Fascynacja tą dziedziną fizyki trwa u mnie od szkoły średniej, kiedy to sobie zadałem pytanie: co oznacza, że hamiltonian działa na funkcję falową. Później, dokształcając się, znalazłem odpowiedź na to młodzieńcze pytanie. Jako chemik stosuję metody mechaniki kwantowej do rozwiązywania pewnych problemów chemicznych, a współczesna grafika molekularna pozwala mi zobaczyć abstrakcyjny świat atomów i drobin chemicznych na ekranie monitora komputerowego. Z drugiej strony, w wolnych chwilach, czytuję literaturę popularnonaukową (czyli napisaną przystępnie - jak to gdzieś ostatnio przeczytałem) poświęconą chemii i fizyce. Tej ostatniej jest znacznie więcej. Fizyka jest wdzięcznym tematem dla popularyzatorów nauki. Chemia jakoś mniej. Czytając przetłumaczone na język polski dziełka fizyków, takich jak: Bohr, Heisenberg, Feynman, Bohm, Einstein, Weinberg i inni (polscy i zagraniczni popularyzatorzy fizyki), tworzył się w moim umyśle obraz tej nauki, myślę że taki, jaki chcieli go przekazać ci wielcy. Największe znaczenie w pierwszych latach zafascynowania mechaniką kwantową miała dla mnie książka W. Heisenberga pt: Część i całość: Rozmowy o fizyce atomu (Der Teil und das Ganze: Gespräche im Umkreis der Atomphysik). Do tej książki zwłaszcza (i do niektórych innych) powracałem wielokrotnie, próbując lepiej zrozumieć intencje autorów. Trafiłem również na uliczkę fizyki klasycznej, która była budowana przez polskiego fizyka Michała Gryzińskiego. Uliczka ta okazała się jednak ślepa. No cóż, bywa. Dodam, że tę popularnonaukową wiedzę uzupełniałem widzą całkiem ścisłą, potrzebną chemikowi do lepszego zrozumienia fizycznych aspektów chemii.
Co mi zostało po latach przypatrywania się fizyce kwantowej z punku widzenia chemika i fascynata. Pozostał mi obraz dość rozmyty, ograniczony zasadą nieoznaczoności, z wyskakującymi czasem do nieskończoności strzałami zrozumienia, na podobieństwo delty Diraca. Jednak te erupcje trwały niemal nieskończenie krótko i gasły nie przynosząc ulgi. Pozostało wrażenie posiadania potężnych narzędzi obliczeniowych, których istota działania na poziomie podstawowym pozostaje poza zdrowym rozsądkiem. Nieodmiennie dochodziłem do nieodkrywczego niestety wniosku, że Feynman miał rację twierdząc, że mechanika kwantowa jest absurdalna. Za wysokie progi, jak na moje nogi - myślałem z rezygnacją.
Nauka nie jest jednak zbiorem dogmatów (nie ma charakteru skończonego, w stylu ortodoksji kopenhaskiej), tylko podlegającą sprawdzeniu, czyli weryfikacji, konstrukcją praktyczną i teoretyczną. Moim obowiązkiem, jako człowieka parającego się nauką, jest wyrażenie wątpliwości, co do podstaw mechaniki kwantowej, nawet jeśliby były to tylko wątpliwości natury ogólnej. W tym właśnie tkwi piękno nauki, że jeśli się ją obedrze z ludzkiej pychy, pozostaje delikatna tkanka pytań, hipotez i ich weryfikacji Tkanka delikatna, bo podatna na przyjmowanie nowych pytań i wniosków, co ją modyfikuje, ale jednocześnie mocna bo schemat postępowania pozostaje niezmienny. Gdyby do tej tkanki włączyć wspomnianą pychę, to nie miałbym nic do powiedzenia.
Korzystam więc z naukowej wolności zadawania pytań i wyrażania własnych wątpliwości.
Pierwsza z tych wątpliwości ma korzenie w metodologii wywodzącej się z chemii fizycznej. Konkretnie chodzi o badanie kinetyki reakcji chemicznych. W celu określenia szybkości reakcji chemicznej, dokonuje się pomiarów stężenia reagentów w funkcji czasu. Na podstawie uzyskanych zależności określa się szybkość reakcji chemicznej i próbuje się wnioskować o mechanizmie tej reakcji. Z punktu widzenia chemii fizycznej istotne jest określenie szybkości reakcji, a z perspektywy chemii organicznej również istotny jest mechanizm. Krzywa kinetyczna jest zbiorem wartości doświadczalnych stężenia w funkcji czasu. Na jej podstawie dopasowuje się model kinetyczny reakcji przez znalezienie jak najprostszej funkcji odtwarzającej tę krzywą. Istotna jest tu prostota. Owszem, można rozbudować (uelastycznić) tę funkcję o nowe człony i uzyskać idealną zgodność z doświadczeniem, ale taka złożona, idealnie zgodna z doświadczeniem, funkcja nie będzie nic mówiła o mechanizmie reakcji. Tego typu postępowanie, polegające na komplikowaniu funkcji dopasowującej model do danych doświadczalnych, jest krytykowane przez chemików badających kinetyczny przebieg reakcji. Mam nadzieję, że jest jasne do czego zmierzam. Otóż, w mechanice kwantowej buduje się coraz bardziej elastyczne (czyli rozbudowane) próbne funkcje falowe, po to aby jak najlepiej dopasować model matematyczny do danych doświadczalnych. Zbudowanie takiej funkcji określa się tu mianem sukcesu (zobacz osiągnięcia Kołosa i Wolniewicza w określaniu energii stanów kwantowych cząsteczki wodoru). W chemii fizycznej już nie. Wprawdzie w obu wypadkach otrzymujemy znakomitą zgodność modelu z danymi doświadczalnymi, ale też w obu wypadkach nie rozumiemy mechanizmu zjawiska. Czy jest to sytuacja intelektualnie komfortowa?
