Nauka jest jak szpinak. Jesteśmy do niej zmuszani jako dzieci, kojarzy nam się z surowcami nakazami i żmudnym czekaniem na deser. Jeśli jednak sami zdecydujemy się
na szpinak, ładnie podany i dobrze doprawiony wówczas zaczynamy go lubić. Wiem, co mówię, bo sam jadłem naleśniki ze szpinakiem. Były pycha! Brian Green powiedział, że nie ma nic bardziej ludzkiego niż nauka. Nauka to szukanie odpowiedzi na pytania, a to już robimy jako małe dzieci. Opowiem o fizyce kwantowej i będzie to również opowieść o mnie. Jest jedna z tych rzeczy, jakie nakreśliły z dokładnością cyrkla mój sposób myślenia. Nie jestem dobrym matematykiem, lubię jedynie o tym jedynie czytać.

Zanim przejdę do meritum, pomówmy o fizyce w ogóle. Jednym z geniuszy, który ukształtował fizykę, był Isaac Newton. Sporządził on prawa dynamiki oraz rachunek różniczkowy. Każdy zna anegdotę o tym, jak Newton siedział pod jabłonią i zadał sobie pytanie: „Dlaczego owoce spadają?” jednak mało się wspomina o tym, jak spojrzał on Księżyc. W odpowiedzi na pytanie, dlaczego on nie spada, skoro wszystkie inne rzeczy spadają, Newton sporządził rachunek różniczkowy. Nie wiem, na czym on polega, ale nie przeszkadza mi to w tym, by zgrywać mądrale. Ważne jest, do czego on służy. Otóż pewna historia głosi, że gdy ktoś odwiedził wielkiego naukowca, zaciekawił się, co myśli on myśli o kometach, ponieważ były one wówczas wielką tajemnicą. Rzekomo Newton w odpowiedzi na te dociekania powiedział, że dzięki swoim równaniom przewiduje jej tor ruchu, co potwierdza jego teorie. Dzięki temu dziś potrafimy przewidywać ruch planet. Wiemy, że takie obiekty jak planety, gwiazdy, asteroidy poruszają się w sposób pozornie losowy. Ich ruch jest jak rzut monetą, wydaje się, że o trafieniu reszki lub orła decyduje los, ale gdy znamy wszystkie zmienne, jesteśmy w stanie dokładnie przewidzieć, jak zachowa się moneta. Gdybyśmy potrafili zapanować nad siłą podrzutu i kierunkiem (o grawitacji nie wspomnę) to moglibyśmy się nauczyć wyrzucać orła lub reszkę za każdym razem. Ten pogląd  nazywamy determinizmem. To właśnie Newton pośrednio przyczynił się do powstania maszyny parowej i zlikwidowania feudalizmu. Nie bez powodu jeden ze słynnych popularyzatorów nauki Bill Nye lubi mówić „Nauka, odważę się to powiedzieć: Zmienia świat!”

Fizyka jest jak bar. Poprosimy o pepsi i ma ono bąbelki, zażyczymy sobie hot-dog i ma on parówkę w bułce tak jak powinien mieć, ale w latach 30 nauka dostała coś, czego świat się nie spodziewał, cappuccino bez pianki: fizykę kwantową. Pewnych zjawisk nie można było wyjaśnić za pomocą fizyki klasycznej. Pierwsza taka niewiadoma to taka, którą znamy z codziennego życia. Za każdym razem, gdy widzimy płomień świecy, czerwony żar ogniska lub rozgrzany pręt, widzimy to, co fizykom spędzało sen z powiek. To, co najbardziej oczywiste i intuicyjnie, w odniesieniu dla ówczesnej fizyki było właśnie najbardziej niezrozumiałe. Dlaczego światło jest czerwone? Światło ma różne długości fali oraz częstotliwość. Rozważania miały szukać odpowiedzi na to, jak zachowałoby się i dlaczego tzw. hipotetyczne „ciało doskonale czarne”, czyli taki obiekt, który pochłania, każde światło niezależnie od temperatury ani kątu padania. Co zastanawiającego jest w czerwonym świetle? Wiadomo, że rozgrzany do czerwoności pręt nie emituje tylko światła czerwonego, ale światło o każdej częstotliwości, światło czerwone jest jedynie najbardziej natężone. Wyobraźmy sobie trzy pofalowane sznurki ułożone blisko siebie. Światło niebieskie o wysokiej częstotliwości to, to najgęściej poskręcane, zielone umiarkowanie zwinięte, a czerwone najmniej. Skoro dane ciało emituje światło o każdym zakresie fali to niebieski sznurek, ten najbardziej pofalowany powinien przykryć oba pozostałe. W wyliczeniach utrzymywał się właśnie ten wynik i gdy widzimy wykres oparty na tych obliczeniach światło niebieskie, osiąga najwyższą wartość, a czerwono najniższą. Zgodnie z wykresem drewno lub pręt powinien jarzyć się na niebiesko. W odpowiedzi na tę zagadkową (nie)jasność czerwonego światła Max Planck sporządził prawo, które określa to, że im wyższa częstotliwość fal świetlnych, tym więcej energii kosztuje ich wyemitowane. Z doświadczenia wiemy, że energia zawsze idzie po linii najmniejszego oporu. Tak jak ciśnienie w butelce od szampana ulatuje przez korek, tak energia zostaje wyemitowana właśnie w postaci światła czerwonego. Tak oto narodziło się pojęcie kwantów. Kwanty to porcje energii, tym właśnie jest światło.

