Mamy ogromne zaufanie do logicznego rozumowania, zapominając zazwyczaj, 
że każde rozumowanie opiera się na pewnych założeniach, które przyjmujemy 
jako oczywiste. Jeżeli coś zaprzecza zdrowemu rozsądkowi, 
jest dla nas na ogół niemożliwe.

Tomasz Hofmokl

Od zarania dziejów ludzkość stara się zrozumieć otaczający świat. Być może ta dążność jest jednym z ważniejszych wyróżników człowieka w stosunku do całej materii ożywionej. Co to znaczy zrozumieć? Zrozumienie to odwołanie się do pewnego modelu świata. Dla człowieka szukającego przyczyny choroby w ramach magicznego modelu świata zrozumienie oznacza odkrycie, kto rzucił urok na chorego. Dla człowieka szukającego wyjaśnień w ramach współczesnej medycyny zrozumienie choroby może oznaczać ustalenie rodzaju zakażenia. Ten prosty przykład pokazuje, jak istotny w każdym procesie poznawczym jest wybór modelu świata. W życiu codziennym model ten kształtuje się jako uogólnienie prawidłowości otaczających nas zjawisk, nazywane zdrowym rozsądkiem. Nie zdarzyło nam się zaobserwować, aby przypadkowo wypuszczona z ręki szklanka nie upadła na podłogę, a poleciała do góry i rozbiła się o sufit. Jeżeli ktoś będzie twierdził, że tak właśnie się zdarzyło, będziemy powątpiewać w prawdziwość opowieści, powiemy, że jest to sprzeczne ze zdrowym rozsądkiem.

KRYZYS ŚWIATOPOGLĄDOWY

Wspomniany tu zdrowy rozsądek kształtuje się na podstawie doświadczeń z życia codziennego obserwowanych bezpośrednio w otaczającym nas świecie. Jest rzeczą oczywistą, że częściej mamy okazję obserwować spadanie rzuconego kamienia niż kwantowe zachowanie się elektronu. Na podstawie tych właśnie codziennych obserwacji wytwarzamy sobie, najczęściej bezwiednie, przekonanie o tym, co jest możliwe, a co nie. Inaczej mówiąc, co jest zgodne ze zdrowym rozsądkiem, a co mu przeczy.

Wielokrotnie już w historii zdarzały się sytuacje, gdy dotychczasowy, dobrze ugruntowany model świata okazywał się błędny, a co najmniej zbyt uproszczony w stosunku do rzeczywistości. Rewolucja kopernikańska z trudem torowała sobie drogę do ludzkiej świadomości. Przecież założenie, że Ziemia się obraca przeczyło (i przeczy) wszystkim codziennym powierzchownym obserwacjom – jest sprzeczne ze zdrowym rozsądkiem. Uważano nawet, że przeczy Pismu Świętemu. I w czasach nowożytnych odczuwamy niepokój, gdy osiągnięcia nauki zdają się przeczyć naszym wyobrażeniom o strukturze i organizacji otaczającego nas świata. Bardzo ciekawe przykłady takich niepokojów znajdziemy w artykule ks. Bardeckiego Czy astronautyka zagraża religii, napisanym ponad 40 lat temu, wkrótce po wystrzeleniu pierwszego satelity Ziemi. Pisał on wówczas: Zagadnienie podróży międzyplanetarnych posiada również i doniosły aspekt teologiczny. Nasuwają się bowiem następujące niezwykle istotne pytania: Czy na innych planetach żyją jakieś istoty rozumne? Po wtóre – czy pozytywna odpowiedź na to pierwsze pytanie nie podważy w jakiś sposób podstaw światopoglądu chrześcijańskiego? Nieco dalej autor pisze: Można się spotkać ostatnio ze zdaniem pochodzącym od osób wyznających światopogląd materialistyczny, które twierdzą, że w wypadku stwierdzenia istnienia istot rozumnych na innych planetach obali się cały szereg dogmatów katolickich. Ks. Bardecki rozwiewa w artykule te niepokoje. Istotne jest jednak, że u progu lotów kosmicznych takie niepokoje istniały i trzeba było je rozwiewać.

