Fizycy są zgodni – mechanika kwantowa sprawdziła się w niezlicznej liczbie eksperymentów i od wielu dziesięcioleci stosowana w praktyce wnosi znaczący wkład do PKB wszystkich rozwiniętych krajów. Mimo to, świat kwantów pozostaje "niesamowity, dziwny, groteskowy".

Tak dramatyczne określenia wyszły spod pióra fizyków, noblisty Leona Ledermana i Christophera Hilla, których opinie na temat mikroświata z pewnościa należy traktować poważnie. W "Zrozumieć niepojęte" Lederman i Hill na kilkuset stronach barwnie i ze swadą przekonują, że taka właśnie jest rzeczywistość w skali cząstek i atomów.

Jeżeli ten atomowy świat jest aż tak niezwykły, to dlaczego na codzień tego nie doświadczamy i dlaczego tak mało o nim wiedzą zwykli ludzie? Na pierwsze pytanie odpowiedź autorów jest zaskakująca – fizyka kwantowa daje o sobie znać na każdym kroku, tylko my nie zwracamy na to uwagi (a szkoda!). Druga brzmi już mniej zachęcajaco: żeby wgryźć się w zagadnienia kwantowe potrzeba matematyki, matematyki i matematyki. Czy nie wchodząc w zawiłości matematyczne można ukazać niezwykłość świata kwantów? W całej okazałości – raczej nie. Mimo to lektura książki Ledermana i Hilla jest wysoce pouczająca. Najpierw pokazują oni, że dzieją sie w mikroświecie rzeczy naprawdę "niepojęte". Następnie zaś bardzo zgrabnie, wręcz na palcach próbują uczynić je "zrozumiałymi". Zamierzenie to ambitne, by przypomnieć, że zasad działania mikroświata do końca życia nie był gotów w pełni zaakceptować Albert Einstein. Istota problemu tkwi bowiem nie tyle w tym, że prawa kwantowe kłócą się z elementarną intuicją, ale że kwestionują najbardziej podstawowe założenia, na których opierała się dotychczas cała nauka.

Podobne refleksje wywołuje "Teoria kwantowa" Jima Baggotta. Tutaj równiez autor przedstawia osiągnięcia fizyków ostatnich stu kilkunastu lat i podejmuje próbę wyjaśnienia podstaw fizyki. W porównaniu z książka Ledermana i Hilla wykład jest bardziej systematyczny i kompletny. Baggott nie unika zagadnień najtrudniejszych, wykładanych wyłącznie na zaawansowanych, uniwersyteckich kursach fizyki teoretycznej. Może to być niestety źródłem pewnej frustracji u czytelnika, gdyż nie używając języka matematyki, po prostu nie sposób powiedzieć "wszystkiego" o kwantach.

Obie książki jednak są fascynującymi przewodnikami po fizyce kwantowej i mogą stanowić inspiracje do przemyśleń na temat natury otaczającego świata. I obie czynią to znakomicie, choć czasem prześlizgują się nad problemami, licząc być może, że czytelnik nie dostrzeże luki w wyjaśnieniach.

W jakich sytuacjach w makroświecie daje o sobie znać fizyka kwantowa? Właściwa odpowiedź brzmi: we wszystkich. Jeżeli mechanika kwantowa opisuje zjawiska i własności materii na poziomie atomowym, a cała rzeczywistość (w tym my sami) jest zbudowana z atomów, to każde zdarzenie makroskopowe stanowi wypadkową procesów elementarnych zachodzących w skali mikro. Osobliwe własności świata kwantowego nie uwidoczniają się jednak w dużych skalach, gdyż ulegają uśrednieniu po ogromnej liczbie atomów uczestniczących w jakimkolwiek zdarzeniu makroskopowym. Choć nie dostrzegane bezpośrednio, prawa kwantowe dają jednak o sobie znać na każdym kroku. Włączamy toster, druciki rozgrzewają się i zaczynają świecić na czerwono. Nic nas nie dziwi? A dlaczego, na przykład nie na niebiesko? Bez wniknięcia w mechanizm wysyłania światła przez gorący przedmiot nie będziemy w stanie tego wyjaśnić. Musimy zejść do poziomu indywidualnych atomów i rozważyć mechanizm ich oddziaływania z promieniowaniem. Tak właśnie postąpił 113 lat temu Max Planck. Stwierdził, że kolory światła emitowanego przez rozgrzany przedmiot można wyjaśnić przyjmując ad hoc, że atomy wysyłają fale świetlne w "kawałkach", czyli cząstkach, inaczej – w kwantach. Ten postulat może na laiku nie zrobiłby wrażenia, ale fizyków poważnie zaniepokoił. Przecież od dawna było wiadomo, że światło jest falą elektromagnetyczną. Zatem: falą czy cząstką?

