pewność niepewności

Archiwalnie, spotkanie Sekscji Filozofii Przyrody (03.11.06), wykład Leszka Grzanki "Pewność niepewności"


Skąd tytuł wykładu?

Przedmiotem wykładu była zasada nieoznaczoności Heisenberga, która na łamach anglojęzycznej literatury pojawia się jako Heisenberg Uncertainty Principle (HUP), co w dosłownym tłumaczeniu daje zasadę niepewności. Jednak jako że HUP już od 1927 stanowi podstawę naszego rozumienia określoności mierzonych wielkości w świecie kwantowym oraz doskonale tłumaczy wyniki doświadczeń, pozwala nam to mówić o pewności niepewności.

Zasada nieoznaczoności

Świat kwantowy kojarzy nam się z nazwiskami Heisenberga oraz Schrödingera, twórcami dwóch równoważnych ujęć formalnych mechaniki kwantowej. Dzięki nim nasze zrozumienie fizyki atomu uległo całkowitej przemianie – rewolucja myślowa w fizyce pierwszej połowy XX wieku przyniosła ogromne konsekwencje, również filozoficzne. Jak się dokonywała? W atmosferze sporów, godzinnych rozmów uczonych tej klasy co Einstein, Sommerfeld, Bohr i wielu, wielu innych. Historia nauki ukazuje, jak wśród trudów budowane były formalizmy matematyczne, aparat pojęciowy oraz pierwsze interpretacje nowej teorii, nowego spojrzenia. Werner Heisenberg i jego rola jest nie do przecenienia. Zbudował on mechanikę macierzową oraz wykazał fundamentalną dla opisu kwantowego zasadę nieoznaczoności. Przez lata pracował też nad interpretacją mechaniki kwantowej.



Zasada nieoznaczoności, sformułowana dla cząstek, mówi, że nie można z dowolną dokładnością zmierzyć równocześnie pędu i położenia cząstki. Iloczyn nieoznaczoności położenia i pędu nie może być mniejszy od stałej liczby h/2π (gdzie h – stała Plancka). Każdej cząstce przypisać możemy jednak falę materii. Z amplitudą takiej fali powiązane jest prawdopodobieństwo znalezienia cząstki w danym miejscu. Obszar przestrzeni, w której amplituda jest duża, odpowiada położeniu cząstki (obszar mały - mała niepewność położenia, obszar duży – duża niepewność położenia).
Okazuje się, że można podobną zasadę sformułować również w świecie makro dla dowolnej fali. W przypadku znanych nam dobrze fal dźwiękowych pojawia się zależność: iloczyn czasu trwania i szerokości zakresu częstotliwości fali nie może być mniejszy niż ½. Im dłuższy dźwięk, tym krótszy zakres częstotliwości. Zatem tym dokładniej możemy określić częstotliwość np. dla 1s możemy to uczynić z dokładnością mniej więcej do 0,5 Hz, a dla 0,001s już tylko z dokładnością do ok. 500 Hz.

W świecie kwantowym naturalnym jest, iż sam pomiar zaburza stan. To, co mierzy dokładnie położenie, jest falą elektromagnetyczną o dużej energii i bardzo zmienia pęd elektronu, a to, co mierzy dokładnie pęd, zmienia jego położenie.

Filozoficznie

W opracowaniach popularnych często błędnie tłumaczy się zagadnienie pomiaru poprzez niedoskonałość przyrządów w ramach technicznych ograniczeń świata kwantowego. Mają one charakter bardziej zasadniczy. Wynikają z samej struktury matematycznej tej teorii. Sformułowanie zasady nieoznaczoności w świecie makro dla fal dźwiękowych wydaje się właśnie o tym świadczyć. Zasada nieoznaczoności Heisenberga pozostaje w mocy. Poziom dyskusji filozoficznej w takiej sytuacji zostaje przesunięty z pytania o fundamentalność nieoznaczoności ku pytaniu o sam jej charakter – epistemologiczny czy ontologiczny? W pierwszym wypadku nieoznaczoność zakorzeniona by była w naszym poznaniu, w naszej wiedzy o cząstce elementarnej, w drugim zaś mówiłaby o samej naturze cząstki (nie miałaby ona określonego jednocześnie położenia i pędu). Czy nieoznaczoność faktycznie może mieć charakter ontologiczny? Taki wniosek mógłby być prawdziwy w odniesieniu do mikroświata cząstek, ale czy możemy go ekstrapolować na świat fizyki makro?