Sądzę, że i obecnie wiele osób może być zaniepokojonych niektórymi wynikami badań, tym razem w zakresie biologii molekularnej, a w szczególności możliwością laboratoryjnej syntezy życia. Sądzę, że wszystkie niepokoje i wątpliwości wynikają z przywiązania do własnego, nawet nie uświadomionego modelu otaczającej nas rzeczywistości, czyli do bezkrytycznego zaufania do „zdrowego rozsądku”. Takie bezwzględne zaufanie do wyników rozważań opartych na przyjętym modelu, najczęściej nawet nieuświadomionym, może być jedną z przyczyn kryzysu światopoglądowego. Mówiąc bardziej precyzyjnie, może być przyczyną nawet kryzysu wiary, szczególnie u ludzi młodych, gdy dziecinne wyobrażenia stykają się z wynikami nauk przyrodniczych. Sądzę jednak, że problem ten może dotyczyć nas wszystkich niezależnie od wieku, jeżeli opieramy się, nawet nieświadomie, na zbyt uproszczonym wyobrażeniu świata. Mamy bowiem na ogół ogromne zaufanie do logicznego rozumowania, zapominając zazwyczaj, że każde rozumowanie opiera się na pewnych założeniach, które przyjmujemy jako oczywiste. Jeżeli coś zaprzecza zdrowemu rozsądkowi, jest dla nas na ogół niemożliwe.

W badaniach naukowych, dzięki odpowiednim urządzeniom, możemy obserwować zjawiska, z którymi nie spotykamy się na co dzień. Niektóre z tych zjawisk zdają się przeczyć naszemu poczuciu tego, co jest możliwe. Obserwacja ich stanowi najcenniejszą podnietę do weryfikowania naszego poglądu na otaczający nas świat i przy okazji uczy nas pokory i ostrożności w formułowaniu kategorycznych wniosków. Dla zilustrowania tej tezy wybrałem spośród bardzo wielu znanych dziś zjawisk jedno, które jest stosunkowo proste do przedstawienia, a którego przebieg wydaje się przeczyć naszym wyobrażeniom o tym, co jest możliwe a co nie. Zjawisk takich można przywołać bardzo wiele i omówienie ich stanowi zazwyczaj treść kursu fizyki współczesnej.

DWOJE DRZWI

Zanim je opiszę, postaram się je zobrazować na przykładzie z życia codziennego. Wyobraźmy sobie następującą sytuację: jesteśmy samotnie w pomieszczeniu, w którym znajduje się dwoje drzwi nie stykających się ze sobą. Proponuję wykonanie następującego zadania: wyjść przez oba otwory jednocześnie, nie rozdzielając się przy tym na dwie części. Czy to możliwe? Zgodnie z naszym codziennym doświadczeniem, czyli w ramach zdrowego rozsądku, jest to zadanie bezsensowne do tego stopnia, że niewarte nawet poważnego zastanowienia. A jednak?

Istnieje w przyrodzie zjawisko, którego przebieg zdaje się potwierdzać możliwość wykonania takiego zadania przez zwykły elektron. Możemy powiedzieć, że elektron przynajmniej zachowuje się tak, jak by to zadanie wykonywał. Mamy na to dowody eksperymentalne. Okazuje się, że nasz zdrowy rozsądek może prowadzić do fałszywych wniosków, jeżeli zastosujemy go w sytuacji skrajnie nietypowej dla życia codziennego. Co więcej, nie potrafimy wyobrazić sobie, jak to się dzieje. Musimy zmienić nasz pogląd na świat, a tym samym wzbogacamy rozumienie procesów, jakie występują w przyrodzie. Nie mówiąc już o tym, że będziemy znacznie mniej skłonni do ferowania kategorycznych wyroków, czy coś jest możliwe, czy nie.

Przyjrzyjmy się nieco dokładniej samemu doświadczeniu. Jego idea jest bardzo prosta. Należy zbadać, jak zachowują się elektrony kierowane pojedynczo na przesłonę z dwoma otworami (dwiema szczelinami) i co zaobserwujemy po drugiej stronie przesłony. Gdyby elektrony były maleńkimi niepodzielnymi kulkami, to przechodziłyby przez jeden otwór albo przez drugi. Na ekranie czułym na elektrony, umieszczonym poza przesłoną z otworkami, zaobserwowalibyśmy po pewnym czasie dwie plamki odpowiadające dwóm otworom, przez które mogły przechodzić elektrony. Wiemy jednak, że elektrony – jak i cała materia – wykazują również właściwości falowe. Nasze doświadczenie powinno wykazać, że po drugiej stronie przesłony z dwoma otworami powstaje obraz interferencyjny.

Znane są fakty doświadczalne wskazujące na falowe własności cząstek materialnych. Słyszeli o nich nie tylko ci, co studiowali fizykę. Pod wpływem historycznej kolejności odkryć „szerokie rzesze” przyjmują, że światło jest falą a elektrony cząstkami. Około roku 1923 L.V. de Broglie wysunął przypuszczenie, że cząstki materialne mają również własności falowe. Uzupełniało to obraz fali elektromagnetycznej, np. światła widzialnego, które ma oczywiście własności falowe, ale również cechy cząsteczek – mówimy przecież o fotonach. Jeżeli więc każda drobina materii ma własności falowe, to przynajmniej w pewnych sytuacjach drobina taka powinna zachowywać się jak fala. Czym zaś różni się fala od cząstki? Najprościej odpowiedzieć, że fale mogą interferować. Nie wszyscy może pamiętają, co to jest interferencja fal, inaczej mówiąc – ich nakładanie się. Dwie fale, spotykając się, mogą się wzmocnić, jeżeli grzbiet jednej fali spotka się z grzbietem drugiej, lub osłabić aż do zupełnego wygaszenia, jeżeli grzbiet spotka się z doliną. Widzieliśmy to zjawisko wielokrotnie, rzucając do wody dwa lub więcej kamieni.

