Filozofia nauki Wernera Heisenberga

Transkrypt

1 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 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 ( ) 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 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 Patrick A. HEELAN, Quantum Mechanics and Objectivity. A Study of Philosophy of Werner Heisenberg, Martinus Nijhoff, The Hague 1965, s 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-

2 346 IV. Natura fizyka ruch 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 epiwego 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 HEISENBERG, Ponad granicami, s Werner HEISENBERG, Fizyka a filozofia, przeł. Stefan Amsterdamski, Książka i Wiedza, Warszawa 1965, s. 8.

3 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 HEISENBERG, Ponad granicami, s 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.

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, 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.

5 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 Por. Werner HEISENBERG, Über quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen, Zeitschrift für Physik 1925, vol. 33, s 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 ; 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 Por. Andrzej ŁUKASIK, Atomizm dawniej i dziś. O niewspółmierności ontologicznej klasycznego i kwantowomechanicznego pojęcia elementarnych składników materii, Studia Philosophiae Christianae 2009, nr 1, s ; Andrzej ŁUKASIK, Substancjalność cząstek elementarnych, w: Marek PIWOWARCZYK (red.), Studia Systematica 2. Substancja, Wydawnictwo Uniwersytetu Wrocławskiego, Wrocław 2012, s HEISENBERG, The Nature, s. 219.

6 350 IV. Natura fizyka ruch 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 HEISENBERG, Część i całość, s HEISENBERG, Ponad granicami, s HEISENBERG, Ponad granicami, s. 209.

7 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 Por. ŁUKASIK, Filozofia atomizmu, s Por. HEELAN, Quantum Mechanics, s HEISENBERG, Ponad granicami, s HEISENBERG, Część i całość, s. 96.

8 352 IV. Natura fizyka ruch 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 HEISENBERG, Ponad granicami, s Por. CASSIDY, Uncertainty, s. 227.

9 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 Por. Werner HEISENBERG, Über den anschaulichen Inhalt der quantentheoretischen Kinematik und Mechanik, Zeitschrift für Physik 1927, vol. 43, s HEISENBERG, Fizyka a filozofia, s Por. CASSIDY, Uncertainty, s HEISENBERG, The Physicist s Conception of Nature, s. 41.

10 354 IV. Natura fizyka ruch 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 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.

11 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 Por. Henry P. STAPP, Mind, Matter, and Quantum Mechanics, Springer-Verlag, Berlin 1993, s HEISENBERG, Fizyka a filozofia, s. 145.

12 356 IV. Natura fizyka ruch 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 zwra- 39 HEISENBERG, Fizyka a filozofia, s. 26.

13 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 od- 40 Por. Niels BOHR, Fizyka atomowa a wiedza ludzka, przeł. Wacław Staszewski, Stanisław Szpikowski, Armin Teske, PWN, Warszawa 1963, s HEISENBERG, Ponad granicami, s 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 ; Andrzej ŁUKASIK, Filozofia przyrody Czesława Białobrzeskiego, w: Marek REMBIERZ i Krzysztof ŚLEZIŃSKI (red.), Studia z filozofii polskiej, Scriptum, Bielsko Biała Kraków 2006, s HEISENBERG, Fizyka a filozofia, s. 35.

14 358 IV. Natura fizyka ruch 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 CAMILLERI, Heisenberg and the Interpretation of Quantum Mechanics, s HEISENBERG, Fizyka a filozofia, s. 36.

15 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 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 Por. HEISENBERG, Ponad granicami, s Por. HEISENBERG, Ponad granicami, s Por. HEISENBERG, Ponad granicami, s. 103.