Pierwsza z tych wątpliwości ma korzenie w metodologii wywodzącej się z chemii fizycznej. Konkretnie chodzi o badanie kinetyki reakcji chemicznych. W celu określenia szybkości reakcji chemicznej, dokonuje się pomiarów stężenia reagentów w funkcji czasu. Na podstawie uzyskanych zależności określa się szybkość reakcji chemicznej i próbuje się wnioskować o mechanizmie tej reakcji. Z punktu widzenia chemii fizycznej istotne jest określenie szybkości reakcji, a z perspektywy chemii organicznej również istotny jest mechanizm. Krzywa kinetyczna jest zbiorem wartości doświadczalnych stężenia w funkcji czasu. Na jej podstawie dopasowuje się model kinetyczny reakcji przez znalezienie jak najprostszej funkcji odtwarzającej tę krzywą. Istotna jest tu prostota. Owszem, można rozbudować (uelastycznić) tę funkcję o nowe człony i uzyskać idealną zgodność z doświadczeniem, ale taka złożona, idealnie zgodna z doświadczeniem, funkcja nie będzie nic mówiła o mechanizmie reakcji. Tego typu postępowanie, polegające na komplikowaniu funkcji dopasowującej model do danych doświadczalnych, jest krytykowane przez chemików badających kinetyczny przebieg reakcji. Mam nadzieję, że jest jasne do czego zmierzam. Otóż, w mechanice kwantowej buduje się coraz bardziej elastyczne (czyli rozbudowane) próbne funkcje falowe, po to aby jak najlepiej dopasować model matematyczny do danych doświadczalnych. Zbudowanie takiej funkcji określa się tu mianem sukcesu (zobacz osiągnięcia Kołosa i Wolniewicza w określaniu energii stanów kwantowych cząsteczki wodoru). W chemii fizycznej już nie. Wprawdzie w obu wypadkach otrzymujemy znakomitą zgodność modelu z danymi doświadczalnymi, ale też w obu wypadkach nie rozumiemy mechanizmu zjawiska. Czy jest to sytuacja intelektualnie komfortowa?
Druga wątpliwość ma tę samą naturę, ale odnosi się do obliczania orbit planet układu słonecznego z wykorzystaniem skomplikowanej metodologii dopracowanej przez Klaudiusza Ptolemeusza. Idąc śladem metodologii budowy coraz bardziej skomplikowanych funkcji falowych, używanej w ramach mechaniki kwantowej, można skomplikować (i tak już niełatwy) opis orbit planetarnych w ramach systemu geocentrycznego tak mocno, aby swoją dokładnością dorównały wynikom osiągniętym przez Keplera. Nie wiem, czy ktoś tego próbował, ale metodologia mechaniki kwantowej jest tu poważną wskazówką, że to powinno się dać urzeczywistnić. Czy uzyskanie idealnej zgodności teorii geocentrycznej z doświadczeniem (oczywiście z pominięciem efektów ogólnej teorii względności) oznaczałoby zrozumienie mechanizmu ruchu planet?. Śmiem wątpić.
W takim miejscu widzę mechanikę kwantową. Jest to skuteczna, ale gorzko skomplikowana metodologia odtwarzania doświadczalnie obserwowanych właściwości mikroświata. Jestem po stronie Einsteina i uważam, że jest to teoria niepełna lub raczej rozwiązująca problemy za pomocą skomplikowanej metodologii z podejrzanego punktu widzenia. Dopisek styczeń 2020. Teraz widzę to nieco inaczej. Uważam, że konieczność opisu atomów za pomocą funkcji, które nikną dopiero w nieskończoności jest swego rodzaju przedefiniowaniem, nadmiarem, albo idąc za Saganem, ogromnym marnotrawstwem przestrzeni.
Czy jest jakaś nadzieja na zmianę podobną do rewolucji kopernikańskiej? Chciałbym wierzyć, że tak, ale do zainicjowania podobnej zmiany (być może należałoby taką zmianę również nazwać rewolucją) potrzeba nowych, piekielnie inteligentnych ludzi i nowej matematyki. Być może wspomnę o tym zagadnieniu w jednym z następnych wpisów.
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz