Filozofia nauki Wernera Heisenberga

Piotr BYLICA, Krzysztof J. KILIAN, Robert PIOTROWSKI i Dariusz SAGAN (red.), Filozofia — nauka — religia.
Księga jubileuszowa dedykowana Profesorowi Kazimierzowi Jodkowskiemu z okazji 40-lecia pracy
naukowej, Oficyna Wydawnicza Uniwersytetu Zielonogórskiego, Zielona Góra 2015, s. 345-362.
ANDRZEJ ŁUKASIK
Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie
Filozofia nauki Wernera Heisenberga
Okazało się, iż oczekiwanie, że cząstkom elementarnym przysługiwać będzie obiektywna realność, stanowi zbyt grube uproszczenie faktycznego stanu rzeczy i że trzeba z niego zrezygnować na rzecz przedstawień znacznie bardziej abstrakcyjnych. Chcąc mianowicie wyrobić sobie
obraz sposobu istnienia cząstek elementarnych nie możemy już w zasadzie abstrahować od
procesów fizycznych, za których sprawą dowiadujemy się o tych cząstkach.
Werner Heisenberg 1
Werner Heisenberg (1901-1976) należał niewątpliwie do najwybitniejszych fizyków
XX wieku. Był współtwórcą mechaniki kwantowej (sformułował jej wersję macierzową
— 1925), odkrywcą zasady nieoznaczoności (1927), współautorem — razem z Nielsem
Bohrem — kopenhaskiej interpretacji mechaniki kwantowej (1927). Otrzymał Nagrodę
Nobla z fizyki za fundamentalny wkład w rozwój mechaniki kwantowej (1932). Jego badania miały również istotne znaczenie dla rozwoju fizyki cząstek elementarnych i jądra
atomowego. Zajmował się także filozofią nauki — przede wszystkim filozoficznymi zagadnieniami mechaniki kwantowej. Celem niniejszego artykułu jest omówienie poglądów
Heisenberga dotyczących filozofii nauki.
Fizyka a filozofia
Heisenberg interesował się filozofią jeszcze w okresie gimnazjum. Już wtedy doszedł
do przekonania, że nie można zrozumieć fizyki atomowej bez znajomości filozofii, głównie filozofii przyrody starożytnych Greków. 2 Szczególne wrażenie zrobiła na Heisenbergu matematyczna koncepcja przyrody sformułowana przez Platona w Timajosie, sprowadzająca się do przekonania, że „poza iluzorycznym światem wrażeń istnieje prawdziwy
świat cząstek elementarnych, które są czysto matematycznymi formami”. 3 Odniesienia do
Platona można znaleźć niemal we wszystkich pismach filozoficznych Heisenberga. Drugim filozofem, którego poglądy znalazły wyraz w filozoficznych rozważaniach Heisenberga, jest Kant. 4
1
Werner HEISENBERG, Ponad granicami, przeł. Krzysztof Wolicki, PIW, Warszawa 1979, s. 112.
2
Por. Werner HEISENBERG, The Physicist’s Conception of Nature, Greenwood Press Publishers, Westpoint, Connecticut 1970, s. 55 i n.; David C. CASSIDY, Uncertainty. The Life and Science of Werner Heisenberg, W.H. Freeman and Company, New York 1992, s. 47.
3
Patrick A. HEELAN, Quantum Mechanics and Objectivity. A Study of Philosophy of Werner Heisenberg, Martinus Nijhoff, The Hague 1965, s. 139-140.
4
W różnych pismach Heisenberg nawiązuje także do innych myślicieli starożytnych — na przykład do
Heraklita (koncepcję ognia jako arché interpretuje w świetle współczesnej fizyki jako koncepcję podstawo-
IV. Natura — fizyka — ruch
346 |
Dla Heisenberga, podobnie zresztą jak dla innych fizyków podejmujących problematykę filozoficzną, niejako naturalnym punktem wyjścia są rezultaty prowadzonych badań
naukowych. Refleksja filozoficzna pojawia się najczęściej w związku z pewnymi trudnościami pojęciowymi, do jakich prowadzą odkrycia naukowe o charakterze rewolucyjnym,
takie jak te, które doprowadziły do powstania teorii względności i mechaniki kwantowej.
Związki fizyki z filozofią mają dla Heisenberga charakter dwustronnych zależności.
Z jednej strony twierdzenia fizyki prowadzą do pewnych konsekwencji o charakterze
filozoficznym (epistemologicznym i ontologicznym). Z drugiej zaś strony idee filozoficzne mają wpływ na rozwój myśli naukowej i formułowanie programów badawczych w naukach przyrodniczych.
Oczywiście nie każde wielkie odkrycie naukowe ma konsekwencje o charakterze filozoficznym. Zdaniem Heisenberga może to mieć miejsce jedynie wtedy, gdy za sprawą
takiego odkrycia „wyłaniają się lub uzyskują odpowiedź pytania bardzo ogólnej natury
dotyczące nie tyle jakiejś specjalnej dziedziny przyrodoznawstwa, ile raczej metody naukowej w ogólności lub podstawowych warunków wszelkiej nauki przyrodniczej”. 5 Na
przykład w dziele Newtona największe znaczenie filozoficzne miało to, że wykazał on, iż
matematyczny opis przyrody jest zasadniczo możliwy i w ten sposób ze wszystkich możliwych sposobów badania przyrody wskazał sposób, który okazał się efektywny poznawczo i wyznaczył kierunek rozwoju nowożytnej nauki. Związku filozofii z fizyką nie można jednak pojmować w ten sposób, aby na podstawie rezultatów fizyki można było dokonywać rozstrzygnięć między różnymi kontrowersjami filozoficznymi. „Tak ścisły związek
przyrodoznawstwa z filozofią nie może stać się nigdy”. 6 Uznanie określonych filozoficznych konsekwencji fizyki oznacza raczej możliwość rozpatrywania tradycyjnych problemów filozoficznych z uwzględnieniem najnowszych rezultatów badań naukowych. Teorie
fizyki współczesnej są zaś źródłem nowych problemów o charakterze filozoficznym.
Znaczenie wielkich odkryć naukowych dla filozofii przejawia się przede wszystkim
w konieczności rewizji podstawowych pojęć wyznaczających nasz sposób rozumienia
świata. Heisenberg pisze, że „teorie fizyki współczesnej nadają nowy sens tak podstawowym pojęciom, jak rzeczywistość, przestrzeń i czas”, 7 a najbardziej zasadniczą zmianę
sensu samego pojęcia rzeczywistości, która naruszyła dotychczasową strukturę nauki,
spowodowało powstanie mechaniki kwantowej. Sytuacja poznawcza w mikrofizyce —
niezmiernie skomplikowany i pośredni charakter procesu obserwacji, który związany jest
z konieczności z materialną ingerencją w badany przedmiot stawia z kolei na nowo epi-
wego tworzywa świata, materii-energii, która może przybierać formy różnych cząstek elementarnych nieustannie wzajemnie się w siebie przekształcających) oraz do Arystotelesa (Heisenberg dostrzega pewne analogie
między arystotelesowskim pojęciem potencji a kwantowomechanicznym pojęciem możliwości reprezentowanych przez zespolone amplitudy prawdopodobieństwa). Heisenberg pisze również o Kartezjuszu w kontekście
sytuacji poznawczej w mechanice kwantowej i uznaje za nieadekwatne ostre rozgraniczenie między przedmiotem poznania a poznającym podmiotem, związane z radykalnym dualizmem metafizycznym res extensa i res
cogitans. Uwagi te mają jednak charakter akcydentalny i dla filozofii nauki Heisenberga najważniejszymi
punktami odniesienia pozostają koncepcje filozoficzne Platona i Kanta.
5
HEISENBERG, Ponad granicami…, s. 25.
6
HEISENBERG, Ponad granicami…, s. 26.
7
Werner HEISENBERG, Fizyka a filozofia, przeł. Stefan Amsterdamski, Książka i Wiedza, Warszawa
1965, s. 8.
A. ŁUKASIK, „Filozofia nauki Wernera Heisenberga”
| 347
stemologiczny problem dotyczący relacji podmiot-przedmiot i pytanie o możliwość obiektywizacji rezultatów doświadczenia.
Z drugiej strony idee filozoficzne mają wpływ na rozwój myśli naukowej. Sposób,
w jaki badacz przyrody interesuje się problemami filozoficznymi, określa Heisenberg
następująco: „Interesują go przede wszystkim zapytania, w dalszej dopiero kolejności
odpowiedzi. Pytania uważa za cenne, jeżeli w rozwoju ludzkiego myślenia okazały się
owocne. Odpowiedzi nie mogą najczęściej nie być niezależne od czasu; tracą nieuchronnie na znaczeniu, gdy z biegiem czasu przybywa nam wiadomości o faktach”. 8 Heisenberg podejmuje zatem wyłącznie te wątki myśli filozoficznej, które uznaje za istotne dla
rozwoju nauki i teoretycznie płodne. Zalicza do nich przede wszystkim przekonanie Pitagorasa i Platona o fundamentalnej roli matematyki w poznaniu przyrody oraz pogląd Kanta uznający obecność czynników apriorycznych w poznaniu. Refleksja filozoficzna Heisenberga skoncentrowana jest na filozoficznych zagadnieniach mechaniki kwantowej, co
nietrudno zrozumieć, ponieważ był on jednym z jej twórców (niezależnie od Heisenberga
i niemal równocześnie z nim falową wersję mechaniki kwantowej sformułował Erwin
Schrödinger w 1926 r.).