Albert Einstein wyjaśnił z kolei inny dylemat, a mianowicie zjawisko fotoelektryczne. Możemy oświecić słabą latarką o niebieskim świetle metalową płytę, aby wybić z niej tkwiące w niej elektrony, tymczasem gigantyczny reflektor o czerwonym świetle już tego nie zrobi. Zjawisko fotoelektryczne nie zależy od natężenia, czyli jasności światła, ale od częstotliwości. Dzieje się tak dlatego, ponieważ energia świetlna jest wysyłana w porcjach do elektronu, a to powoduje, że również w porcjach pochłaniania. Możemy wysłać dużą ilość światła czerwonego, ale będą one pochłaniane przez elektrony zbyt rzadko. Tylko czy coś nam czasem nie umknęło na lekcjach fizyki o zjawisku fotoelektrycznym? Jak coś, co nie posiada żadnej masy, może mieć energie? To jest dopiero próg drzwi do pokoju z meblami ustawionymi na suficie.

Wyobraźcie sobie swoją imprezę we własnym domu. Jest w nim pokój, do którego prowadzą dwoje drzwi i nie wpuszczacie do niego nikogo. W tym odizolowanym od ludzi pomieszczeniu macie pudełko ciastek. Przyjmijmy, że zapomnieliście zamknąć obu drzwi na klucz. Do pokoju niepostrzeżenie wchodzą dwie osoby i zabierają wam po jednym ciastku. Gdy wracamy sfrustrowani zamykany tylko jedne drzwi, ponieważ ktoś potrzebował nas w pilnej sprawie. Po chwili znów zauważamy, że nasze pudełko uciech nieco opustoszało, tym razem ubyło jedno ciastko. Naturalnie domyślamy się, że do pokoju weszła jedna osoba, ponieważ każdy doświadczony złodziej ciastek wie, że zniknięcie dwóch ciastek, wygląda zbyt podejrzenie. Przejdźmy do następnego wariantu. Dom już niemal opustoszał i został tylko wasz, jeden bliski znajomy. Naturalnie dwoje drzwi jest otwarte. Wchodzicie do pokoju, by sięgnąć po wasze, upragnione łakocie, ale widzicie coś niezwykle dziwnego, kradzież dwóch ciastek! Nikt by się na to nie poważył. Ciastek jest coraz mniej, a wy nie chcecie dać za wygraną, l a tym razem chcecie przyłapać złodzieja na gorącym uczynku i chowacie się w szafie. Do pokoju wchodzi wasz znajomy, jednak tym razem zabiera jedno ciastko, tak jak by was przejrzał. Na tym właśnie polegał eksperyment dotyczący fal świetlnych Thomasa Younga. Ludzie to kwanty, fale światła, drzwi to szczeliny przez, które przepuszczane było światło, a pudełko ciastek to fotokomórka, urządzenie rejestrujące światło. W pierwszym wariancie kwantów było wiele, światło było silnie natężone, obie szczeliny były otwarte. Mieliśmy do czynienia z kradzieżą dwóch ciastek, zjawiskiem interfencji, czyli schodzenia się fal światła w jedno miejsce. Gdy jedne drzwi były otwarte, ubyło nam jedno ciastko. Zgodnie ze zdrowym rozsądkiem rejestrowaliśmy tylko jeden kwant. W drugim wariancie mieliśmy doczynienie z jednym kwantem. Dwoje szczelin jest otwartych, a zjawisko schodzenie się fal nadal następowało. Z jednym kwantem. Moment, w którym chcieliśmy przyłapać światło na oszustwie, to sytuacja, w której umieściliśmy urządzenie rejestrujące przebieg eksperymentu, ale tym razem wynik okazał się inny. Światło nie interferowało. Reasumując, kwant przechodził przez obie szczeliny jednocześnie tzw. superpozycja, schodził się sam ze sobą, a przez sam akt obserwacji zmieniliśmy przebieg eksperymentu, powodując brak interferencji. Nie trzeba wcale laboratoryjnych warunków, aby się o tym przekonać. Za każdym razem, kiedy spoglądacie w szybę lub w tafle jeziora, w którym widzicie swoje odbicie, jesteście świadkami superpozycji, ponieważ widzicie jak światło, przechodzi przez przeszkodę i odbija się od niej jednocześnie.

