My caricature

 

Ark's Homepage

Publications

Curriculum Vitae

What's New

Physics and the Mysterious

Event Enhanced Quantum Physics (EEQT)

Quantum Future

My Kaluza-Klein pages

Links to my other online papers dealing with hyperdimensional physics

QFG Site Map

Wprowadzenie
Poniższy tekst napisany został przed ponad dziesięciu laty. Patrząc nań dzisiaj, z perspektywy czasu, zdumiewam się jak bardzo okazał się proroczy, jak wiele z moich marzeń, planów i nadzieji z tamtego czasu już się spełniło. Jak moje "pobożne życzenia" stały się realiami. Lub może, mniej bezosobowo, jam mi się udało te moje wizje zrealizować. Nie wszystkie jednak. Najtrudniejsze jest jednak wciąż przed nami. Jesteśmy bliżej, lecz wciaż jeszcze daleko. O tym, co już zostało zrealizowane, w jaki sposób, a także o tym co jest jeszcze przed nami - o tym i innych rzeczach także, chcę napisać w dalszych częściach tej serii. Chcę to napisac dla polskiego Czytelnika, by choć po trosze zrekompensować trudności wynikającego z faktu, że wszystkie moje publikacje naukowe, a także moje pozostałe strony internetowe na Kasiopei są po angielsku. Dla informacji: Kasiopeia to miejsce w Internecie, moje i Laury (moje Żony). Publikacje Laury są pod adresem http://www.cassiopaea.org/cass/, moje zaś strony pod adresem http://www.quantumfuture.net/quantum_future/, choć jest to podział tylko umowny i orientacyjny. Prowadzimy też witrynę z codziennymi wiadomościami "Znaki Czasu", a powoli, przy pomocy chętnych, tworzy się odpowiednik w języku polskim. Ah, skąd się wzięła nazwa "Cassiopaea?" Wzięła sie z konstelacji o tejże nazwie .... ale o tym w przyszłości (lub przeczytajcie Wstęp ) Dalsze strony z tej serii pewnie pojawią się jeszcze pod koniec listopada 1999. Link będzie u dołu tej strony.

BIOELEKTRONIKA
MATERIAŁY VI SYMPOZJUM
Katolicki Uniwersytet Lubelski, 20-21 XI 1987 r.
W. Sedlak, J. Zon, M. Wnuk (red.)
Redakcja Wydawnictw KUL, Lublin 1990

English summary
 

BIOELEKTRONIKA W OCZACH FIZYKA TEORETYKA
 

Arkadiusz Jadczyk

1. Wstęp

Pierwotnie sugerowany przez Organizatorów Sympozjum temat (i tytuł) niniejszego referatu brzmiał „Status metodologiczny bioelektroniki jako dziedziny teoretycznej". Zarówno tytuł jak i temat musiały ulec zmianie. Autor nie sprostał stawianym mu zadaniom. Nie jest też ani sedzią ani prorokiem. Jest fizykiem teoretykiem - i to nie całkiem typowym. Jest tym, który szuka. Koniecznym zatem wydaje sie uprzedzenie, że wyrażone w dalszym ciągu poglądy, jak równiez towarzyszące im zabarwienie emocjonalne, noszą charakter subiektywny. Za niektóre z wyrażonych opinii piszącemu te słowa grozi, być może, zjedzenie przez niektórych Kolegów - fizyków. Inni nazwą go marzycielem. Niemniej przedstawiony w dalszym ciągu materiał odpowiada najgłębszym przekonaniom autora. Dziś biologia wyciąga rękę szukając pomocy w fizyce. Autor - fizyk wyciąga, szukając wsparcia, rękę do biologii. Czy ręce te mają szansę się spotkać?

1.1. Ślepa uliczka

Co powoduje, że fizyk specjalizujący się w matematycznych metodach fizyki wysokich energii, który co roku starał się spędzić pewną część czasu w Hamburgu czy Genewie - dwóch największych europejskich ośrodkach fizyki wysokich energii, przybywa oto do Lublina? Powodów jest kilka. Jednym z nich, chyba najistotniejszym, jest uświadomienie sobie faktu, że fizyka wysokich energii, fizyka cząstek elementarnych, fizyka aż do chwili obecnej uwżana za fundamentalną, znalazła się w ślepej uliczce. Ostatnimi istotnie nowymi ideami były tu: szczególna i ogólna teoria względności (Einstein 1905-1912) oraz teoria kwantów (Bohr, Schroedinger, Heisenberg,Dirac, 1913-1928). Teorie te, oparte na diametralnie różnych koncepcjach rzeczywistości i formalizmach, są dziś tak samo odległe od siebie jak sześćdziesiąt lat temu. Mimo ogromnego wysiłku nie udało się zbudować spójnej teorii obejmującej teorię względności i teorię kwantów. Fizycy aktywnie uczestniczący w tych przedsięwzięciach przeżywali przypływy nadziei i rozczarowania w dość regularnych, mniej więcej dziesięcioletnich, odstępach czasu. Ostatnią niespełnioną nadzieją była "wielowymiarowa supergrawitacja". Aktualnie cały prawie kapitał postawiony został na "teorię pola superstrunowego". Do końca dziesięcioletniego okresu pozostało jeszcze pięsć lat. Co będzie następnym "przebojem"? Przyglądając się rozwojowi wydarzeń z pewnego dystansu uderza tragizm sytuacji. Widać bowiem wtedy, że nie mamy tu do czynienia z budowaniem solidnego gmachu nauki. Odbywa się tu raczej lepienie wielkiej śnieżnej kuli.