W ujęciu Heisenberga filozoficzne znaczenie mechaniki kwantowej polega przede
wszystkim na konieczności rozpatrzenia na nowo dwóch obszernych grup problemów
wykraczających daleko poza dziedzinę samej fizyki i zaliczanych tradycyjnie do problematyki filozoficznej. Pierwsza grupa zagadnień ma charakter ontologiczny i dotyczy istoty materii lub, ściślej, starego pytania greckich filozofów o to, jak jest możliwa redukcja
do prostych zasad wielorakości i różnorodności otaczających nas zjawisk fizycznych i tym
samym uczynienie ich zrozumiałymi. Druga grupa problemów związana jest z epistemologicznym zagadnieniem, które szczególnie od czasów Kanta stawiane było wielokrotnie,
a mianowicie pytaniem, jak dalece możliwe jest obiektywizowanie naszych obserwacji
natury — lub naszego doświadczenia zmysłowego w ogóle — to jest orzekanie na podstawie obserwowanych zjawisk o obiektywnym procesie niezależnym od obserwatora.
Zdaniem Heisenberga w teorii kwantów problem ten pojawił się w nowej i dość niespodziewanej formie. Pytanie Kanta może być więc również rozważane znowu z punktu widzenia nowoczesnego przyrodoznawstwa. 9
Destrukcja materializmu i „przyrodoznawstwo platońskie”
W filozofii często za jeden z najważniejszych sporów dotyczących natury świata realnego uznaje się spór między materializmem a idealizmem. Opozycyjne stanowiska materializmu i idealizmu wywodzą się jeszcze z filozofii starożytnej. Pierwszy znalazł najpełniejszy wyraz w atomizmie Leukipposa i Demokryta, drugi zaś w idealizmie obiektywnym Platona inspirowanym niewątpliwie pitagorejską metafizyką liczb. Podstawową tezą
materializmu (mechanistycznego, jakim jest atomizm) jest istnienie pewnych ostatecznych, niezmiennych, niepodzielnych i wiecznych składników materii (atomów), które
poruszają się próżni, i redukowalność wszystkich zmian w przyrodzie do przestrzennego
8
9
HEISENBERG, Ponad granicami…, s. 26.
Werner HEISENBERG, „Planck’s Discovery and the Philosophical Problems of Atomic Physics”, w: Werner HEISENBERG, Max BORN, Erwin SCHRÖDINGER and Pierre AUGER, On Modern Physics, Clarkson N. Potter, New York 1961, s. 4.
348 |
IV. Natura — fizyka — ruch
ruchu i połączeń atomów. Dla idealizmu Platona podstawową jest teza o obiektywnym
istnieniu pewnych struktur matematycznych, których własności (symetrie geometryczne)
determinują własności przedmiotów świata fizycznego. 10
„Współczesne interpretacje zjawisk mikroświata — pisze Heisenberg — niewiele mają wspólnego z prawdziwie materialistyczną filozofią. Można właściwie powiedzieć, że
fizyka atomowa sprowadziła naukę z drogi materializmu, którą kroczyła ona w dziewiętnastym stuleciu. […] Według Demokryta atomy są wiecznymi i niezniszczalnymi cząstkami materii, żaden atom nie może przekształcić się w inny atom. Fizyka współczesna
zdecydowanie odrzuca tę tezę materializmu Demokryta i opowiada się za stanowiskiem
Platona i pitagorejczyków. Cząstki elementarne na pewno nie są wiecznymi i niezniszczalnymi cegiełkami materii i mogą się w siebie nawzajem przekształcać. […] Podobieństwo poglądów współczesnych do koncepcji Platona i pitagorejczyków nie kończy się na
tym. Polega ono jeszcze na czymś innym. «Cząstki elementarne», o których mówi Platon
w Timajosie, w istocie nie są materialnymi korpuskułami, lecz formami matematycznymi”. 11
Obraz świata dziewiętnastowiecznej fizyki rzeczywiście w pewnej mierze przypominał starożytny atomizm — absolutna przestrzeń Newtona, w której poruszały się atomy
oddziałujące na siebie siłami zgodnie z deterministycznymi równaniami ruchu, traktowane
były jako podstawowe składniki rzeczywistości fizycznej (oczywiście atrybuty elementarnych składników materii uzupełniono stopniowo o takie, jak masa czy ładunek elektryczny). Rozwój fizyki w dwudziestym wieku potwierdził ponad wszelką rozsądną wątpliwość tezę o atomistycznej budowie materii i w tym sensie był sukcesem redukcjonistycznego paradygmatu atomizmu. Jednak kolejne odkrycia fizyki atomowej nieoczekiwanie,
ale dobitnie ukazywały ograniczenia tego paradygmatu. Wprowadzenie przez Plancka
koncepcji skwantowania energii (1900) było radykalnym zerwaniem z ideami fizyki klasycznej. Próby zastosowania fizyki klasycznej do opisu wewnętrznej struktury atomów
(model atomu Rutherforda — 1911) ukazały ostatecznie ograniczenia zasięgu stosowalności fizyki klasycznej do opisu świata atomowego i konieczność wypracowania całkowicie
nowych idei. Doprowadziły one w pierwszych trzech dekadach XX wieku do sformułowania mechaniki kwantowej, która z nadzwyczajną precyzją opisuje świat atomów i cząstek elementarnych. Problem polega na tym, że pojęcie elementarnych składników materii
według mechaniki kwantowej nie daje się w żaden sposób pogodzić z pojęciem elementarnych składników materii wypracowanym na gruncie fizyki klasycznej, z którą wiązano
mechanistyczną formę materializmu.
Niels Bohr w swoim modelu atomu wodoru (1913) wprowadził koncepcję skwantowania orbit elektronowych, co było kolejnym istotnym odstępstwem od idei fizyki klasycznej. Model Bohra, chociaż wprowadzał nieciągłość orbit elektronowych i koncepcję
10
Wszystkie nawiązania do filozofii Platona w pismach Heisenberga ograniczają się wyłącznie do platońskiej filozofii przyrody w Timajosie. Tak też jest traktowany platonizm w niniejszym artykule — pozostałe
poglądy filozoficzne Platona pozostają poza zasięgiem prowadzonych rozważań.
11
HEISENBERG, Fizyka a filozofia…, s. 42, 56-57. Warto zauważyć, że tak rozumiany platonizm podziela
wielu współczesnych fizyków. Oprócz Heisenberga można tu wymienić C. F. von Weizsäckera, S. Weinberga,
R. Penrose’a czy M. Hellera. Por. Andrzej ŁUKASIK, Filozofia atomizmu. Atomistyczny model świata w filozofii przyrody, fizyce klasycznej i współczesnej a problem elementarności, Wyd. UMCS, Lublin 2006,
s. 349 i n.
