Mechanika kwantowa pozwala z niezwykłą precyzją obliczać prawdopodobieństwo określonych zdarzeń. Nie mówi jednak, jaki będzie wynik pojedynczego pomiaru. Jeśli badamy foton, czyli cząstkę światła, możemy przewidzieć statystycznie, jaka część wiązki przejdzie przez filtr polaryzacyjny. Nie potrafimy natomiast na podstawie standardowego opisu kwantowego wskazać z całkowitą pewnością losu każdej pojedynczej cząstki.
Od początków fizyki kwantowej naukowcy spierają się, czy ta nieprzewidywalność jest fundamentalną cechą przyrody, czy może wynika z braku dostępu do informacji o właściwościach cząstek. Właśnie tego problemu dotyczy nieopublikowany rękopis Schrödingera, którego analizami zajął się Flavio Del Santo z Uniwersytetu Genewskiego. Dokument pt. Upadek determinizmu zawiera propozycję matematycznego modelu, który miał pokazać, że nie można tak łatwo wykluczyć deterministycznego wyjaśnienia zjawisk kwantowych.
O ile w fizyce klasycznej pozorna losowość często wynika z naszej niewiedzy, tak w mechanice kwantowej sytuacja jest bardziej skomplikowana. Według standardowej interpretacji teorii prawdopodobieństwo wyniku pomiaru nie musi oznaczać, że po prostu brakuje nam danych. Nieprzewidywalność może być wpisana w samą naturę zjawisk kwantowych. Alternatywą są teorie ukrytych zmiennych. Zakładają one, iż cząstki mają dodatkowe właściwości, których nie uwzględnia standardowy opis, a które mogłyby wpływać na wyniki pomiarów. Gdyby taki model był poprawny, część zjawisk uznawanych za losowe mogłaby mieć głębsze, deterministyczne wyjaśnienie.
W 1932 roku matematyk John von Neumann przedstawił argument, który w oczach wielu fizyków zyskał miano dowodu przeciwko możliwości istnienia ukrytych zmiennych. Sprawa nie została jednak ostatecznie zamknięta. W kolejnych latach badacze ponownie analizowali założenia stojące za tym stanowiskiem, a dyskusja nabrała szczególnego tempa w latach 40. XX wieku.
W 1943 roku brytyjski fizyk Edmund Taylor Whittaker argumentował, że mechanika kwantowa wyklucza klasyczne, deterministyczne rozumienie przyrody. Posłużył się przykładem światła przechodzącego przez polaryzator, czyli urządzenie przepuszczające światło zależnie od jego polaryzacji. Whittaker zakładał, że jeśli każda cząstka światła ma ukrytą instrukcję określającą, czy przejdzie przez filtr, czy zostanie zatrzymana, obrót filtra nie powinien zmieniać tej instrukcji. Tymczasem przewidywania mechaniki kwantowej sugerują, jakoby zmiana orientacji polaryzatora wpływała na odsetek fotonów, które przez niego przechodzą.
Schrödinger dostrzegł słaby punkt tego rozumowania. Zakwestionował założenie, iż ukryta właściwość fotonu musi przyjmować tylko dwie możliwe wartości. Zaproponował, aby mogła ona zmieniać się w sposób ciągły, przyjmując dowolną wartość od zera do jedności. Na tej podstawie opracował model, w którym wynik pomiaru zależał zarówno od ukrytej właściwości fotonu, jak i od ustawienia polaryzatora. Odpowiednio dobrane reguły pozwalały odtworzyć statystyczne przewidywania mechaniki kwantowej. Schrödinger uwzględnił również kolejne pomiary, wprowadzając zasadę aktualizacji ukrytej zmiennej po przejściu fotonu przez filtr lub jego odbiciu. Analiza Del Santo pokazuje, że model był matematycznie spójny i pozwalał odtworzyć przewidywania teorii kwantowej w rozpatrywanym układzie. Ale to wciąż nie jest dowód, iż cała rzeczywistość działa deterministycznie.
Czytaj też: Fizycy uwięzili antycząstkę na długie tygodnie. Mówią, że to klucz do rozwikłania tajemnicy wszechświata
Zachowany dokument ma zaledwie trzy strony. Analiza jego treści oraz historycznego kontekstu pozwala założyć, iż prawdopodobnie po listopadzie 1944 roku, w czasie intensywnej dyskusji na temat determinizmu. Dlaczego Schrödinger nie zdecydował się go opublikować? Jednym z możliwych wyjaśnień jest to, że wcześniej podobny argument przedstawił austriacki fizyk Heinrich Pelzer. Być może Schrödinger uznał, że publikowanie kolejnej odpowiedzi nie jest już konieczne.
Źródło: arXiv