KAMIEŃ W WODĘ

Od wrzuconego kamienia rozchodzą się po powierzchni wody koncentryczne kręgi fal. Przy dwóch wrzuconych kamieniach kręgi te w pewnej chwili spotykają się i na ich przecięciu powstaje dość złożony obraz. W niektórych miejscach fala wodna jest znacznie większa niż fale przed spotkaniem, a w innych woda jest spokojna, co oznacza, że fale wygasiły się. Łatwo zaobserwować interferencję fal na wodzie. Ich długość sięga kilkunastu – kilkudziesięciu centymetrów. W sprzyjających okolicznościach możemy zobaczyć wynik interferencji fal świetlnych, na przykład obserwując barwne plamy powstające w cieniutkiej warstewce benzyny rozlanej na powierzchni kałuży. Przy braku zanieczyszczonej benzyną kałuży możemy użyć np. siatki dyfrakcyjnej. Jest to nieprzezroczysta płytka z bardzo drobnymi, blisko siebie leżącymi szczelinami. Im krótsza długość fali, tym trudniej zaobserwować zjawiska interferencji.

Czego spodziewamy się po falach związanych z cząstkami materii? Fale związane z bardzo małymi drobinami materii, np. z ziarnkiem piasku unoszonym przez wiatr, są tak niewyobrażalnie krótkie – tysiąc milionów milionów razy krótsze niż długość fali światła widzialnego – że nie mamy obecnie żadnych możliwości zaobserwowania właściwości falowych takich obiektów. Jeżeli chcemy mieć stosunkowo długą falę de Broglie’a, to powinniśmy do doświadczenia wybrać cząstkę o możliwie jak najmniejszej masie, najlepiej elektron, i nadać jej bardzo małą prędkość. Dla elektronów przyśpieszanych różnicą potencjałów 150 voltów długość fali będzie mniejsza tylko siedmiokrotnie od długości fali światła czerwonego. Taka długość fali jest już rzędu odległości między atomami w krysztale. Można więc pokusić się o doświadczalne potwierdzenie istnienia fal materii.

W doświadczeniach Davissona-Germera, a i w innych, późniejszych, używano wiązki elektronów i okazało się, że w odpowiednio dobranych warunkach zachowuje się ona jak wiązka światła i daje obraz interferencyjny, co świadczy, że cząstki mają właściwości falowe. Zastanówmy się nad tym. W doświadczeniach użyto wiązek elektronów. Najprostsze doświadczenie z interferencją możemy wyobrazić sobie następująco: elektrony wybiegają ze źródła, padają na ekran, w którym są dwie szczeliny i po przejściu przez nie biegną do obserwatora, którym może być dowolny detektor. Mamy dwie możliwe drogi elektronów – albo przez jedną, albo przez drugą szczelinę. Drogi te różnią się w sposób oczywisty i zależnie od różnicy dróg u obserwatora lub na kliszy spotykają się dwie fale przesunięte względem siebie tak, że nakładają się albo wierzchołek z wierzchołkiem, albo wierzchołek z doliną, albo w sytuacji pośredniej. W zależności od przesunięcia, możemy zaobserwować wzmocnienie fali albo osłabienie – aż do całkowitego wygaszenia. Na ekranie zobaczymy więc charakterystyczne maksima lub minima interferencyjne liczby zarejestrowanych elektronów.

SAM ZE SOBĄ

Przedstawiony opis przebiegu doświadczenia dalej nie jest wyczerpujący. Nie odpowiada bowiem na pytanie, czy interferują, czyli nakładają się fale różnych elektronów, czy interferuje fala tego samego elektronu. Jest to zasadnicza różnica. Na interferencję różnych elektronów możemy się łatwiej zgodzić niż na interferencję tego samego elektronu ze sobą. Jak bowiem sobie wyobrazić, że elektron przechodzi przez obie szczeliny jednocześnie. Dzieli się? Jest przecież niepodzielny. Wyraźna sprzeczność ze zdrowym rozsądkiem. Dlatego właśnie nie możemy poprzestać na stwierdzeniu, że elektrony mają własności falowe w opisanych doświadczeniach, ale musimy rozstrzygnąć, czy elektron może interferować sam ze sobą. Odpowiedź na to właśnie pytanie była przedmiotem wspomnianego na początku doświadczenia.