A. ŁUKASIK, „Filozofia nauki Wernera Heisenberga”
| 349
niezwykle osobliwych z punktu widzenia mechaniki klasycznej „przeskoków” elektronów
między orbitami stacjonarnymi, to jednak zachowywał jeszcze klasyczne pojęcie trajektorii czasoprzestrzennej dla elektronu w atomie. Jednak analiza procesu obserwacji położenia elektronu dokonana przez Heisenberga doprowadziła do dalszej destrukcji wyobrażeniowych modeli obiektów mikroświata i eliminacji pojęcia orbity elektronu, a w konsekwencji do odrzucenia pojęcia trajektorii czasoprzestrzennej dla mikroobiektów. 12 Niebawem okazało się również, że cząstki elementarne wykazują własności charakterystyczne dla fal (de Broglie — 1924), takie jak interferencja, zatem nie mogą być pojmowane
jako klasyczne korpuskuły. Wprawdzie istnienie pewnych elementarnych składników
materii jest niewątpliwe, 13 to jednak — całkowicie niezgodnie z tradycją materializmu
mechanistycznego — jedne cząstki mogą się przekształcać w inne cząstki, cząstki elementarne mogą powstawać z kwantowej próżni w procesach kreacji par, cząstki w zderzeniu
z antycząstkami ulegają anihilacji, a w zderzeniach cząstek elementarnych przyspieszanych do prędkości bliskiej prędkości światła, otrzymujemy inne cząstki, równie elementarne jak te, które uległy zderzeniu, przez co samo pojęcie podzielności na dobrą sprawę
traci sens. 14 Jeśli dodamy do tego, że cząstki elementarne danego rodzaju (tzw. cząstki
identyczne) są nierozróżnialne, a ponadto w pewnych sytuacjach, nawet gdy są od siebie
odseparowane przestrzennie, pozostają w jakiś sposób połączone siecią nielokalnych powiązań (stany splątane), a także fakt, że przed dokonaniem pomiaru cząstka nie ma określonych wszystkich parametrów dynamicznych, lecz znajduje się w superpozycji wszystkich możliwych stanów, to można stwierdzić, że współczesne pojęcie elementarnych
składników materii od pojęcia mechanistycznego dzieli przepaść — są one niewspółmierne ontologicznie. 15 Heisenberg utrzymuje nawet, że elementarne składniki materii w rozumieniu fizyki współczesnej nie mogą być uznane za rzeczy istniejące w czasie i przestrzeni, lecz raczej za idealne obiekty matematyczne — reprezentacje grup symetrii. 16
12
Por. Werner HEISENBERG, „Über quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen”, Zeitschrift für Physik 1925, vol. 33, s. 879-893. W pracy tej Heisenberg założył, że w teorii fizycznej nie powinny występować wielkości nieobserwowalne. Analiza procesu obserwacji elektronu na orbicie
w atomie prowadziła do wniosku, że można obserwować tylko jeden punkt takiej orbity, zatem pojęciu orbity
nie odpowiada żadna obserwowalna wielkość. W pracy tej widać niewątpliwie pozytywistyczne inspiracje
myśli Heisenberga. Zauważyć jednak trzeba, że filozoficzne poglądy Heisenberga ulegały pewnej ewolucji —
od radykalnego empiryzmu w stylu Hume’a do stanowiska bliskiego transcendentalizmowi Kanta. Elementy
filozofii przyrody Platona zawsze były obecne w jego pismach filozoficznych. W późniejszych pismach Heisenberg traktuje filozoficzne zagadnienia mechaniki kwantowej jako kwestie języka. Por. HEELAN, Quantum
Mechanics and Objectivity…, s. 137-155; Kristian CAMILLERI, Heisenberg and the Interpretation of Quantum Mechanics. The Physicist as Philosopher, Cambridge University Press, Cambridge 2009, s. 165 i n.
13
Współcześnie przyjmuje się, że takimi ostatecznymi składnikami materii są cząstki fundamentalne,
czyli kwarki i leptony.
14
Por. Werner HEISENBERG, „The Nature of Elementary Particles”, w: Elena CASTELLANI (ed.), Interpreting Bodies. Classical and Quantum Objects in Modern Physics, Princeton University Press, Princeton,
New Jersey 1998, s. 219.
15
Por. Andrzej ŁUKASIK, „Atomizm dawniej i dziś. O niewspółmierności ontologicznej klasycznego
i kwantowomechanicznego pojęcia elementarnych składników materii”, Studia Philosophiae Christianae
2009, nr 1, s. 133-162; Andrzej ŁUKASIK, „Substancjalność cząstek elementarnych”, w: Marek PIWOWARCZYK
(red.), Studia Systematica 2. Substancja, Wydawnictwo Uniwersytetu Wrocławskiego, Wrocław 2012,
s. 145-157.
16
HEISENBERG, „The Nature…”, s. 219.
IV. Natura — fizyka — ruch
350 |
Radykalne zmiany, jakie wprowadziła mechanika kwantowa w naszym pojęciu elementarnych składników materii, stawiają w nowym świetle zagadnienie ontologii mikroświata. „Przekonałem się — pisze Heisenberg — jak nieskończenie trudno jest wyrzec się
wyobrażeń tworzących do tej pory podstawę naszego myślenia i pracy naukowej. Einstein
poświęcił pracę swego życia badaniu obiektywnego świata procesów fizycznych zachodzących tam, na zewnątrz, w przestrzeni i czasie, niezależnie od nas, według ustalonych
praw. Symbole matematyczne fizyki teoretycznej powinny odwzorowywać ten obiektywny świat i przez to umożliwiać wypowiedzi na temat przyszłego zachowania się. Teraz
stwierdzono, że gdy zejdzie się do poziomu atomów, to w ogóle nie ma takiego obiektywnego świata w przestrzeni i czasie, a matematyczne symbole fizyki teoretycznej opisują
tylko to, co możliwe, a nie faktyczne”. 17 Wyprowadza stąd wniosek, że należy „porzucić
wyobrażenie obiektywnych procesów zachodzących w przestrzeni i czasie”, 18 co oznacza
radykalne zerwanie z ontologią materialistyczną, zakładającą obiektywną realność kontinuum czasoprzestrzennego, w której znajdują się elementarne składniki materii traktowane jako substancjalne byty jednostkowe.
Tak rozumiana destrukcja ontologii materializmu mechanistycznego skłania Heisenberga do tezy, że bardziej adekwatną filozofią współczesnej fizyki jest idealizm Platona,
w szczególności zaś teza o obiektywnym istnieniu struktur matematycznych. „Struktura
fundująca zjawiska — pisze Heisenberg — dana jest nie przez obiekty materialne, jak
atomy Demokryta, lecz przez formę, która obiekty materialne określa. Idee są bardziej
fundamentalne niż obiekty. Ponieważ zaś najmniejsze części materii mają być obiektami,
w których rozpoznawalna staje się prostota świata i od których bliżej jest do «Jednego»
i «jednolitości» świata, idee mogą być opisane matematycznie, są po prostu formami matematycznymi”. 19 „Najmniejsze jednostki materii nie są już w rzeczywistości obiektami
fizykalnymi w zwykłym sensie słowa: są to formy, struktury, lub idee w platońskim rozumieniu, o których bez dwuznaczności można mówić tylko językiem matematyki”. 20
Świat opisywany przez fizykę klasyczną był łatwy do wyobrażenia, w szczególności
zaś elementarne składniki materii pojmowane były jako mikroskopijne ciała stałe, posiadające obiektywne własności niezależnie od przeprowadzanych pomiarów i poruszające
się w przestrzeni po dobrze określonych trajektoriach. Taki wyobrażeniowy model świata
jest jednak całkowicie nieadekwatny z punktu widzenia mechaniki kwantowej. Cząstki
elementarne współczesnej fizyki posiadają takie własności jak spin, dziwność czy powab,
które w ogóle nie znajdują analogii w świecie makroskopowym i niedostępne są naszej
wyobraźni. W zasadzie dają się one opisać jedynie w języku matematyki, można je nawet
traktować jak rozwiązania odpowiednich równań. „Kiedy współczesny uczony twierdzi —
pisze Heisenberg — że proton to pewne rozwiązanie podstawowego równania materii,
oznacza to, że można z tego równania matematycznie wyprowadzić wszystkie możliwe
17
Werner HEISENBERG, Część i całość. Rozmowy o fizyce atomu, przeł. Kazimierz Napiórkowski, PIW,
Warszawa 1987, s. 110.
18
HEISENBERG, Część i całość…, s. 100.
19
HEISENBERG, Ponad granicami…, s. 202.
20
HEISENBERG, Ponad granicami…, s. 209.
A. ŁUKASIK, „Filozofia nauki Wernera Heisenberga”
| 351
własności protonu i sprawdzić doświadczalnie słuszność tego rozwiązania we wszystkich
szczegółach”. 21
Platon w Timajosie zaproponował pewien ontologiczny model świata, który może
być określony mianem atomizmu geometrycznego. 22 Według Platona cząsteczki „żywiołów” (ziemi, wody, powietrza i ognia) mają kształty wielościanów foremnych (zwanych
dziś bryłami platońskimi — są to odpowiednio: sześcian, dwudziestościan, ośmiościan
i czworościan foremny), które można rozłożyć na pewne ostateczne składniki — trójkąty.
Szczegóły platońskiej konstrukcji nie są istotne dla naszych rozważań, tym bardziej, że
koncepcja ta ma dziś znaczenie jedynie historyczne. Istotne jest to, że poszczególne bryły
platońskie reprezentujące „cząstki elementarne” mogą się wzajemnie w siebie przekształcać, a o własnościach elementarnych składników materii decydują odpowiednie symetrie.
Dla Platona były to proste symetrie geometryczne (grupa obrotów w przestrzeni trójwymiarowej), w fizyce współczesnej są to symetrie znacznie bardziej skomplikowane, takie
jak grupa przekształceń Lorentza czy grupa przekształceń w przestrzeni Hilberta, 23 ale —
tak przynajmniej interpretuje filozofię przyrody Platona Heisenberg — analogia polega na
tym, że fundamentalne składniki materii mogą być adekwatnie opisane jedynie w abstrakcyjnych pojęciach matematycznych, a nie w kategoriach języka codziennego, którego
udoskonaleniem jest aparatura pojęciowa fizyki klasycznej, jako rzeczy obiektywnie istniejące w czasie i przestrzeni.
