Żadne inne odkrycie nie stanowi większego wyzwania dla naszego codziennego poczucia rzeczywistości niż nielokalność.

Zarówno tytuł, jak zacytowane zdanie sugeruje, że zajmiemy się może światem polityki, może relacjami społecznymi w wielkim mieście, w każdym razie czymś z obszaru nauk społecznych Nic z tych rzeczy. Będzie mowa o próbach rozwiązania Wielkiego Problemu w fizyce. Nie jest nowy, zaprzątał głowy filozofów greckich, niepokoił Newtona, a we współczesnej wersji Einsteina i liczne grono wielkich twórców mechaniki kwantowej XX wieku. Mimo tak godnej proweniencji nie zagościł w języku potocznym: „nielokalność” nie występuje w internetowym Słowniku Języka Polskiego.

Nowa książka amerykańskiego dziennikarza-popularyzatora fizyki, Georga Mussera Upiorne działanie na odległość z podtytułem zawierającym czarne dziury i Wielki Wybuch wyjaśnia sens owej nielokalności i jej konsekwencje dla naszego rozumienia najbardziej fundamentalnych pojęć nie tylko z fizyki, a mianowicie dla przestrzeni i czasu.

Zacznijmy od „lokalności”. W fizyce oznacza to, że każde oddziaływanie zachodzi w bezpośrednim kontakcie zaangażowanych w to obiektów. Codzienne doświadczenie mów, że aby podnieść filiżankę, czy przesunąć talerz musimy użyć ręki, swojej lub cudzej, ale na pewno nie osiągniemy celu jedynie siłą woli. Newton odkrywając prawo powszechnego ciążenia, zauważył, że działa ono na odległość i nie umiał tego wytłumaczyć. Podobnie na odległość wydają się działać magnesy i przedmioty naelektryzowane. Dzięki eksperymentom Michaela Faradaya James Clerk Maxwell zawarł w czterech równaniach teorię elektromagnetyzmu, w której poza ładunkami elektrycznymi występuję pole elektromagnetyczne i to ono przenosi siły. Nie widać go wprawdzie, ale jest bytem realnym. Dzięki niemu znika „upiorne działanie na odległość”. W nieco inny sposób Einstein usunął problem „zdalnej” grawitacji. Przejdźmy jednak od razu do naprawdę krępującego działania na odległość postulowanego przez mechanikę kwantową z czym Einstein nigdy się nie pogodził.

Mechanika kwantowa prosta nie jest i Musser nie podejmuje wyzwania, aby wytłumaczyć, co tak bulwersowało Einsteina. Dla zjawisk subatomowych szuka prostych analogii w rzutach monetami uczciwymi i fałszywymi. Aby dostrzec te analogie warto poznać przebieg zjawisk w mikroświecie, choćby w najprostszym, wyidealizowanym przypadku. Rozważmy powstanie pary cząstek elementarnych, elektronu i pozytronu, rozbiegających się z miejsca kreacji w przeciwnych kierunkach. Zasada nieoznaczoności Heisenberga mówi, że dla żadnej z tych cząstek nie możemy jednocześnie wyznaczyć położenia i prędkości (ściślej – pędu). Nie wynika to z powodu kiepskich instrumentów pomiarowych, ale jest to fundamentalna własność przyrody: cząstka nie ma określonego pędu, ani określonego położenia, póki nie dokonamy pomiaru którejkolwiek z tych wielkości. Zatem w zgodzie z zasada Heisenberga wykonajmy jeden pomiar. Niech to będzie pęd elektronu. Z zasady zachowania pędu (która obowiązuje również w mikroświecie) możemy bez wykonywania pomiaru, dokładnie obliczyć pęd pozytronu. Nic nie stoi teraz na przeszkodzie, aby jednocześnie dokładnie zmierzyć jego położenie. W ten zawiły sposób wyznaczyliśmy dla pozytronu oba parametry. Zasada Heisenberga tego zabrania, tak jakby pomiar pędu elektronu ograniczał na odległość dokładność pomiaru położenia pozytronu. Einstein proponował możliwe rozwiązanie problemu. Zasada Heisenberga być może pozostaje w mocy dla każdej cząstki z osobna, ale mechanika kwantowa nie jest teorią zupełną, czyli nie dostrzega tzw. ukrytych parametrów, które eliminują twierdzenie mechaniki kwantowej, że cząstka przed wykonaniem pomiaru „nie wie”, jak szybko się porusza i gdzie się znajduje. Takie wątpliwości może usunąć tylko dobrze zaplanowany eksperyment. Na jego pomysł wpadł John Stewart Bell w latach 60. XX w. Pierwsze próby realizacji miały miejsce już w latach 70. Te i kolejne eksperymenty wydaja się wskazywać, że mechanika kwantowa jest teoria zupełną, a w pewnych sytuacjach nawet odległe od siebie cząstki tworzą układ, który jako całość reaguje natychmiast, czyli „upiorne działanie na odległość”, inaczej „nielokalność” jest faktem. Cząstki biorące w tym udział nazywamy „splątanymi”. Alternatywa zawarta w tytule została rozstrzygnięta. Einsteina „lokalny realizm”, czyli lokalne oddziaływanie między cząstkami scharakteryzowanymi przez obiektywne parametry, musi ustąpić przed globalnym relacjami obejmują rozciągłe struktury.