Widać, że mamy kłopot. Może jednak mówienie, iż świat kwantowy jest niesamowity i groteskowy stanowi przesadę. Problem w tym, że proces odkrywania dziwów w skali mikro dopiero się wówczas rozpoczął. Czy tylko światło ma naturę dwoistą? Wkrótce okazało się, że każdy dostatecznie mały fragment materii w jednych eksperymentach przejawia własności charakterystyczne dla dyskretnych obiektów – cząstek, a w innych – dla fal. Nad tym nie da się już przejść do porządku dziennego. Jeżeli elektron jest falą, to co tak naprawdę faluje? I jeszcze, gdzie leży granica między "dostatecznie małym", przejawiającym dwoista naturę, a "zbyt dużym", które zachowuje się "normalnie"? Wszak nigdy nie zaobserwowano, by lecąca piłka pingpongowa uległa rozmyciu jak fala na wodzie. Mechanika kwantowa potrafi to wyjaśnić. W przyrodzie obowiązuje fundamentalne ograniczenie na dokładność pomiarów wielkości fizycznych, znane jako zasada nieoznaczoności Heisenberga. Można zapisać ją w formie nierówności matematycznej i pokazać, że zachowanie tak elektronu, jak i piłki zasadzie tej podlega. Tu zbliżamy się do najbardziej szokujących aspektów mechaniki kwantowej. Nie tylko bowiem natura zabrania nam pewnych pomiarów, ale sama nie zamierza funkcjonować rozsądnie i w swym działaniu nie posługuje się związkiem "przyczyna → skutek". Oznacza to, że nie ma precyzyjnej reguły, ani żadnego sposobu, który określiłby przyszłe zachowanie układu kwantowego. Owszem, pewne zasady obowiązują, ale historia może potoczyć się tak, lub inaczej. Zupełnie jakby przyroda co chwila i nieustannie dokonywała losowych wyborów. Co więcej, wszystko wskazuje na to, że przyroda dopuszcza jednoczesny wybór kilku ścieżek i ostateczną decyzję, którą pojść odkłada do momentu, gdy ją o to pytamy, czyli gdy sami wykonujemy odpowiedni pomiar. Trudno się dziwić, że takie zachowanie przyrody autorzy Zrozumieć niepojęte określili jako groteskowe. W całej historii mechaniki kwantowej przewija się pytanie, czy przyroda jest taka naprawdę, czy też jedynie tak ją postrzegamy. Niektórzy twórcy teorii kwantów wymyślali nieraz bardzo wyrafinowane testy, w celu podważenia najbardziej szokujących własności teorii. W obu książkach znajdziemy najciekawsze z nich. W obu też nieszczęsny kot Schroedingera jest zamykany w pudełku z trucizną dawkowaną układem kwantowym, a my spokojnie czekamy, co z tego wyniknie.

Pod koniec XVII wieku Newton pokazał, jak obliczyć siłę przyciagania, ale natury tego oddziaływania nie potrafił wyjaśnić. Twórcy mechaniki kwantowej stanęli przed bardziej zasadniczym problemem. Z jednej strony wszystkie eksperymenty potwierdzają przewidywania teorii kwantowej, czasem z dokładnością kilkunastu miejsc po przecinku. Z drugiej, ta sama teoria poddaje w wątpliwość fundamentalny paradygmat o istnieniu obiektywnej rzeczywistości. Fizycy zrozumieli, jak działa teoria kwantowa, ale wciaż nie ma pewności, czy rozumieją dlaczego tak działa. Może wobec tego istotę teorii kwantowej określić w głosowaniu ograniczonym – co zrozumiałe – do grona fachowców, czyli fizyków. W 1997 roku podczas konferencji na Uniwersytecie w stanie Maryland wśród 48 specjalistów jedynie trzynastu uznało, że opisane powyżej osobliwe pojmowanie mechaniki kwantowej jest właściwe, osiemnastu było niezdecydowanych. A pozostałych siedemnastu? Poparli jeszcze bardziej niezwykłe warianty.