Ujęte w matematycznym języku fizyki teoretycznej prawa przyrody określa Heisenberg mianem „form podstawowych”. Przyroda w rozumieniu Heisenberga jest matematyczna w tym sensie, że matematyczne formy podstawowe istnieją obiektywnie i są
w działalności naukowej odkrywane. Heisenberg pisze, że „form podstawowych niepodobna wynaleźć, można je tylko odkryć. Formom podstawowym przysługuje prawdziwa
obiektywność. W przyrodoznawstwie muszą one reprezentować rzeczywistość”. 24 Za
istotne kryteria obiektywności tych form uznaje Heisenberg między innymi matematyczną
prostotę i piękno: „Gdy przyroda prowadzi nas do form matematycznych o wielkiej prostocie i wielkim pięknie — przez te formy rozumiem tu zamknięte układy podstawowych
założeń, aksjomatów i tym podobne — do form, których nikt dotąd jeszcze nie wymyślił,
to nie można się wtedy powstrzymać od przekonania, że są one «prawdziwe», to znaczy
że przedstawiają prawdziwą cechę przyrody. Możliwe, że formy te mówią również i o naszym stosunku do przyrody, że jest w nich także element ekonomii myślenia. Ponieważ
jednak nie można byłoby nigdy samemu dojść do tych form, ponieważ dopiero przyroda
nam je przedstawia, należą one do samej rzeczywistości”. 25 Następujący fragment, w którym Heisenberg opisuje psychologiczny kontekst odkrycia przyrodniczego zasługuje na
niewątpliwą uwagę chociażby z tego powodu, że pochodzi od odkrywcy jednego z fundamentalnych praw przyrody — zasady nieoznaczoności: „W jednej chwili ukazuje się
oczom naszego ducha związek, który istniał zawsze i bez nas, który z zupełną oczywisto-
21
HEISENBERG, Fizyka a filozofia…, s. 61-62.
22
Por. ŁUKASIK, Filozofia atomizmu…, s. 47-61.
23
Por. HEELAN, Quantum Mechanics…, s. 143.
24
HEISENBERG, Ponad granicami…, s. 192.
25
HEISENBERG, Część i całość…, s. 96.
IV. Natura — fizyka — ruch
352 |
ścią nie jest stworzony przez ludzi. Powiązania takie są przecież chyba właściwą treścią
naszej nauki. Naukę naszą można naprawdę zrozumieć dopiero wtedy, gdy się jest głęboko przekonanym o istnieniu takich powiązań”. 26 Zdaniem Heisenberga w odkryciu naukowym mamy do czynienia przede wszystkim z intuicyjnym, bezpośrednim poznaniem
pewnych zależności, które „nie następuje za sprawą dyskursywnego, tzn. racjonalnego
myślenia”. 27 Jest to niewątpliwie platoński element w epistemologii Heisenberga.
Zasada nieoznaczoności i granice wiedzy
Sformułowana przez Heisenberga zasada nieoznaczoności głosi, że w mechanice
kwantowej istnieją pewne pary wielkości fizycznych, zwane sprzężonymi, których jednoczesny pomiar z dowolną dokładnością jest zasadniczo niemożliwy. Iloczyn nieoznaczoności dwóch wielkości sprzężonych jest co najmniej rzędu stałej Plancka. Przykładami
takich wielkości są położenie i pęd cząstki elementarnej oraz energia i czas.
W odróżnieniu od sytuacji poznawczej w dziedzinie makroskopowej, w mikroświecie
nie można obserwować bezpośrednio funkcjonowania wnętrza atomów, lecz można obserwować jedynie pewne zewnętrzne ich własności. Największą ilość informacji o ruchu
elektronów wewnątrz atomów zawiera widmo światła emitowanego przez atomy. Wiadomo, że każdy pierwiastek chemiczny (zatem i każdy atom takiego pierwiastka) emituje
ściśle określone, dyskretne linie widmowe, co prowadzi do wniosku o skwantowaniu
energii i pędu elektronów w atomach. Ruchu elektronów wewnątrz atomu nie można więc
już opisać stosując codzienne „obrazowe” pojęcia, takie jak położenie, prędkość czy orbita. W ten sposób opis atomów całkowicie traci walory poglądowości (anschaulich), natomiast laboratoryjne procedury obserwacji i pomiarów, za pomocą których fizycy badają
własności atomów uzyskują pierwszorzędne znaczenie. 28 Dlatego w mechanice kwantowej fundamentalną rolę odgrywają pomiary różnych wielkości fizycznych.
Pomiar jakiejś wielkości fizycznej zawsze, niezależnie od tego, czy mowa o przedmiotach makroskopowych, czy też o mikroświecie, wiąże się z materialnym oddziaływaniem na badany obiekt. Tu ujawnia się radykalna różnica między procedurą pomiaru (czy
też obserwacji) w mechanice klasycznej i w mechanice kwantowej. W przypadku obserwacji ciał makroskopowych fizyczne oddziaływanie między przyrządem pomiarowym
a badanym obiektem może być, teoretycznie rzecz biorąc, dowolnie małe i nie wpływa
w istotny sposób na przebieg badanego zjawiska. Gdy chcę ustalić na przykład położenie
kuli bilardowej, to muszę ją oświetlić — promień świetlny odbity od powierzchni kuli
pozwala na ustalenie jej położenia. Następująca w tym przypadku wymiana energii i pędu
między kulą bilardową i promieniem świetlnym nie ma najmniejszego znaczenia dla przebiegu obserwowanego zjawiska lub — innymi słowy — pomiar nie zaburza ruchu obserwowanego obiektu. Inaczej jest w przypadku obserwacji przedmiotów mikroświata, takich
jak na przykład obserwacja ruchu elektronu w atomie. Aby poznać położenie elektronu,
również należy go oświetlić — następuje oddziaływanie elektronu z fotonem. Im dokładniej chcemy zlokalizować elektron, musimy w tym celu użyć światła o odpowiednio małej
26
HEISENBERG, Część i całość…, s. 132.
27
HEISENBERG, Ponad granicami…, s. 279.
28
Por. CASSIDY, Uncertainty…, s. 227.
A. ŁUKASIK, „Filozofia nauki Wernera Heisenberga”
| 353
długości fali. Jednak, zgodnie ze wzorem Plancka ( E  h  hc /  ), im mniejsza jest
długość fali fotonu, tym większa jest jego energia. W chwili, gdy foton ulegnie rozproszeniu na elektronie, określone jest położenie elektronu, ale następuje wówczas nieokreślone
zaburzenie pędu elektronu. Im dokładniej znamy położenie elektronu, tym mniej dokładnie znany jest jego pęd i na odwrót. 29 Nie można przewidzieć dokładnej wartości tego
zaburzenia dla każdego pojedynczego pomiaru — oddziaływanie fizyczne, za pomocą
którego dowiadujemy się o własnościach mikroobiektów nie może być dowolnie małe, co
jest konsekwencją istnienia Planckowskiego elementarnego kwantu działania. Iloczyn
nieoznaczoności pomiaru wartości pędu i nieoznaczoności pomiaru położenia spełnia
relacje Heisenberga.
Interpretacja zasady nieoznaczoności podana przez samego Heisenberga ma charakter
epistemologiczny. „Wiedza o położeniu cząstki — pisze on — jest komplementarna
w stosunku do wiedzy o jej prędkości (lub pędzie). Im większa jest dokładność pomiaru
jednej z tych wielkości, tym mniej dokładnie znamy drugą. Musimy jednak znać obie,
jeśli chcemy określić zachowanie się układu”. 30
Konsekwencją relacji nieoznaczoności Heisenberga jest porzucenie w mechanice
kwantowej klasycznego determinizmu i ukazanie ograniczenia przewidywalności zjawisk.
Przekonanie o deterministycznym charakterze praw przyrody i zasadniczej przewidywalności zjawisk stało się powszechne wśród uczonych dzięki sukcesom mechaniki klasycznej Newtona. Pogląd ten najpełniej został wyrażony przez Laplace’a, który twierdził, że
gdybyśmy potrafili określić warunki początkowe z odpowiednią dokładnością, to na podstawie praw Newtona moglibyśmy przewidywać przyszłe zdarzenia (i odtwarzać przeszłe)
z dowolną dokładnością. Aby móc przewidywać przyszłe stany układu, należałoby dokładnie ustalić pędy i położenia wszystkich jego elementów. Z relacji nieoznaczoności
wynika jednak, że nawet dla jednej cząstki elementarnej, takiej jak na przykład elektron,
nie można jednocześnie z dowolną dokładnością określić położenia i pędu, przez co przewidywanie w mechanice kwantowej może mieć jedynie statystyczny charakter. Zdaniem
Heisenberga statystyczny charakter mechaniki kwantowej jest jej cechą ostateczną i żadne
przyszłe dokonania w dziedzinie fizyki mikroświata nie pozwolą na przekroczenie ograniczeń związanych z zasadą nieoznaczoności. Indeterminizm mechaniki kwantowej nie jest
jednak odzwierciedleniem własności „samej przyrody”, ale wynika ze sposobu naszego
badania przyrody. 31 Badamy mikroświat za pomocą materialnych przyrządów pomiarowych, a istnienie elementarnego kwantu działania sprawia, że oddziaływanie między przyrządem a obiektem z przyczyn obiektywnych nie może być dowolnie małe. Heisenberg
wielokrotnie podkreśla, że to nasza wiedza o systemie jest zawsze niezupełna i dlatego
„prawa mechaniki kwantowej muszą mieć charakter statystyczny”. 32
29
Por. Werner HEISENBERG, „Über den anschaulichen Inhalt der quantentheoretischen Kinematik und
Mechanik”, Zeitschrift für Physik 1927, vol. 43, s. 174-175.