1.1. Lepienie śnieżnej kuli

Tragiczne jest przede wszystkim to, że kula toczona jest przez rzesze najzdolniejszych fizyków naszych czasów. Popychają ją nie zawsze zgodnie i w tą samą stronę, obserwując z uwagą gesty koryfeuszy balansujących z trudem na ruchomym wierzchołku kuli, skąd zdaje się być widocznym cel. Ale kolejny "cel" okazuje się być raz jeszcze jedynie zwykłym fragmentem krajobrazu. Z czasem kula-zlepek, kula konglomerat, staje się tak ciężka, że - tocząc się z coraz większym trudem - zaczyna pękać pod własnym ciężarem. Fachowcy wysokiej klasy dolepiają w pośpiechu z powrotem kawałki,które odpadły i zasklepiają szczeliny. Teoretycznie, im większa kula tym dalej widać po wdrapaniu się na nią. Lecz coraz trudniej się na jej wierzchołek dostać i coraz groźniejszy z niego upadek. Tym bardziej przesłania też widok pchającym - coraz mniej jest więc tych, którzy wiedzą co czynią (zresztą, z reguły, wiedza taka w karierach młodych badaczy nie bardzo jest przydatna). Rządy najbogatszych państ świata wydają na tę "zabawę" miliony. Powstaje kolejny gigant-akcelerator. Dziś moda na superstruny! Są pieniądze na superstruny! Trzeba więc robić superstruny! Nazywa się to "badaniami fundamentalnymi". Fizyka wysokich energii buduje więc od lat sześćdziesięciu fundament fundamentów .... z pozlepianego śniegu, a także ze śmiecia co się przypadkiem doklei po drodze!

2. Fizyka i biologia

Mam przed sobą dwie książki. Jedna przetłumaczona z rosyjskiego na angielski i wydana w Nowym Jorku. Druga przetłumaczona z angielskiego na rosyjski, wydana w Moskwie. Różni autorzy, krańcowo różne miejsca publikacji, uderzająco różna treść. Pierwsza ma tytuł "PHYSICS AND BIOLOGY" [15]. Akademik M.V. Volkenstein stwierdza w niej autorytatywnie co jest, a co nie jest nauką. Do "pseudonauki" zalicza m.in. "Szczególne elektroniczne własności - półprzewodnictwo (a nawet nadprzewodnictwo) - biopolimerów i całych układów biologicznych", "fikcyjne pojęcie bioplazmy", "istnienie pól nieznanych fizyce", "biologiczne znaczenie szczególnych rodzajów słabego promieniowania", "biologiczną informację". Gdyby Akademik Volkenstein miał na to wpływ, to Sympozjum takie jak to byłoby zakazane. Tytuł książki drugiej, w oryginale "ADVANCED COMPUTERS, PARALLEL AND BIOCHIP PROCESSORS" [9], został zmieniony przy tłumaczeniu na "Wyczislitielnyje Masziny Buduszcziego". Grupa amerykańskich naukowców z MIT (Massachusetts Institute of Technology) przedstawia w drugiej części tej książki perspektywy "bioelektroniki", którym to mianem, określają oni głównie zastosowanie materiałów i procesów biologicznych (jak technologia biokryształów) do konstrukcji układów elektronicznych o bardzo wysokiej skali integracji. Jak trzeźwo zauważają "dalszy rozwój bioelektroniki zależeć będzie od charakteru i tempa postępu naukowo-technicznego, jak również od popytu na urządzenie bioelektroniczne". Swoje przewidywania opierają na aktualnym stanie wiedzy i założeniu, że "fizyka teoretyczna fazy skondensowanej i fizyka półprzewodników jest ugruntowaną i zamkniętą dziedziną". Było to w roku 1982. Po odkryciu doświadczalnym wysokotemperaturowego nadprzewodnictwa, dawne oceny i przewidywania muszą ulec przewartościowaniom. W laboratoriach na całym świecie wre praca nad znalezieniem nowych nadprzewodników i zapewnieniem stabilności nadprzewodnictwa w temperaturach pokojowych. Teoretycy którzy poprzednio - poza nielicznymi wyjątkami - zgodni byli co do tego, że "jak wynika z elementarnych zasad, nadprzewodnictwo wysoko-temperaturowe jest niemożliwe", dzisiaj pokornie spuszczają głowy, odkurzają dawno zarzucone teorie, i nadal nie mogą zrozumieć dlaczego "ugruntowana i zamknięta dziedzina" okazała się raptem tak bardzo bezradna.