Do jego przeprowadzenia zbudowano układ doświadczalny, w którym odnajdziemy wszystkie niezbędne elementy doświadczenia interferencyjnego: źródło elektronów, przesłonę z dwiema szczelinami i detektor rejestrujący każdy padający na niego elektron. Nie będę opisywał dokładnie, jak skonstruowano odpowiednio bliskie szczeliny ani jak liczono elektrony – można mieć zaufanie, że autorzy wykonali to zadanie w pełni poprawnie. Należało się jeszcze zabezpieczyć przed nadejściem do przesłony równocześnie dwóch elektronów w tym samym czasie, chciano bowiem wykazać, że to właśnie elektron może interferować sam ze sobą. Osiągnięto to wykorzystując bardzo słabą wiązkę elektronów. W ciągu jednej sekundy do urządzenia docierało około 1000 elektronów. Może się to wydawać bardzo dużo, ale żeby uzmysłowić sobie, jak niewiele to jest w rzeczywistości, zróbmy następujące porównanie. Odległość od źródła do ekranu, na którym były rejestrowane elektrony, wynosiła 1,5 m. Średnia odległość między kolejnymi elektronami wynosiła 150 kilometrów. Wynika z tego, że, średnio rzecz biorąc, na trasie przelotu nigdy nie było dwóch elektronów. Obraz interferencyjny w tych warunkach powstawał w czasie około 20 minut. Wynik przedstawiono w postaci serii zdjęć z ekranu telewizyjnego aparatury rejestrującej elektrony.

Każda kropka na ekranie odpowiadała zarejestrowaniu jednego elektronu. Po nadejściu najpierw 5 a później 100 elektronów rozkład na ekranie był całkiem przypadkowy, przynajmniej tak mogło się wydawać. Widać było powierzchnię ekranu pokrytą chaotycznie rozrzuconymi kropkami. Po zarejestrowaniu już 3000 elektronów zaczął wyłaniać się obraz maksimów, miejsc, w których było wyraźnie więcej kropek, i minimów, gdzie tych kropek zarejestrowano niewiele. Odpowiadało to obrazowi interferencyjnemu. W miarę przybywania elektronów obraz stawał się coraz wyraźniejszy. Mamy więc naoczny dowód, że elektron może interferować sam ze sobą. Czy to można zrozumieć?

LEKCJA POKORY

Zależy to od tego, co rozumiemy przez samo słowo „rozumieć”. Jeżeli chcemy tylko przewidzieć przebieg zjawiska na podstawie praw teorii kwantów, to oczywiście łatwo to zrobić. Możemy dokładnie przewidzieć ilościowo wynik doświadczenia. Jeżeli chcemy sobie wyobrazić przebieg zjawiska na podstawie modelu np. kul bilardowych biegnących przez dwie szczeliny, to jest to niemożliwe, bo świat nie da się opisać tylko przy pomocy analogii z życia codziennego. Jeżeli, nadal nieufni wobec wyników opisanego doświadczenia, postawimy pytanie, którędy tak naprawdę przeszedł elektron, przez którą szczelinę, nie potrafimy na to znaleźć odpowiedzi. Jeżeli zasłonimy jedną szczelinę, wiedząc już teraz na pewno, że elektron przemknie przez pozostałą otwartą, to obraz interferencyjny nie powstanie. Przyroda nam nie zdradzi, którędy przeszedł elektron, a tak naprawdę pytanie o jego drogę nie ma sensu. Ale to już inna sprawa.

Zjawisk podobnych temu, które opisałem, można przytoczyć bardzo wiele. Spełniają one, moim zdaniem, bardzo ważną rolę. Uczą nas nie tylko praw, jakimi rządzi się materia w skali mikroświata, ale również głębokiej pokory, aby nie wypowiadać pochopnie nieprzemyślanych sądów o niemożliwości czegoś tylko dlatego, że wydaje się to nam niemożliwe w świetle dotychczasowych doświadczeń. Przyroda uczy nas pokory.

Prof. dr hab. Tomasz Hofmokl, fizyk cząstek elementarnych, dyrektor NASK, pracuje w Instytucie Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Warszawskiego. 
Artykuł jest zapisem referatu wygłoszonego na sympozjum Człowiek–Nauka–Wiara, zorganizowanym przez Uniwersytet Warszawski z okazji 2000-lecia chrześcijaństwa w dniach 19-21 listopada 1999. Publikowany w poprzednim numerze „FA” artykuł prof. Tomasza Żylicza, Sprawiedliwość międzypokoleniowa został także wygłoszony jako referat na tym spotkaniu.

Uwagi.