30
HEISENBERG, Fizyka a filozofia…, s. 31.
31
Por. CASSIDY, Uncertainty…, s. 234-235.
32
HEISENBERG, The Physicist’s Conception of Nature…, s. 41.
IV. Natura — fizyka — ruch
354 |
Mechanika kwantowa a problem obiektywności poznania
Zdaniem Heisenberga mechanika kwantowa prowadzi do wniosku o pewnym ograniczeniu koncepcji obiektywności poznania mikroświata w stosunku do tej, która została
wypracowana w fizyce klasycznej. Przez obiektywny opis przyrody rozumie Heisenberg
taki opis, który nie bierze pod uwagę środków obserwacji i argumentuje, że w odróżnieniu
od sytuacji poznawczej w fizyce klasycznej, w fizyce kwantowej taki opis nie jest możliwy. Mechanika kwantowa nie opisuje mikroświata takiego, jakim jest niezależnie od nas,
ale opisuje „przyrodę poddaną badaniom, które prowadzimy we właściwy nam sposób,
posługując się swoistą metodą”. 33 W mechanice kwantowej w procesach pomiarów różnych wielkości fizycznych oddziaływanie między przyrządem a obiektem stanowi integralną część zjawiska i to, jaki wynik eksperymentu otrzymamy, zależy w istotny sposób
od rodzaju materialnych narzędzi, jakich używamy. Słowem — wynik obserwacji (pomiaru) zależy w istotny sposób od użytych przyrządów pomiarowych i nie informuje nas
o własnościach mikroobiektów niezależnych od oddziaływania z przyrządem.
W fizyce klasycznej stan układu mechanicznego określony jest przez bezpośrednio
mierzalne wielkości fizyczne — pędy i położenia. Dynamika układu opisywana jest przez
liniowe równania różniczkowe i ma charakter deterministyczny — stan układu w pewnej
chwili wyznacza w sposób jednoznaczny stan układu w dowolnej chwili późniejszej. Jeżeli wykonamy pomiar jakiejś wielkości fizycznej i otrzymamy określoną jej wartość, to
wiemy, że obiekt posiadał określoną wartość wielkości fizycznej również przed pomiarem
i znajdował się w ściśle określonym stanie całkowicie niezależnie od przeprowadzonego
pomiaru. Innymi słowy — zgodnie z fizyką klasyczną badane przedmioty posiadają
wszystkie parametry dynamiczne całkowicie niezależnie od przeprowadzanych pomiarów.
Teoretycznie rzecz biorąc, nie istnieją żadne ograniczenia na możliwość jednoczesnego
określenia z dowolną dokładnością wszystkich parametrów istotnych dla opisu dynamiki
układu klasycznego, dlatego też można — przynajmniej w zasadzie — przewidywać przyszłe zdarzenia z dowolną dokładnością. 34 W nauce klasycznej „natura jawiła się jak
zgodny z prawami proces, przebiegający w przestrzeni i czasie, przy którego opisie można
było w zasadzie, jeśli nie w praktyce, pominąć człowieka i jego ingerencję”. 35
W fizyce kwantowej stan układu jest reprezentowany przez wektor z zespolonej przestrzeni Hilberta. Zgodnie z interpretacją kopenhaską zawiera on wszystkie informacje,
jakie można uzyskać o tym układzie. Wektor stanu spełnia równanie Schrödingera, które
jest liniowym równaniem różniczkowym i dlatego ewolucja wektora stanu ma w mechanice kwantowej charakter deterministyczny, podobnie jak w mechanice klasycznej — jeśli
znamy postać wektora stanu w pewnej chwili, to na podstawie równania Schrödingera
można wyznaczyć postać wektora stanu dla dowolnej chwili późniejszej. Jednakże wektor
stanu nie reprezentuje żadnej wielkości fizycznej mierzalnej, a może być powiązany
z doświadczeniem jedynie wówczas, gdy nastąpi pomiar jakiejś wielkości fizycznej mie-
33
HEISENBERG, Fizyka a filozofia…, s. 68-69.
34
W praktyce jest to możliwe jedynie w dość prostych sytuacjach i — jak wiemy obecnie — jedynie
w przypadku, gdy nie mamy do czynienia z układami nieliniowymi, jakie opisuje teoria chaosu deterministycznego.
35
HEISENBERG, Ponad granicami…, s. 110.
A. ŁUKASIK, „Filozofia nauki Wernera Heisenberga”
| 355
rzalnej (obserwabli). Jeżeli stan układu kwantowomechanicznego nie jest tzw. stanem
własnym operatora reprezentującego mierzoną wielkość fizyczną, to stan układu jest
wówczas superpozycją wszystkich amplitud prawdopodobieństwa (co znaczy, że dana
wielkość fizyczna nie ma ściśle określonej wartości). W rezultacie pomiaru następuje
proces zwany redukcją wektora stanu — ze wszystkich kwantowomechanicznych możliwości (reprezentowanych przez zespolone amplitudy prawdopodobieństwa) aktualizuje
się jedna, stanowiąca rezultat pomiaru, przy czym można przewidzieć jedynie prawdopodobieństwo otrzymania określonej wartości mierzonej wielkości fizycznej. Indeterminizm
mechaniki kwantowej związany jest właśnie z aktami pomiaru różnych wielkości fizycznych. „W dawniejszej fizyce — pisze Heisenberg — pomiar był sposobem ustalenia
obiektywnego, i niezależnego od pomiaru, stanu rzeczy. Te obiektywne stany można było
opisywać matematycznie i określać dzięki temu ściśle ich więź przyczynową. W teorii
kwantów pomiar jest wprawdzie stanem obiektywnym, podobnie jak w dawniejszej fizyce; problematyczne jednak staje się wnioskowanie z pomiaru o obiektywnym przebiegu
atomowego toku zdarzeń, który ma być zmierzony, pomiar bowiem ingeruje w ten tok
i nie daje się już od niego w pełni oddzielić”. 36
Zgodnie z interpretacją kopenhaską pod pojęciem pomiaru rozumie się proces oddziaływania wzajemnego między klasycznym przyrządem pomiarowym i kwantowym obiektem. Opisując doświadczenia z dziedziny kwantowej, wprowadzamy rozróżnienie na
„obiekt obserwowany” i „przyrząd pomiarowy”, przy czym obydwa traktowane są w odmienny sposób. Przyrząd pomiarowy jest zawsze opisywany w kategoriach fizyki klasycznej, chociaż wiadomo, że prawa fizyki klasycznej nie stosują się do atomów i cząstek
elementarnych. Rozróżnienie na „przyrząd” i „obiekt” ma czysto pragmatyczny charakter
— zarówno pojęcie „obiektu kwantowego”, jak i „przyrządu pomiarowego” są pewnymi
idealizacjami — obiekt kwantowy, którego stan jest reprezentowany przez funkcję prawdopodobieństwa, ma znaczenie jedynie w kontekście jego odniesienia do opisywanego
w języku fizyki klasycznej przyrządu pomiarowego. 37 Aparat matematyczny mechaniki
kwantowej pozwala na obliczenie prawdopodobieństw rezultatów pomiarów różnych
wielkości fizycznych, a rezultaty pomiarów określone są przez reakcję makroskopowych
przyrządów pomiarowych. Przyjmuje się obiektywne istnienie świata makroskopowego
(a zatem i przyrządów pomiarowych), natomiast samym mikroobiektom nie można przypisać takiej obiektywnej realności, ponieważ funkcja falowa nie opisuje przebiegu zdarzeń
w przestrzeni i czasie, ale raczej możliwości realizacji różnych zdarzeń.