2.1. Nowa fizyka

Na naszych oczach otwierają się drzwi wiodące z fizyki do biologii, rodzi się nowa fizyka - fizyka układów złożonych. Jest jeszcze w powijakach. Nie wypracowała sobie jeszcze własnych metod. Metody zapożyczane z fizyki statystycznej i z fizyki fazy skondensowanej okazują się zwykle niewystarczające już u samego początku. Czy jest to zresztą jeszcze fizyka? To pomieszanie metod wziętych z fizyki i informatyki i zastosowanych do układów imitujących układy biologiczne. Powoli i z trudem otwiera się nowy horyzont. Eksperymenty komputerowe wskazują na nowe, nieprzeczuwane dotąd prawidłowości. Tworzą się nowe pojęcia. Dziewiczy teren czeka na swych pionierów. Przygoda kusi. Jednym z ważniejszych obiektów matematycznych w teorii strun jest "algebra Virasoro". Dzisiaj profesor Virasoro jest pochłonięty teorią układów samoorganizujących się i sieci neuronowych. Większość czasu spędza przy komputerze. Nie jest wyjątkiem. Niemniej teoria zaczyna dopiero raczkować. Jest na etapie prostych modeli klasycznych. Tymczasem zjawiska kolektywne, a z takimi mamy prawdopodobnie do czynienia w złożonych układach biologicznych, otrzymują zupełnie nowe wymiary przy opisie kwantowym. W jakim stopniu możemy się jednak spodziewać, że uwzględnienie praw kwantowych okaże się pomocne do wyjaśnienia zagadki życia, jeśli fizycy nie są tak całkiem pewni statusu metodologicznego samej mechaniki kwantowej?

2.2. Kwantowy szew życia

Jesteśmy świadkami łamania się obowiązującego w biologii paradygmatu, według którego życie można i trzeba sprowadzić do chemii. Jasno określa nowe kierunki natarcia W. Sedlak ([11], str. 13) gdy pisze: "Życie można więc określić jako proces o naturze kwantowej wyrażający sprzężenie reakcji chemicznych ze zjawiskami elektronicznymi w białkowo-nukleinowym substracie półprzewodzącym". I dalej, przedstawiając prognozę fizyki życia ([11], str 29): "Musi to być fizyka kwantowa (...). Opis będzie niezwykle trudny, gdyż musi uwzględniać od razu dwa sprzężone zdarzenia kwantowe - chemiczne i elektroniczne. Opis bowiem dokonuje się na kwantowym szwie obu procesów. Tu rozgrywa się w najniższej instancji życie."

Jest jasne, że sama chemia nie wystarcza do wyjaśnienia działania najprostzego obwodu złożonego z akumulatora i podłączonej do niego świecącej się żarówki. Trzeba dołączyć jeszcze przynajmniej tę część fizyki, która zajmuje się promieniowaniem. Czy jednak chemia razem z fizyką, nawet kwantów, wystarczą do dokonania istotnego postępu w wyjaśnieniu zjawisk biologicznych, w szczególności samego zjawiska życia? Autor niniejszego tekstu nie w pełni podziela optymizm W. Sedlaka, który zdaje się wierzyć, że takżę świadomość da się wyjaśnić na gruncie kwantowej teorii stanów kolektywnych w układach żłożonych. Na "kwantowym szwie" rozgrywają się prawdopodobnie istotne dla życia procesy życiowe. Ale czy życie samo jest tylko sumą procesów życiowych? Czy też jest czymś więcej, nową jakością? A jeżeli tak to jaką?

3. Mechanika kwantowa

Piszący tesłowa wie niewiele, prawie nic o biologii. Jest tylko fizykiem, który większość część życia spędził studiując dzieła innych fizyków, starając się dołozyć swoją małą cegiełkę do tego co już wiadomo. A pozostałą jego część - na rozmyślaniach nad tym, jak mało w istocie wiemy i jak - w dodatku - niepewne jest i to niewiele, które wiemy. Zatem nie rości sobie pretensji do pojmowania rzeczy, które znajdują się poza obrębem jego dotychczasowych aktywnych dociekań.(patrz Nota 1) Jeżeli mimo to ośmiela się wypowiadać na tematy tak bardzo wykraczające poza granicę jego kompetencji, to dlatego, że wydaje mu się, iż dostrzega coś istotnego. Coś na co należy zwrócić uwagę. Werner Heisenberg, w rozdziale "Rozmowy o związku między biologią, fizyką i chemią" swojej książki "CZĘŚĆ I CAŁOŚĆ" [7], relacjonując dyskusję z Nielsem Bohrem, przytacza takie jego słowa: "W naukach przyrodniczych zawsze dobrą polityką jest pozostawanie na tyle konserwatywnym, na ile to tylko możliwe i tworzenie rozszerzeń dopiero pod naciskiem obserwacji nie dających się wyjaśnić w inny sposób." Przedstawione poniżej (w p. 3.2.) spekulacje będą jawnym naruszeniem tej zasady. Decydując się na ich publikację wziął autor pod uwagę te słowa: "Tego dnia ujrzawszy, jak ktoś pracował w szabat, rzekł doń: 'Człowieku, jeśli wiesz co czynisz - jesteś błogosławiony, jeśli zaś nie wiesz - jesteś przeklęty i przestępcą Prawa" [1]

