6.    OSNOVE KVANTNE TEORIJE

Uspeh naučnih teorija, a posebno Njutnove teorije gravitacije, naveo je francuskog naučnika, Markiza Laplasa, da početkom devetnaestog vijeka utvrdi da je Univjerzum potpuno deterministički. Laplas je smatrao da postoji skup naučnih zakona koji bi trebalo da nam omoguće da predvidimo sve što će se dogoditi u Univjerzumu, pod uslovom da znamo cijelokupno stanje Univjerzuma u datom vremenu. Primera radi, kada bismo znali položaje i brzine Sunca i planeta u nekom trenutku, tada bismo pomoću Njutnovih zakona mogli da izračunamo stanje Sunčevog sistema u bilo kom drugom vremenu. Determinizam izgleda prilično očigledan u ovom slučaju, ali Laplas je otišao i korak dalje, utvrdivši da postoje slični zakoni koji upravljaju svim ostalim oblastima, uključujući tu i ljudsko ponašanje.

Doktrini naučnog determinizma odlučno su se usprotivili mnogi autori koji su bili mišljenja da se ovim sputava sloboda Boga da utiče na svijet, ali ona je ipak formalno ostala na snazi u nauci sve do ranih godina XX vijeka. Jedan od prvih pokazatelja da će ovo uvjerenje morati da bude napušteno usledio je kada je iz proračuna britanskih naučnika lorda Rejlija i sera Džejmsa Džinsa proizašlo da neki topli objekat, ili telo, kakva je zvijezda, mora da zrači energiju u beskonačnom obimu. Saglasno zakonima u čiju se ispravnost vjerovalo u to vrijeme, jedno toplo telo trebalo je da odašilje elektromagnetne talase (kao što su radio-talasi, vidljiva svjetlost ili rendgenski talasi) ravnomerno na svim frekvencama. Primjera radi, toplo telo trebalo bi da zrači istu količinu energije na frekvencama između jedan i dva miliona talasa u sekundi, kao i na frekvencama između dva i tri miliona talasa u sekundi. Budući da je frekvenca talasa neograničena, to bi značilo da je ukupna energija zračenja beskonačna. Da bi izbegao ovaj očigledno besmislen ishod, nemački naučnik Maks Plank izložio je 14. decembra 1900. godine zamisao da svjetlost, rendgenski zraci i ostali talasi ne bivaju emitovani u proizvoljnom obimu, već samo u određenim paketima koje je on nazvao kvantima. Osim toga, svaki kvant ima određenu količinu energije koja je tim veća što je veća frekvenca talasa, tako da bi na dovoljno visokoj frekvenci emitovanje samo jednog kvanta zahtevalo više energije nego što je uopšte raspoloživo. Prijema tome, zračenje na visokim frekvencama bilo bi smanjeno, a i stopa kojom tijelo gubi energiju bila bi konačna.

Kvantna hipoteza sasvim je dobro objasnila izmjerenu  količinu emitovanog zračenja toplih tijela, ali njen uticaj na determinističku doktrinu bio je shvaćen tek 1926. godine, kada je jedan drugi nemački naučnik, Vjerner Hajzenberg, formulisao svoje znamenito načelo neodređenosti. Da bi se predvidjeli budući položaj i brzina neke čestice, potrebno je tačno izmjeriti njen sadašnji položaj i brzinu. Očigledni način da se to učini jeste osvijetliti česticu. Čestica će reflektovati jedan dio talasa svjetlosti, što će ukazati na njen položaj. No, položaj čestice neće se moći tačnije odrediti nego što iznosi razmak između dva brijega svjetlosnog talasa, tako da je potrebno koristiti svjetlost kratkih talasnih dužina da bi se prijecizno odredio položaj čestice. Prijema Plankovoj kvantnoj hipotezi, međutim, ne može se upotrebiti proizvoljno mala količina svjetlosti; treba uzeti bar jedan kvant. Ovaj kvant će poremetiti česticu i promijeniti njenu brzinu na način koji  ne možemo predvideti. Štaviše, što tačnije merimo položaj, to  treba  koristiti kraće  talasne dužine svjetlosti, pa je tako veća i energija jednog kvanta. A time će i brzina čestice biti u većoj meri poremećena. Drugim rečima, što tačnije pokušavate da izmerite  položaj čestice, to manje prijecizno možete izmeriti njenu brzinu i obrnuto. Hajzenberg je pokazao da proizvod neodređenosti položaja čestice, neodređenosti brzine čestice i mase čestice ne može biti manji od određene veličine koja je poznata kao Plankova konstanta. Ovo ograničenje ne zavisi od načina na koji pokušavate da izmerite  položaj  ili  brzinu čestice, kao ni od tipa  čestice.  Hajzenbergovo  načelo  neodređenosti  prijedstavlja temeljno,  neumitno  svojstvo  svijeta.