Skutki nielokalności dla fizycznego opisu Wszechświata są rozliczne i daleko idące. Musser wszechstronnie nas z nimi zaznajamia. Stoi jednak przed wymagającym zadaniem. A wymagania te są podwójnej natury. Z jednej strony zagadnienia związane z nielokalnością nie daja się łatwo popularyzować, wymagają matematycznej przenikliwości i odejścia od dotychczasowych wyobrażeń przestrzeni opartych na ogólnej teorii względności (OTW). Z drugiej - mamy do czynienia z zagadnieniami wcale jeszcze nie rozwiązanymi. Nie ma teorii, która nielokalność opisuje ilościowo. Sa różne pomysły, ale wciąż to raczej spekulacje niż wyraźnie zarysowane hipotezy. Przede wszystkim, w jaki sposób nielokalność się realizuje. Jeżeli coś dzieje się natychmiast, to znaczy, że szybciej niż światło. Na pierwszy rzut oka mamy problem poważny, gdyż zgodnie ze szczególną teorią względności (STW) prędkość światła oznacza w ogóle górny pułap prędkości. Zatem, co sprawia, że „wiadomość” z jednej cząstki dociera do drugiej nieskończenia szybko. Kamień z serca spada, gdyż wbrew pozorom STW nie jest jednak zagrożona. Nie rozumiemy wprawdzie mechanizmu nielokalności, ale poza samym faktem spójnego zachowania się układu kwantowego, nie prowadzi ona do przekazania na odległość żadnej innej informacji, ani energii. a tego dokładnie zabrania STW.

Samo zjawisko nasuwa podejrzenia, że nie bardzo rozumiemy, co to jest przestrzeń, albo inaczej – jaka jest natura przestrzeni. Nielokalność oznacza, że pomiędzy splątanymi cząstkami, pomimo dzielącej je dowolnie dużej odległości, istnieje jakaś forma łączności. Być może, przebiega ona poza przestrzenią, przynajmniej poza przestrzenią dla nas dostępną. OTW oswoiła nas z zakrzywionymi geometriami przestrzeni. I teraz łatwiej możemy zaakceptować istnienie tak „dziwnych” geometrii, jak tunele czasoprzestrzenne, od dawna występujące obficie w filmach scince-fiction. Z potencjalnych tuneli dla splątanych cząstek zapewne nie będzie mógł skorzystać Han Solo, ale to już jego problem. Lektura Upiornego działania roztacza niezwykle szeroki wachlarz rozważań na temat struktury przestrzeni i czasu, a także przypomina, że nielokalność może również występować w obszarze czarnych dziur. Ma ona inny charakter niż w układach splątanych cząstek, choć i tego nie byłbym pewien. Trzeba będzie znaleźć odpowiedź na pytanie, co dzieje się z cząstkami, które wpadły do czarnej dziury, która po jakimś czasie "wyparowała" wskutek emisji promieniowania Hawkinga?

Rozważania Mussera, dzięki swoistej egzotyce tematu czyta się względnie lekko. Odnoszę jednak wrażenie, że zbyt wartki potok idei sprawia, iż dopada nas „splatanie” myśli, a to, co z niego pozostaje na trwałe, to wrażenie, że wszystko jest czymś innym niż się wydaje. To akurat słuszne przekonanie.