3.1. Mechanika kwantowa - stan dzisiejszy

Mechanika kwantowa powstała w pierwszym ćwierćwieczu bieżącego stulecia w wyniku usilnych poszukiwań nowego aparatu matematycznego i pojęciowego zdolnego wyjaśnić złożone widma wypromieniowywane przez pobudzone atomy. Bardzo szybko zakres jej stosowalności nadspodzianie się rozszerzył i wkrótce zaczęła być (z powodzeniem) stosowana do niemal wszystkich zagdnień mikroświata. Od samego początku jednak, obok sukcesów w przewidywaniu wyników kolejnych eksperymentów, towarzyszyły jej spory natury filozoficznej i metodologicznej. W różnych okresach czasu spory te cichły i wybuchały na nowo. W ostatnim dziesięcioleciu dyskusja ponownie przybrała na sile, a to z dwu powodów. Po pierwsze, kiedy stanęła na porządku dziennym sprawa ewentualnego małżeństwa mechaniki kwantowej z ogólną teorią względności Einsteina, pojawił się problem iterpretacji "funkcji falowej Wszechświata". Po drugie, rozwój metod eksperymentalnych spowodował, że możliwe stały się eksperymenty z pojedynczymi obiektami kwantowymi. Tego rodzaju doświadczenia (podobnie zresztą jak kosmologiczne "doświadczenie" Przyrody z pojedynczym Wszechświatem, w którym żyjemy) nie bardzo dają się wtłoczyć w ramy aparatu pojęciowego mechaniki kwantowej. (patrz Nota 2)

Przystępując do scharakteryzowania aktualnego stanu mechaniki kwantowej zacznijmy od podkreślenia, że przynajmniej tam, gdzie nie mamy do czynienia ze zbyt wielkimi prędkościami i zbyt silnymi polami, jest to teoria która "działa", i to nad podziw sprawnie. Tak wiele zjawisk fizycznych jest tak zdumiewająco dobrze opisywanych przez mechanikę kwantów, że te, które się temu opisowi wymykają odkładane są po prostu "ad acta" jako takie czy inne "kurioza". Tym sukcesom mechaniki kwantowej towarzyszy jednak od samych jej narodzin pewien rodzaj "szoku metodologicznego" - szoku którego siła stopniowo zanikała, tak jak stępieniu ulega z biegiem czasu uczucie ciągłego bólu. Szok ów był spowodowany uświadomieniem sobie faktu, że mechanika kwantowa wydaje się cenzurować nasze istotne i logicznie sensowne pytania. "Czy elektron jest cząstką czy falą?". To pytanie jest określone jako "pozbawione sensu". Z tym jeszcze bylibyśmy skłonni się pogodzić. Lecz jako "pozbawione sensu" kwalifikowane są również następujące pytania: "Czym jest elektron?", "Przez którą ze szczelin przechodzi, kiedy nie jest obserwowany?", "Co robi elektron między jedną a drugą obserwacją?". Kiedy w końcu otrzymujemy tę samą odpowiedź: "pozbawione sensu" także na pytania: "Dlaczego ten a nie inny atom rozpada się w tej a nie innej chwili?" i "Jak przebiega w czasie rozpad atomu?", zaczynamy podejrzewać, że system pojęciowy mechaniki kwantowej, jeśli nawet nisprzeczny, nie jest może tak pełny i doskonały, jak to o sobie utrzymuje. W istocie, po bliższej anlizie okazuje się, że jako mające sens kwalifikowane są tei tylko te pytania, na które mechanika kwantowa może dać odpowiedź. Jest jednak, jak się wydaje, wiele innych pytań, o których sensowności świadczy fakt, że daje na nie co chwila odpowiedź sama Przyroda! I tak - po pierwszym okresie uniesień - zaczynamy dostrzegać wady "doskonałej teorii". Opinie ekspertów są przy tym podzielone.... Jedni są zdania, że sama teoria jest w porządku, że brak nam po prostu właściwej interpretacji. Ci zaś, którzy winią teorię, różnią się - często krańcowo - w stawianych diagnozach. Autor skłania się ku poglądowi, że podstawowym niedostatkiem mechaniki kwantowej jest to, że nia ma ona nic do powiedzenia o pojedynczych zdarzeniach. Tymczasem świat wydaje się być utkany właśnie ze zdarzeń.