W interpretacji Heisenberga mechanika kwantowa w odróżnieniu od mechaniki klasycznej nie opisuje zatem rzeczywistości obiektywnej, a żądanie opisu tego, co zachodzi
pomiędzy obserwacjami stanowi dla sytuacji poznawczej w mechanice kwantowej po
prostu contradictio in adiectio. Opisywać można — sądzi Heisenberg — jedynie posługując się językiem potocznym, a więc i terminami fizyki klasycznej, a prawa fizyki klasycznej nie dają poprawnego opisu mikroświata między dwoma obserwacjami, można je wyrazić jedynie w postaci prawdopodobieństw, opisu możliwości, a nie faktów. 38 Dlatego
36
HEISENBERG, Ponad granicami…, s. 34.
37
Por. Henry P. STAPP, Mind, Matter, and Quantum Mechanics, Springer-Verlag, Berlin 1993, s. 49-
38
HEISENBERG, Fizyka a filozofia…, s. 145.
78.
IV. Natura — fizyka — ruch
356 |
Heisenberg mówi o rezygnacji w mechanice kwantowej z obiektywnego w sensie Newtonowskim opisu przyrody, przy którym przypisuje się określone wartości parametrom fizycznym niezależnie od przeprowadzanych doświadczeń na rzecz opisu „sytuacji obserwacyjnych” (Beobachtungssituation).
W związku z powyższym Heisenberg pisze następująco: „Punktem wyjścia interpretacji kopenhaskiej mechaniki kwantowej jest paradoks. Każde doświadczenie fizyczne,
niezależnie od tego, czy dotyczy zjawisk życia codziennego, czy też mikroświata, może
być opisane wyłącznie w terminach fizyki klasycznej. Język fizyki klasycznej jest językiem, którym posługujemy się, gdy opisujemy doświadczenia oraz ich wyniki. Pojęć tych
nie umiemy i nie możemy zastąpić innymi. Jednocześnie jednak relacje nieoznaczoności
ograniczają zakres stosowalności tych pojęć. O ograniczeniu stosowalności pojęć klasycznych musimy pamiętać, gdy się nimi posługujemy; nie potrafimy jednak udoskonalić tych
pojęć”. 39 Konieczność posługiwania się pojęciami fizyki klasycznej sprawia, że stanowią
więc w pewnym sensie teoretyczne a priori w stosunków do pojęć fizyki kwantowej. Tak
interpretuje Heisenberg myśl Kanta. Kant uznał czas i przestrzeń za aprioryczne formy
zmysłowości, a takie pojęcia jak przyczynowość czy substancja za transcendentalne kategorie intelektu. Rozwój fizyki — relatywizacja czasu i przestrzeni w szczególnej teorii
względności, porzucenie jednoznacznej przyczynowości przez mechanikę kwantową nie
tyle dezawuują koncepcje Kanta w ogóle, ale — zdaniem Heisenberga — pokazują ograniczony charakter tych fundamentalnych pojęć, konieczność ich relatywizacji. Heisenberg
podkreśla, że nawet w mechanice kwantowej pojęcia czasu, przestrzeni i przyczynowości
muszą być stosowane do opisu rezultatów eksperymentów. Nie można inaczej obserwować zdarzeń, jak w formach czasu i przestrzeni, zachowanie pojęcia przyczynowości jest
również konieczne, jeśli chcemy wnosić cokolwiek o świecie na podstawie obserwacji
wskazań przyrządu pomiarowego. Używanie pojęć fizyki klasycznej jest konieczne dla
intersubiektywnej komunikacji rezultatów doświadczenia i w tym sensie struktura fizyki
klasycznej jest a priori w stosunku do struktury mechaniki kwantowej. Ale fizyką klasyczną możemy się posługiwać tylko w granicach zakreślonych przez zasadę nieoznaczoności: czasoprzestrzennego opisu i przyczynowości nie można stosować do samych mikroobiektów.
Wielkości fizyczne wchodzące w relacje nieoznaczoności nazywa się komplementarnymi — nie można ich zmierzyć jednocześnie z dowolną dokładnością. Obiekt o określonym położeniu może być traktowany jako „korpuskuła”, obiekt o określonym pędzie jako
„fala”. Wynika stąd, że mechaniczne pojęcia korpuskuły i fali są względem siebie komplementarne. W odniesieniu do mikroobiektów opisywanych przez mechanikę kwantową
mówi się niekiedy o dualizmie (tzw. dualizm korpuskularno-falowy), co mogłoby sugerować, że „same mikroobiekty” posiadają taką „dwoistą naturę”. Otóż jest to zdaniem
Heisenberga uproszczenie. Po pierwsze, jak już była o tym mowa, schemat matematyczny
mechaniki kwantowej nie odnosi się do samych mikroobiektów, ale — zgodnie z interpretacją kopenhaską — opisuje reakcję makroskopowych przyrządów pomiarowych na
oddziaływanie mikroobiektów; po drugie, „dualistyczne” opisy typu „cząstka”, „fala”
pojawiają wyłącznie wówczas, gdy opisujemy rezultaty eksperymentów, co oznacza konieczność użycia pojęć mechaniki klasycznej. W ramach tego schematu pojęciowego rzeczywiście dysponujemy takimi pojęciami jak „cząstka” i „fala”, jednak Heisenberg zwra39
HEISENBERG, Fizyka a filozofia…, s. 26.
A. ŁUKASIK, „Filozofia nauki Wernera Heisenberga”
| 357
ca uwagę na to, że pojęcia te mogą być stosowane jedynie do opisu konkretnych sytuacji
obserwacyjnych i zupełnie tracą sens, gdy próbujemy je stosować do „samych mikroobiektów”. Zgodnie z zasadą komplementarności Bohra pewną klasę eksperymentów
możemy opisać stosując mechaniczne pojęcie cząstki, inną zaś — stosując mechaniczne
pojęcie fali. Nie możemy jednak stąd wnosić, że same mikroobiekty są cząstkami lub
falami w takim sensie, jak używamy tych terminów w fizyce klasycznej. Pojęcia są komplementarne — wzajemnie wykluczające się, ale jednocześnie uzupełniające do pewnej
całości. 40 Potrafimy zachowanie mikroobiektów opisać stosując te klasyczne pojęcia, ale
nie potrafimy na podstawie doświadczeń nad elementarnymi składnikami materii aspektów przejawiających się w komplementarnych doświadczeniach zobiektywizować w postaci modelu niezależnej od wykonywanych doświadczeń realności fizycznej. Relacje
nieoznaczoności ukazują granice stosowalności pojęć fizyki klasycznej. W odniesieniu do
zjawisk atomowych klasyczne pojęcia stanowią jedynie, jak pisze Heisenberg, „malowidła
słowne, za pomocą których staramy się zbliżyć do rzeczywistego procesu. Kiedy zachodzi
konieczność ścisłego o czymś orzekania, trzeba często powracać do sztucznego języka
matematycznego”. 41
Heisenberg zwraca uwagę na to, że kwantowomechaniczne pojęcie prawdopodobieństwa zawiera istotną nowość w stosunku do pojęcia klasycznego. „Prawdopodobieństwo
w matematyce albo w fizyce statystycznej wyraża stopień zaawansowania naszej wiedzy
o rzeczywistej sytuacji. […] Natomiast pojęcie fali prawdopodobieństwa Bohra, Kramersa
i Slatera wyrażało coś więcej — wyrażało tendencję do czegoś. Była to ilościowa wersja
starego arystotelesowskiego pojęcia «potencji»”. 42 Zdaniem Heisenberga w funkcji prawdopodobieństwa mamy do czynienia ze specyficznym połączeniem „elementów obiektywnych” z „elementami subiektywnymi”. Funkcja prawdopodobieństwa zawiera pewne
twierdzenia o możliwościach realizacji zdarzeń atomowych (tendencjach czy też potencjach), które mają charakter całkowicie obiektywny w tym znaczeniu, jak sądzi Heisenberg, że ich treść nie zależy od żadnego obserwatora. „Oprócz tego w funkcji tej zawarte
są również pewne twierdzenia dotyczące naszej wiedzy o układzie, które są oczywiście
subiektywne jako że różni obserwatorzy mogą mieć różną wiedzę”. 43
Była już mowa o tym, że w procesie pomiaru następuje nieciągła i indeterministyczna
zmiana funkcji falowej, której nie opisuje równanie Schrödingera. Jednym z najbardziej
kontrowersyjnych zagadnień interpretacyjnych w mechanice kwantowej jest właśnie pytanie o to, jakie czynniki są odpowiedzialne za redukcję funkcji falowej i dlaczego opis
układu nie poddawanego procesowi pomiaru (obserwacji) ma zasadniczo inny charakter
niż opis procesu pomiaru. Różne odpowiedzi na to pytanie prowadzą do różnych interpretacji mechaniki kwantowej. Heisenberg w procesie pomiaru odróżnia dwa składniki od40
Por. Niels BOHR, Fizyka atomowa a wiedza ludzka, przeł. Wacław Staszewski, Stanisław Szpikowski, Armin Teske, PWN, Warszawa 1963, s. 17-18.
41
HEISENBERG, Ponad granicami…, s. 156.
