaktera – jedan, ovaj, naš  materijalini svijet, ona jednostavno multiplicira u bezbroj materijalnih svijetova kojih – na žalost našu i Everettovu – ne možemo biti svijesni (sem na čisto teorijskom nivou, nivou na kojem sam „svjestan“ i goblina te aždaja). Jeste da je kopernikanski preokret doveo do decentralizacije ljudskog roda u smislu skidanja s pijedestala – centra svemira. Jeste da je daljnji napredak nauke samo pokazao da čovjek nije neko božansko, posvećeno biće, već evolucijski produkt beskonačne prirode. Ali, po mom sudu, fizičari su otišli  „malčice-mnogo“ predaleko. Podsjećam ih na poslijednju tezu o Feuerbachu:

„Filozofi su svijet samo različito interpretirali; radi se o tome da ga se izmijeni.”,

ovaj put s namjerom da samo ukažem kako i od tih različitih intepretacija treba odabrati ili naći onu koja je usklađena sa stvarnošću. Za MWI se to svakako ne može reći, ali – budimo iskreni – niti poreći. Ali, ona je upravo takvog, metafizičkog tipa i kao takva, po mom ubjeđenju – neznanstvena.

Laici i oni koji traže utjehu zbog svojih promašenih života, mogu dakako pronaći mnogo za sebe prihvatljivoga u svemu tome. Primjerice, državljani fragmenata bivše države koje grcaju u ekonomskoj krizi, nezaposleni, radnici koji mjesecima rade bez plaće, ljudi pod ovrhama, beskućnici,… mogu se utješiti – negdje u metasvemiru (više nije dovoljno reći samo „svemiru“ ili „ovom svijetu“) postoji mjesto na kojemu za njih teku med i mlijeko! Doduše, o tome su i do sada mogli maštati ali bi im dobronamjerni obzirno ukazivali kako su „izvan realnog svijeta“. Kao i Hugh Everett sa svojim sljedbenicima.

Napomena

Koga zanima MWI interpretacija kvantne mehanike na laičkom nivou, može je pronaći u lijepom članku na stranicama časopis Scientific American ili u prijevodu, na portalu Viva Fizika.

za P.U.L.S.E: Ladislav Babić

tekst je ranije objavljen na portalu  Tačno.net

Tekstovi o nauci na portalu P.U.L.S.E

  fizika, kvantna mehanika, Ladislav Babić, Nauka, svemir, Tačno.net