Innym mankamentem mechaniki kwantowej jest to, że nie jest ona w stanie opisać samego procesu pomiaru. (patrz Nota 3) Nie jest więc teorią zamnkniętą. Można uczynić z tego, jak to pragmatycznie obwieścił N. Bohr,: "tak jest - bo tak być musi!". Można jednak próbować pójść drogą wskazaną przez E. P. Wignera, który usiłując znaleźć wyjście ze wspomnianych trudności mechaniki kwantowej, konkluduje swe rozważania tak [19]: "...Ta droga wyjścia z trudności to nic innego niż zapostulowanie, że równania ruchu w mechanice kwantowej nie są liniowe, w istocie zaś, że są one istotnie nieliniowe, kiedy pojawia się na scenie świadomość." Jako leżące w "bezpiecznym środku" pomiędzy obu skrajnościami wymienić należy poglądy J. A. Wheelera. Z jednej strony przejmuje on od Bohra i Heisenberga - a nawet znacznie wzmacnia - tę część paradygmatu mechaniki kwantowej, w której pytanie "co zachodzi pomiędzy dwoma aktami obserwacj?" kwalifikowane jest jako bezsensowne. Pisze więc z naciskiem: "żadne elementarne zjawisko nie jest zjawiskiem dopóki nie jest zarejestrowanym (zaobserwowanym) zjawiskiem [16]. Pisze też jednak: "Odkrycie przez Plancka w r. 1900 kwantu wywołało pęknięcie w zbroi, którą wciąż są okryte najgłębsze zasady istnienia. W eksploatacji tego pęknięcia jesteśmy na początku a nie na końcu [17], jak również: "Elementarne zjawisko kwantowe jest najdziwniejszym z rzeczy w tym dziwnym świecie. Jest dziwnym, ponieważ ma wbudowany w siebie dychotomiczny (tak-nie) charakter - jeden bit sensu. Jest dziwnym, ponieważ jest zabarwione informacyjno-teoretycznym barwnikiem bardziej niz cokolwiek innego w całej fizyce. Ta dziwność sprawia, że naturalnym staje się nie tylko pytanie: co leży poza i u podstaw elementarnego zjawiska kwantowego, lecz również: jaka jest jego rola w budowaniu wszystkiego co jest?" [18].

3.2. Mechanika kwantowa - jutro

Żyjemy na przełomie wieku. Spod znaku Ryb wchodzimy w znak Wodnika. Z wieku Pary i Elektryczności w wiek Komputerów i Informacji. Opanowaliśmy - niechby tylko częściowo - światło, przychodzi dziś czas na Słowo. Nie mamy przy tym - co podkreślić należy z całą mocą - innej alternatywy poznania aniżeli poprzez - sprawdzoną i doskonaloną przez stulecia - drogę i metodę naukową. Ale z tym samym naciskiem, jeśli nawet nie większym, stwierdzić trzeba, że nowe zadania stawiane przed nami przez czas wymagają odwagi myślenia i wyzbycia się wszelkich uprzedzeń.

Myśli przedstawione poniżej mają charakter spekulacyjny. Przewidywania mogą się sprawdzić lub nie. Idee mogą okazać się trafne lub chybione. Przyszłość pokaże czy punkty ciężkości zostały właściwie wybrane, czy impuls nadany został we właściwym momencie i we właściwym kierunku, czy program tu zarysowany zostanie choć w części zrealizowany. Najpierw - stawiane cele: chcielibyśmy wiedzieć nie tylko na czym polegają procesy życiowe i procesy umysłowe, ale takżę czym jest życie i w dalszej perspektywie - czym jest świadomość. Podstawowa teza autora tych spekulacji jest taka: dla zbadania i wyjaśnienia niemal wszystkich podstawowych procesów życiowych konieczna i wystarczająca jest matamatyka, fizyka, chemia i biologia w ich dzisiejszej postaci, tzn. bez wychodzenia poza aktualnie obowiązujący paradygmat. Szczególnie ważna będzie tu rola fizyki kwantowej. Jeżeli jednak będziemy chcieli postawić krok następny i odpowiedzieć na pytanie czym jest życie samo i czym jest świadomość - wtedy konieczne będzie dokonanie przełomu w obu dziedzinach: trzeba od podstaw zbudować teorię układów złożonych, oraz na bazie mechaniki kwantowej, zbudować nową teorię unifikującą procesy energetyczne i informacyjne. W pierwszej dziedzinie postęp dokonuje się dość szybko na pograniczu matematyki, fizyki, informatyki, cybernetyki, elektroniki i biologii. W drugiej - gdzie potrzeba przełamania panującego paradygmatu - panuje zastój od lat. Nieliczne próby skonstruowania nieliniowej mechaniki kwantowej [2,6,] nie znalazły wielu naśladowców. Tymczasem, zdaniem autora, teoria zdolna opisać nieodwracalne zdarzenia, teoria która jest w stanie sama siebie zinterpretować musi mieć nieliniowy charakter. Przykładem i wzorcem jest tu ogólna teoria względności Einsteina, gdzie właśnie dzięki nieliniowości równania ruchu dla cząstek próbnych wynikają automatycznie z równań pola i nie muszą być ad hoc postulowane. Na demistyfikację czeka problem redukcji pakietu falowego - postulowanej przez mechanikę kwantową skokowej zmiany stanu układu kwantowego w wyniku aktu pomiaru - obserwacji. Nieliniowość teorii wydaje się tu, zgodnie z sugestią Wignera - konieczna. Ale czy wystarczająca? Zdaniem autora tych rozważań - nie! Potrzebne jest prócz tego, jak już wspomniano wyżej, sprzężenie energii i informacji. Tu pojawia się związek z biologią, gdyż życie to nie tylko wymiana energii, lecz również - a może przede wszystkim - wymiana informacji. (patrz Nota 4). Czy jednak wymiana informacji nie da się w ostatecznym rozrachunku sprowadzić do wymiany energii? W pewnym sensie tak, w innym - dla nas tu ważniejszym - nie! Niech analogią i wzorcem będzie jeszcze raz ogólna teoria względności. Mamy tam od samego początku dualizm: podział na materię i geometrię. Pole grawitacyjne reprezentuje geometrię. Wszystkie inne pola razem wzięte - materię. (patrz Nota 5). Czy można materię sprowadzić do geometrii albo przeciwnie, geometrię do materii? Wszystkie dotychczasowe próby takiego "ujednolicenia na siłę" ogólnej teorii względności okazały się - jeśli nie liczyć efektów ubocznych - bezpłodne. Podobnie, dualizm energia - informacja może mieć charakter pierwotny. Ciągnąc tę analogię dalej: tak jak pole grawitacyjne zakrzywia czasoprzestrzeń (patrz Nota 6) tak pole informacji możę zakrzywiać przestrzeń stanów. Zmieniać geometrię przestrzeni stanów kwantowych. Umożliwiać przepływ energii i informacji nowymi kanałami. Teraz kwantowa materia otrzymuje godnego partnera, tak jak pole grawitacyjne jest godnym partnerem klasycznej materii. Tak jak pole grawitacyjne jest lokalne w czasoprzestreni, tak pole informacyjne jest lokalne w przestrzeni Hilberta, gdzie "blisko" oznacza "podobnie"(Nota 8). Geometria pola informacyjnego winna być, jak już powiedzieliśmy - geometrią nieliniową. Jedynie nieliniowość tłumaczyć bowiem może stabilność struktur takich jak struktura życia. Z fenomenem życia związać można by wtedy niezmiennik topologiczny (w rodzaju wiru) w nieliniowej geometrii pola informacji. Fizyczne i chemiczne procesy procesy życiowe byłyby wtedy sterowane kwantowym sprzężeniem pomiędzy informacją a materią. Mówiąc o "geometrii" trzeba zaznaczyć, że nie idzie tu o geometrię klasyczną, czyli taką, jaka wystarcza w teorii grawitacji Einsteina. Potzrebny jest pewien rodzaj geometrii kwantowej. Geometria taka znajduje się wszakże dopiero in statu nascendi ([5,20].