42
HEISENBERG, Fizyka a filozofia…, s. 22. Interpretację mechaniki kwantowej w kategoriach potencjalności traktowanej jako nieprzestrzenna realność fizyczna sformułował polski fizyk i filozof przyrody Czesław
Białobrzeski. Por. Czesław BIAŁOBRZESKI, Podstawy poznawcze fizyki świata atomowego, PWN, Warszawa
1984, s. 238-341; Andrzej ŁUKASIK, „Filozofia przyrody Czesława Białobrzeskiego”, w: Marek REMBIERZ
i Krzysztof ŚLEZIŃSKI (red.), Studia z filozofii polskiej, Scriptum, Bielsko Biała — Kraków 2006, s. 227-242.
43
HEISENBERG, Fizyka a filozofia…, s. 35.
IV. Natura — fizyka — ruch
358 |
miennej natury. Pierwszy polega na poddaniu układu określonemu oddziaływaniu fizycznemu, w którym następuje przejście „od tego, co możliwe” do „tego, co rzeczywiste”,
które ma charakter czysto fizycznego oddziaływania. „Natomiast nieciągła zmiana funkcji
prawdopodobieństwa zachodzi wskutek tego aktu rejestracji; w chwili rejestracji nasza
wiedza ulega nagłej zmianie, czego odzwierciedleniem jest nieciągła zmiana funkcji
prawdopodobieństwa”. 44 Podkreślić należy, że „przeskoki kwantowe” nie oznaczają według Heisenberga kolapsu fizycznie realnej (istniejącej w przestrzeni i czasie) „paczki
falowej”, ale pojawiają się jako rezultat przejścia od opisu układu z opisu kwantowego do
opisu klasycznego. „Przejście od potencjalności (opis kwantowomechaniczny) do rzeczywistości (klasyczny opis w przestrzeni i czasie) musi być rozumiane jako przejście od
jednego sposobu opisu do innego”. 45 Rezultaty obserwacji wyrażane są w kategoriach
języka fizyki klasycznej i stąd wynika różnica między opisem układu nieobserwowanego
i opisem rezultatów obserwacji. Podczas obserwacji badany mikroobiekt oddziałuje
z przyrządem pomiarowym, a pośrednio z całą resztą świata, a my nie jesteśmy w stanie
poznać niemal nieskończonej złożoności tych oddziaływań. „Możemy przyjąć, że niedokładności te mają charakter obiektywny w takiej mierze, w jakiej są konsekwencjami dokonywania opisu za pomocą terminów fizyki klasycznej i nie zależą od żadnego obserwatora. Możemy je uznać za subiektywne w takiej mierze, w jakiej wynikają z tego, że nasza
wiedza o świecie jest niepełna”. 46
Specyficzny charakter pomiaru w mechanice kwantowej, w szczególności zaś niemożliwość rozróżnienia zachowania się przedmiotu od środków służących do jego obserwacji,
sprawia, zdaniem Heisenberga, że nauki przyrodnicze nie opisują przyrody takiej, jaka
ona jest niezależnie od nas, lecz opisują przyrodę poddaną badaniom, które prowadzimy
we właściwy nam sposób, posługując się swoistą metodą. Zastosowanie określonej metody ma natomiast istotny wpływ na rezultaty poznania i na nasz obraz natury, przedmiotem
poznania nauk przyrodniczych nie jest „po prostu natura”, ale „natura wystawiona na nasze pytania”. „Wskutek tego prawa przyrody, które formułujemy matematycznie w teorii
kwantów, nie traktują już ostatecznie o cząstkach elementarnych samych w sobie, lecz
o naszej znajomości cząstek. Pytania, czy te cząstki istnieją «w sobie» w przestrzeni
i czasie, nie można już stawiać w tej formie, ponieważ mówić możemy jedynie o procesach, które zachodzą, gdy za sprawą oddziaływania wzajemnego cząstki elementarnej
i jakichś innych układów fizycznych, na przykład przyrządów pomiarowych, mamy się
czegoś dowiedzieć o zachowaniu cząstki. Przedstawienie o obiektywnej realności ulotniło
się zatem w osobliwy sposób, bo nie we mgle jakiegoś nowego, niejasnego, czy też nie
zrozumianego jeszcze przedstawienia rzeczywistości, lecz w przejrzystej jasności matematyki, która nie reprezentuje już zachowania cząstki elementarnej, ale naszą znajomość
tego zachowania. Fizyk atomowy musi się pogodzić z tym, że jego nauka jest tylko ogniwem w nie kończącym się przewodzie rozprawy człowieka z naturą, i że nie jest mu dane
mówić po prostu o naturze «samej w sobie». Człowiek jest zawsze apriorycznością przy-
44
HEISENBERG, Fizyka a filozofia…, s. 37-38.
45
CAMILLERI, Heisenberg and the Interpretation of Quantum Mechanics…, s. 170.
46
HEISENBERG, Fizyka a filozofia…, s. 36.
A. ŁUKASIK, „Filozofia nauki Wernera Heisenberga”
| 359
rodoznawstwa i, jak to powiedział Bohr, musimy sobie uświadamiać, że w widowisku
życia nie jesteśmy tylko widzami, lecz zawsze również współaktorami”. 47
Koncepcja „teorii zamkniętych” a pojęcie prawdy w nauce
Dwie wielkie rewolucje naukowe na początku XX wieku związane z powstaniem teorii względności i mechaniki kwantowej postawiły w nowym świetle zagadnienie prawdziwości teorii naukowych. Sukcesy mechaniki Newtona przez ponad dwa stulecia sprzyjały przekonaniu uczonych, że jest ona prawdziwym opisem przyrody, a wszystkie zjawiska mogą być ostatecznie zrozumiane dzięki podaniu ich mechanicznej interpretacji.
Trudności w mechanicznej interpretacji teorii Maxwella doprowadziły jednak w szczególnej teorii względności Einsteina do radykalnej zmiany poglądów na przestrzeń i czas,
a mechanika kwantowa (w interpretacji kopenhaskiej Bohra i Heisenberga) odrzuciła ponadto opis mikroświata w kategoriach obiektywnych procesów w przestrzeni i czasie.
Powstaje zatem pytanie, czy w związku z takimi radykalnymi zmianami aparatury pojęciowej fizyki, można w stosunku do teorii naukowych nadal używać kategorii prawdy?
Heisenberg udziela pozytywnej odpowiedzi na powyższe pytanie. Nie znaczy to jednak, że dawniejsze teorie naukowe, które sprawdziły się w pewnym obszarze zjawisk, ale
okazują się nieadekwatne w innym obszarze, musimy porzucić po prostu jako fałszywe
i zastąpić je nowymi. 48 Przeciwnie, pojęcie prawdy nadal może być stosowane w nauce
w odniesieniu do wcześniejszych teorii naukowych, a ściślej do struktur, które określa
mianem „teorii zamkniętych” (Abgenschlossene Theorien). Zdaniem Heisenberga w dotychczasowym rozwoju fizyki można wyróżnić cztery systemy teorii zamkniętych:
1) mechanika Newtona; 2) fenomenologiczna teoria ciepła wraz z mechaniką statystyczną;
3) szczególna teoria względności Einsteina z elektrodynamiką Maxwella; 4) mechanika
kwantowa razem z fizyką atomową i chemią. 49 Teorię zamkniętą określa on jako układ
definicji i aksjomatów, który ustala podstawowe pojęcia i powiązania między nimi, wraz
z postulatem, że istnieje pewien obszar doświadczenia, który może być z wielką dokładnością opisany za pomocą owego układu. 50 Podstawowym warunkiem dla teorii zamkniętej jest wewnętrzna niesprzeczność, rozumiana w następujący sposób: jej pojęcia powinny
zostać tak sprecyzowane definicjami i aksjomatami, aby dało im się przyporządkować
symbole matematyczne, między którymi powstaje niesprzeczny układ równań. 51 Jako
najsłynniejszy przykład takiej aksjomatyzacji podaje Heisenberg Principia Newtona:
„Każdemu pojęciu można tu przyporządkować symbol matematyczny. Związki pomiędzy
47
HEISENBERG, Ponad granicami…, s. 113. Heisenberg używa terminu „rzecz sama w sobie” niezupełnie zgodnie z użyciem Kanta. Ding an Sich w filozofii Kanta oznacza bowiem coś, co jest zasadniczo niepoznawalne i — ściśle rzecz biorąc — nawet mechanika klasyczna nie opisuje „rzeczy samych w sobie”, ale
świat zjawisk w przestrzeni i czasie. Analiza różnych kontekstów, w jakich Heisenberg używa terminu „rzecz
sama w sobie”, pozwala na stwierdzenie, że może on być zastąpiony terminem „rzeczywistość obiektywna”,
rozumiany jako zjawiska zachodzące w przestrzeni i czasie niezależne od tego, czy je obserwujemy (w sensie
poddania obiektu fizycznemu oddziaływaniu), czy też nie.