Načelo neodređenosti izvršilo je veoma važan uticaj na naš način viđenja svijeta. Čak ni sada mnogi filozofi još nisu postali svesni ovog uticaja, tako da je on i dalje prijedmet ozbiljnih kontrovjerzi. Načelo neodređenosti označilo je kraj sna o jednoj teoriji nauke, o   jednom   modelu   Univjerzuma   koji   bi   bio   potpuno deterministički : sasvim je izvesno da se ne mogu tačno predviđati budući događaji, ako se ne može prijecizno izmeriti čak ni trenutno stanje Univjerzuma ! Nov pogled na stvaran svijet omogućio je Hajzenbergu, Ervinu Šredingeru i Polu Diraku da tokom dvadesetih godina XX vijeka prijeformulišu mehaniku u jednu novu teoriju koja je dobila naziv kvantna mehanika i koja se temelji na načelu neodređenosti. U ovoj teoriji, čestice više nemaju zasebne i sasvim određene položaje i brzine koji se ne mogu posmatrati. Umesto toga,

one imaju kvantno stanje koje prijedstavlja kombinaciju položaja i brzine. Ustvari, u kvantnoj teoriji čestice više nisu samo čestice, a talasi nisu samo talasi, kvantna teorija uvodi dualnu prirodu materije po kojoj se svakoj čestici pripisuje talas određene frekvence, a svakom talasu se pripisuje odgovarajuća korpuskularna struktura.

Uopšteno govoreći, kvantna mehanika ne predviđa jedinstven i određen rezultat nekog posmatranja. Naprotiv, ona predviđa veći broj različitih mogućih rezultata i govori nam o tome kakvi su izgledi svakog od njih. Drugim rečima, ukoliko se prijeduzme isto mjerenje

na velikom broju sličnih sistema, koji su svi započeli na isti način, ustanoviće se da će rezultat mjerenja biti A u izvesnom broju slučajeva, B u nekom drugom broju i tako dalje. Moguće je predvideti približan broj puta kada će rezultat biti A ili B, ali se ne može predvideti poseban rezultat nekog pojedinačnog mjerenja. Kvantna mehanika, dakle, uvodi neizbežan elemenat nepredvidljivosti ili nasumičnosti u nauku. Ajnštajn se ovome veoma protivio, uprkos važnoj ulozi koju je sam odigrao u razvoju ove zamisli. On je, naime, dobio Nobelovu nagradu upravo za doprinos postavljanju kvantne teorije. No, Ajnštajn nikada nije prihvatio ideju da Univjerzumom vlada slučajnost; njegovo gledanje na ovu stvar sažeto je iskazano u znamenitoj rečenici: "Bog se ne igra kockicama !" Većina drugih naučnika, međutim, bila je sprijemna da prihvati kvantnu mehaniku zato što se ona savršeno slagala sa nalazima eksperimenata. I stvarno, bila je to izuzetno uspela teorija, koja stoji u temelju gotovo cijelokupne moderne nauke i tehnologije. Ona upravlja ponašanjem tranzistora i integrisanih kola, koji prijedstavljaju ključne delove elektronskih uređaja kao što su televizori i računari, a u osnovi je i moderne hemije i biologije. Jedina područja fizike u koja kvantna mehanika još nije prikladno uvedena jesu gravitacija i makrokosmičko uređenje Univerzuma.