3.3. Światło

Niels Bohr podkreślał wielokrotnie paradoksalny aspekt teorii kwantów polegający na tym, że "z jednej strony formułujemy prawa różne od praw fizyki klasycznej, z drugiej strony w dziedzinie obserwacji, tam gdzie mierzymy lub fotografujemy, stosujemy pojęcia klasyczne bez wątpliwości. Musimy tak postępować, bo zdani jesteśmy przecie na język, kiedy nasze wyniki komunikujemy innym. Przyrząd pomiarowy jest bowiem tylko wtedy przyrządem pomiarowym, gdy można z wyniku obserwacji jednoznacznie wnioskować o obserwowanym zjawisku, gdy można zakładać ścisły związek przyczynowy. Jeśli jednak opisujemy teoretycznie zjawisko atomowe, to musimy w którymś miejscu dokonać cięcia między zjawiskiem a obserwatorem lub jego aparatem. Położenie cięcia może być, co prawda, różnie wybierane, jednak po stronie obserwatora musimy używać języka fizyki klasycznej, bo nie mamy innego, w którym moglibyśmy wyrażać nasze wyniki". ([7, str. 169]. Mechanika kwantowa jutra, nieliniowa mechanika kwantowa sprzęgająca materię i informację, będąca przedmiotem tych spekulacji, stawia sobie za cel włączenie obydwu aspektów, kwantowego i klasycznego, a także "cięcia" pomiędzy nimi, w jeden formalizm. W ten sposób "paradoks" o którym mówi Bohr, przestaje być paradoksem, a stanie się faktem mającym swój odpowiednik w teorii. Teoria taka, której zasadniczą ideę naszkicowaliśmy wyżej, musi objąć swymi ramami dwa krańcowo różne światy: świat kwantowy i świat klasyczny; lub - dokonując cięcia w innym kierunku - świat ciała (materii) i świat słowa (informacji). Róznice pomiędzy tymi dwoma aspektami rzeczywistości są jednak tak wielkie, że połączenie takie nie wydaje się możliwe bez pośrednictwa "katalizatora". Katalizatorem takim jest prawdopodobnie światło.