48
Por. HEELAN, Quantum Mechanics and Objectivity…, s. 143.
49
Por. HEISENBERG, Ponad granicami…, s. 102-103.
50
Por. HEISENBERG, Ponad granicami…, s. 288.
51
Por. HEISENBERG, Ponad granicami…, s. 103.
IV. Natura — fizyka — ruch
360 |
poszczególnymi pojęciami są przedstawione w postaci równań matematycznych, które
wiążą te symbole. To, że system ma postać matematyczną, jest gwarancją tego, że nie ma
w nim sprzeczności. Ruchy ciał, które mogą zachodzić pod wpływem działania sił, są
reprezentowane przez możliwe rozwiązania odpowiednich równań. Zespół definicji i aksjomatów, który można podać w postaci równań matematycznych, traktuje się jako opis
wiecznej struktury przyrody. Struktura ta nie zależy od tego, w jakim konkretnym przedziale czasu i przestrzeni zachodzi rozpatrywany proces. Poszczególne pojęcia w tym
systemie są tak ściśle ze sobą powiązane, że w zasadzie nie można zmienić żadnego spośród nich, nie burząc całego systemu”. 52
Teorii zamkniętej nie można zmodyfikować, wprowadzając do niej poprawki i dlatego
pozostaje ona w istocie niezmieniona, pomimo późniejszych odkryć. Rozwój nauki polega
zatem nie na falsyfikacji i odrzuceniu wcześniejszych teorii zamkniętych, ale raczej na
ukazaniu granic ich stosowalności. Każda teoria zamknięta ma ograniczony zasięg stosowalności, którego nie możemy ustalić a priori na drodze czysto logicznej analizy, ale
jedynie na podstawie doświadczenia. Pomimo tego teorie zamknięte mają znaczenie ponadczasowe, to znaczy osiągnięte w nich rezultaty mają charakter definitywny i ostateczny. 53 W szczególności, ani teoria względności, ani mechanika kwantowa nie wykazały
fałszywości mechaniki klasycznej, ale pokazały, że w pewnym obszarze doświadczenia jej
pojęcia nie mogą być stosowane i muszą ustąpić miejsca innym koncepcjom teoretycznym. Heisenberg pisze, że „orzeczenia fizyki Newtona będą trafne również po milionach
lat i w najodleglejszych układach gwiezdnych, i uważamy, że fizyki tej nie można wcale
poprawić w ramach jej pojęć. Nie możemy jednak twierdzić, że wszystkie fenomeny udało się tymi pojęciami opisać”. 54 Można powiedzieć, że każda teoria zamknięta jest prawdziwym opisem zjawisk fizycznych, o ile dodamy, że jest prawdziwa w tym obszarze
doświadczenia, w którym jej podstawowe pojęcia mogą być stosowane. Pojęcia fizyki
stanowią zawsze idealizacje dla ograniczonych obszarów doświadczenia 55 — w każdej
teorii z niemal nieskończonego bogactwa zjawisk wybieramy jedynie pewien aspekt zjawisk, które możemy opisać stosując pojęcia danej teorii. Idealizacje fizyki klasycznej
mogą być stosowane do opisu ruchu ciał makroskopowych poruszających się z prędkościami małymi w porównaniu z prędkością światła w próżni, jednak idealizacji, takich jak
punkt materialny czy ciało sztywne, z oczywistych powodów nie można stosować na
przykład do opisu zjawisk elektromagnetycznych. Mechanika kwantowa ukazuje również
granice stosowalności klasycznych pojęć korpuskuły i fali w odniesieniu do mikroświata.
Sytuacja poznawcza w mechanice kwantowej prowadzi również do modyfikacji klasycznego (tzn. wypracowanego w ramach fizyki klasycznej i filozofii mechanistycznej)
poglądu na relację między podmiotem i przedmiotem poznania. Naszego obrazu przyrody
nie możemy już traktować jako jej opisu dokonywanego przez „zewnętrznego” obserwatora, który całkowicie pomija fakt, że w każdym procesie poznania następuje materialna
ingerencja w badany obiekt. „Pojęcie prawdy naukowej, które tkwi u podłoża przyrodoznawstwa, jest zdolne udźwignąć najrozmaitszego rodzaju zrozumienie natury, zasadza
52
HEISENBERG, Fizyka a filozofia…, s. 84-85.
53
Por. HEISENBERG, Ponad granicami…, s. 123.
54
HEISENBERG, Ponad granicami…, s. 288.
55
Por. HEISENBERG, Ponad granicami…, s. 287.
A. ŁUKASIK, „Filozofia nauki Wernera Heisenberga”
| 361
się na nim, obok przyrodoznawstwa minionych stuleci, również współczesna fizyka atomowa, z czego wynika więc, że można się zadowolić sytuacją poznawczą, w której nie
jest możliwa pełna obiektywizacja procesu przyrodniczego, i uporządkować w jej ramach
nasz własny stosunek do natury. Jeśli więc może być mowa o obrazie natury w przyrodoznawstwie ścisłym naszych czasów, to chodzi już nie o obraz natury we właściwym sensie, lecz o obraz naszych z niej stosunków. Dawne dzielenie świata na obiektywny przebieg zdarzeń w przestrzeni i czasie z jednej strony oraz duszę, w której się ten przebieg
odzwierciedla, z drugiej, czyli Kartezjańskie rozróżnienie res extensa i res cogitans, nie
nadaje się już jako zabieg wyjściowy do zrozumienia współczesnego przyrodoznawstwa.
Przeciwnie, w polu widzenia tej nauki znajduje się przede wszystkim sieć stosunków
człowieka z naturą, owych powiązań, mocą których jesteśmy jako istoty cielesne zawisłymi częściami natury i które zarazem czynimy jako ludzie przedmiotem naszej myśli
i działania. Przyrodoznawstwo nie stoi już wobec natury jak widz, lecz samo widzi się
częścią wzajemnego współgrania człowieka i natury. Naukowa metoda wyodrębniania,
wyjaśniania i porządkowania uświadamia sobie granice naznaczone jej przez to, że zastosowanie metody zmienia i przekształca jej przedmiot, że więc metoda nie może się już od
przedmiotu zdystansować. Przyrodoznawczy obraz świata przestaje być tym samym przyrodoznawczy we właściwym sensie”. 56
Podsumowanie
Osiągnięcia Heisenberga w dziedzinie fizyki są bezdyskusyjne. Mechanika kwantowa
jest powszechnie uważana za najdoskonalszą teorię fizyczną, jaką dotąd stworzono. Jej integralnym składnikiem jest sformułowana przez Heisenberga zasada nieoznaczoności.
Najważniejszym osiągnięciem w filozofii nauki pozostaje niewątpliwie sformułowana
wspólnie z Bohrem kopenhaska interpretacja mechaniki kwantowej. Była ona historycznie
pierwszą interpretacją i przez dziesiątki lat uchodziła za ortodoksyjną (nazywana jest też
„zwykłą” interpretacją mechaniki kwantowej). Fakt, że wielokrotnie była poddawana
krytyce i że wypracowano kilkanaście konkurencyjnych interpretacji mechaniki kwantowej, w niczym nie umniejsza jej doniosłości, choćby dlatego, że autorzy innych interpretacji zawsze odnoszą się do interpretacji kopenhaskiej. Koncepcja teorii zamkniętych Heisenberga nie zdobyła, jak się wydaje, „popularności” w filozofii nauki i we współczesnych dyskusjach nad statusem poznawczym teorii naukowych jest niezmiernie rzadko
wspominana. Jeśli zaś chodzi platonizm w filozofii fizyki, to rzeczywiście ma on wielu
zwolenników wśród współczesnych uczonych, ale — co zresztą zauważa sam Heisenberg
— rezultaty nauk przyrodniczych nigdy nie mogą stanowić jakiejś niepodważalnej podstawy dla pewnej koncepcji filozoficznej. Wypada ją zatem uznać za wyraz osobistych
preferencji odkrywcy zasady nieoznaczoności.
Streszczenie
Celem artykułu jest omówienie filozofii nauki Wernera Heisenberga. Po rozważeniu zagadnienia
związków fizyki z filozofią analizowane są argumenty Heisenberga na rzecz destrukcji materializmu przez współczesną fizykę, a następnie argumenty na rzecz platonizmu jako bardziej adekwatnego poglądu na naturę elementarnych składników materii. W dalszej kolejności omawiane są gra-
56
HEISENBERG, Ponad granicami…, s. 124-125.
362 |
IV. Natura — fizyka — ruch
nice poznania ukazywane przez zasadę nieoznaczoności i ograniczenia klasycznego ideału wiedzy
obiektywnej w związku z sytuacją poznawczą w mechanice kwantowej. Analizowana jest również
stosowalność kategorii prawdy w nauce w związku z Heisenberga koncepcją „teorii zamkniętych”.