Eksperyment Thomasa Younga początkowo miał za zadanie sprawdzić, czy światło ma postać fal, czy cząstek i można stosować go na przemiennie z elektronami. Okazało się, że elektrony, jak i światło to stany kwantowe. Obie te rzeczy mają postać korpuskuskularno-falową co znaczy, że są cząsteczkami i falami jednocześnie. Światło jest stanem kwantowym, ponieważ ma energię zdolną wybijać, elektrony co jest cechą cząstki oraz ma cechy fal, ponieważ jej promień zwiększa się wraz z zasięgiem, oraz są zdolne się interferować, a elektrony, cóż… ten rysunek z atomem wyglądającym jak Układ Słoneczny nie do końca jest poprawny.

Jak udowodniono w owym eksperymencie, elektrony przejawiają w sobie cechy fali, fali prawdopodobieństwa znalezienia ich w danym miejscu. Gdy przepuszczano pędzące elektrony przez szczeliny, podobnie jak w wypadku światła można było ujrzeć wzór w postaci kilku wąskich pasów odebranych przez siatkę fotokomórek. Elektrony są przepuszczane przez szczeliny, jednak gdzie wylądują? Nie wiadomo. Można jedynie, obliczyć prawdopodobieństwo znalezienia ich w danym miejscu. To tak jakby rzucić dokładnie tak samo kilka rzutek i ujrzeć wzór w postaci, jaki widzimy na pasach drogowych. Atom nie ma orbit, posiada orbitale, do tej pory wokół jądra widzieliście punkty, ale ja preferuje, by rysować je jako obłoki. Elektron, gdy go nie obserwujemy nie, znajduje się w żadnym konkretnym miejscu. Możemy jedynie wyliczyć prawdopodobieństwo znalezienia go w danym miejscu. Okręg, w którym jest największe prawdopodobieństwo znalezienia go to właśnie orbital. Dopiero podczas obserwacji dochodzi to redukcji funkcji falowej, sytuacji, w której niszczyły superpozycje i sprowadzamy elektron do konkretnego położenia. Do tego dochodzi słynna zasada nieoznaczoności Heisenberga (jest to też pseudonim Jacka Wbita z Breaking Bad), według której nie można jednocześnie zweryfikować położenia i pędu elektronu. Na scenę wszedł indetermizm, chciałoby się rzec: „Podaj mi swoje zmienne, a powiem Ci, gdzie jesteś”, ale świat kwantów nie jest monetą.

Pewien wielki fizyk Erwin Schrödinger, który dostał Nobla w dziedzinie fizyki kwantowej, sformułował eksperyment myślowy, mający podważyć indetermizm, a niechcący go spopularyzował. Kota Schrödinger. Umieszczamy kota w pudełku wraz z promieniotwórczym atomem, licznikiem Geigera rejestrującym promieniowanie, oraz truciznę. Gdy atom się rozpadnie, licznik za rejestruje to i rozbije fiolkę z trucizną zabijającym kota. W fizyce można jedynie obliczyć procent atomów rozpadającym się w danym czasie, ale nie wiadomo jak w pewnym odcinku czasu zachowa się pojedyncza cząstka, co oznacza, że jest w superpozycji. Rozbity, a cały jest nie namiot, a atom. Licznik Geigera jest superpozycji, fiolka również, co sprawia, że kot jest jednocześnie żywy i martwy. Dopiero gdy otworzyły pudełko sprowadzony kota do jednego z dwóch stanów. Odnalezienia kota żywego wynosi 50%.

Wiem jakie pytania chodzą wam po głowie. Jak coś może uderzyć, nie mając masy? Jak coś może pokonywać dwie drogi naraz? Jak może rzeczywiście wyglądać fala prawdopodobieństwa. Jak kot Schrödinger może być jednocześnie żywy i martwy. Na te wszystkie pytanie natura ma jedną, zwięzłą, krótką odpowiedź

.

Słynny popularyzator nauki i noblista w dziedzinie fizyki Richard Feynman powiedział „Jeśli myślisz, że rozumiesz fizykę kwantową, to jej nie zrozumiałeś”. Kot Schrödingera jest dla mnie swojego rodzaju symbolem. Nie muszę wierzyć w duchy, telepatię, wychodzenie z ciała lub homeopatię, aby mieć świadomość istnienia czegoś niezwykłego w świecie.