Dlaczego właśnie światło? (patrz Nota 9)Odpowiedź na to pytanie nie jest łatwa bez wgłębiania się w dość trudny formalizm kwantowej teorii pola. Chcąc - mimo to - oddać choćby posmak problemu, zacznijmy od tego, żę elektrodynamika kwantowa, to jest kwantowa teoria oddziaływania światła (tzn. pola elektromagnetycznego, fotonów) z naładowaną elektrycznie materią, boryka się z problemem "jak uczynić skończonymi wielkości, które wydają się być nieskończone". Można powiedzić, że teoria ta byłaby prawie że "doskonała", gdyby nie dwie "katastrofy": katastrofa nadfioletowa i katastrofa podczerwona. Katastrofa nadfioletowa nas tutaj nie interesuje, związana jest bowiem z problemem bardzo wysokich energii, bardzo małych odległości i bardzo wysokich temperatur. Katastrofa podczerwona, kyóra objawia się na drugim końcu skali energetycznej, związana jest z tym, że każdemu rzeczywistemu procesowi fizycznemu z udziałem elektrycznie naładowanej materii towarzyszyć musi "chmura fotonowa" złożona z bardzo wielkiej liczby fotonów o bardzo małej energii. Łączna energia tej chmury, jeśli mierzyć ją wzorcem energetycznym wyskalowanym na zero w całkowitej "próżni", jest nieskończona. Stąd termin "katastrofa". Dla nas najważniejszy jest tu fakt, że w "kształcie" chmury fotonowej jest zakodowana "klasyczna informacja". (W języku kwantowej teorii pola mówimy, że "koherentne stany podczorwone prowadzą do ciągłych reguł nadwyboru" lub, że "algebra obserwabli pola fotonowego ma nietrywialne centrum, którego elementy numerują reprezentacje podczerwone"). Dla pełności obrazu warto zauważyć, że "podczerwona chmura" składa się z fotonów o bardzo niskiej energii, a więc o bardzo dużej, makroskopowej (kosmicznej), długości fali. Fotony te, z jednej strony niepożądane ze względu na "nieskończoności" energetyczne, z drugiej wydają się być nieodzowne dla opisu przekazu informacji w trakcie kwantowo-mechanicznego procesu pomiarowego. I tutaj jednak teoria stawia dopiero pierwsze kroki ([13, 14]).

Noty:

1) Słowa powyższe są parafrazą pierwszych zdań przedmowy książki A. Carrela "Człowiek istota nieznana" [4] - książki, która odegrała swego czasu wielką rolę w ukształtowaniu zainteresowań, a także poglądów, autora niniejszego tekstu.

2) Problemom tym, stanowiącym niewątpliwie istotny element we współczesnym naukowym obrazie przyrody, nie możemy poświęcić tu więcej miejsca aniżeli wymaga tego zrozumienie idei wykładu.

3) Jest to w istocie jeden i ten sam problem, idzie bowiem znów o zdarzenie - rejestrację pomiaru.

4) Są doniesienia o tym, że żywe organizmy wydzielają w chwili śmierci energii w postaci promieniowania. Byłoby rzeczą interesującą stwierdznie czy wypromieniowywana jest przy tym również informacja.

5) Podział nie jest zresztą sztywny. W uogólnieniach teorii względności, różnych wersjach "jednolitej teorii pola", do geometrii zalicza się również pole elektromagnetyczne i inne pola cechowania. Niemniej dualny charakter, materia versus geometria (przy czym grawitacja włączona jest zawsze do geometrii) pozostaje.

6) Takie pole informacji mogłoby spełniać pewne funkcje przypisywane przez R. Sheldrake'a "polu morfogenetycznemu". [13]

7) "Lokalność" oznacza, że zaburzenia rozchodzą się poprzez bezpośredni wpływ na siebie w "sąsiednich" punktach.

8) Odpowiadałoby to penym koncepcjom C. G. Junga [8]

9) Na wyjątkową rolę światła w procesach życiowych zwraca uwagę W. Sedlak, między innymi w swojej książce Na początku było jednak światło [12].

LITERATURA

  1. Apokryfy Nowego Testamentu, Tom 1, s. 108, Towarzystwo Naukowe Katolickiego Uniwersytetu Lubelskiego, Lublin 1986.
  2. Bialynicki-Birula I., Mycielski J.: Nonlinear Wave Mechanics, Preprint 1976.
  3. Buchholz D.: informacja ustna.
  4. Carrel A.: Człowiek istota nieznana, Trzaska, Evert I Michalski S.A., Warszawa, (Biblioteka Wiedzy, Tom 32).
  5. Connes A.: C*-algebres et geometrie differentielle, C.R. Acad. Sc. Paris, 290(1980), 599-604.
  6. Haag, R., Bannier U.: Comments on Mielnik's Generalized (Non Linear) Quantum Mechanics, Commun. Math. Phys. 60(1978), 1-6.
  7. Heisenberg W.: Rozmowy o związku między biologią, fizyką I chemią, w: Część I całość, s. 137-153, PIW, Warszawa 1987.
  8. Jung C.G.: Synchronicity. An acausal Connecting Principle, Routledge & Kegan Paul, London 1972.
  9. Lord N.W., Girogosian P.A., Quelette R.P., Clerman R.J., Cheremisinoff P,N.: Wyczislitielnyje masziny buszcziewo, Mir, Moskwa 1987
  10. Mielnik B.: Commun. Math. Phys. 37 (1974), 221-256.
  11. Sedlak W.: Postępy fizyki życia, PAX, Warszawa 1984.
  12. Sedlak W.: N apoczątku było jednak światło, PIW, Warszawa 1986.
  13. Sheldrake R.: A new science of life. The hypothesis of formative causation, Paladin, London 1981.
  14. Stapp H.P.: Light as the foundation of being, Preprint no LBL-19144, Lawrence Berkeley Laboratory 1985
  15. Volkenstein M.V.: Physics and Biology, Academic Press, New York 1982
  16. Wheeler J.A.: Beyond the Black Hole, w: Some Strangeness in the Proportion; A Centennial Symposium to Celebrate the Achievements of Albert Einstein, s. 341-375, Addison-Wesley, Reading, Massachusetts, 1980
  17. Wheeler J.A.: The Computer and the Universe, Int. J. Theor. Phys. 21 (1982),557-572
  18. Wheeler J.A.: Bits, Quanta, Meaning w: Problems in Theoretical Physics, A. Giovannini, F. Mancini and M. Marinaro, (eds), University of Salerno Press 1984
  19. Wigner E.P.: Remarks on the Mind-Body Question, w: The Scientist Speculate, ed. I.J. Good, Heinemann, London 1962, 284-302
  20. Woronowicz S.L.: Twisted SU(2) Group, An example of Non-Commutative Differential Calculus, RIMS (Publ of the Res. Inst. Math. Sci. Kyoto Univ., 23), 1987, 171-181
English summary:

A subjective view of the author on the present status of theoretical physics and bioelectronics is presented. A believe is expressed that nearly all essential life processes can be explained by a joint effort of mathematics, physics, chemistry and biology in the framework of the actual paradigm. It is also pointed out that, in the author's opinion, in order to explain the phenomenon of life itself as well as that of consciousness, we need a new theory of complex and selforganized systems, and also a new theory uniting quantum matter with information fields. While the first theory is developing rapidly in recent years, the second one needs a radical change in the foundations of quantum theory. One may need to this end to implement Wigner's ideas of nonlinear quantum evolution equations, and to take into account the essential role of light in mediating between classical and quantum universes and in quantum-theoretical description of "events" and "measurements".


 
 

Patrzac z perspektywy czasu...
Komentarz dodany 26 listopada 1999 roku

Ilekroć czytam powyższy tekst, zdumiewam się jak bardzo był proroczy. Sympozjum odbyło sie w listopadzie 1987 roku. W czerwcu 1990 r., we Florencji, naszkiccowałem plan pracy na najbliższe lata. Poparcie dla tego planu wyraził Philippe Blanchard, i w rok później, w czerwcu 1991 r., w Bielefeld, rozpoczęliśmy realizację części tego planu. Jeszcze rok później wysłaliśmy do publikacji naszą pierwszą wspólną pracę - narodziła się "Wzmocniona Teoria Kwantów", po angielsku "Event Enhanced Quantum Theory" lub, krótko, EEQT. Powiązaliśmy w tej teorii dwa światy: świat klasyczny i świat kwantowy. Wciąż jednak była to teoria liniowa. Wciąż jescze nasze równania opisywały jedynie zespoły statystyczne i byliśmy w stanie zrozumieć jak działa Przyroda, jak decyduje o tym w którym momencie rozpada się dany atom, w którym momencie emitowany lub pochłniany jest foton. Nasze równania były, jak się nam wydawało dobre, a jednak nie wiedzieliśmy jak wycisnąć z nich więcej. Jak wydusić z nich opis indywidualnych układów kwantowych. Przełom nastąpił jeszcze rok póxniej, w czerwcu 1993 r., w istocie całkiem przypadkowo ( a może nie całkiem ...) udało nam się dokonać przełomu. Pamiętam ten moment dobrze. Buszowałem po bibliotece uniwersytetu w Bielefeld, brałem do ręki to tę, to inną książkę, to z tego to z innego działu, aż w końcu wyciągnąłem niepokaźną, cienką książeczkę, lub raczej niepokaźny skrypt - były to wykłady M. H. Davis'a o "stochastycznej kontroli i nieliniowym filtrowaniu", wydane w 1984 roku przez Tata Instytut w Bombaju! Mała, żołta, cienka książeczka, wydana pewnie metodą małej poligrafii. Otwarłem ją na przypadkowej stronie ... i zdecydowałem wypożyczyć ją by zobaczyć dokładniej o co tam chodzi. 
Zacząłem czytać... Na początku nie rozumiałem prawie niczego, jednak miałem wrażenie, że jest jakiś związek pomiędzy naszą EEQT (wtedy jeszcze nazwa EEQT nie istniała) a jednym z rozdziałów monografii Davisa. Sama monografia dotyczyła procesów ekonomicznych. Takich jak krach na giełdzie. Śledząc zachowanie się giełdy przez dłuższy okres czasu widzimy, że ceny akcji to rosną, to maleją, przez długi czas zmieniają się w sposób ciągły. Aż tu raptem przychdzi KRACH. Zmiana nieciągła. A potem znów następuje okres ewolucji ciągłej. Można do tego próbować podchodzić przez teorię katastrof. Davis zaś, w jednym z rozdziałów swojej ksiażeczki, zajął się szczególną klasą procesów losowych pasujących do tego rodzaju zachowań. Nigdy nie czułem się dostatecznie umotywowany by przebrnąć przez resztę jego książki, jednak ten jeden rozdział zacząłem studiować z ołówkiem w ręku. Starałem się zrozumieć definicje i twierdzenie - jako że w rozdziale było jedno jedyne twierdzenie. I czułem, że twierdzenie to jest tym, czego nam brakuje..... Upłynęło kilka dni zanim zacząłem naprawdę pojmować o co chodzi. Davis rozważał proces kawłkami deterministyczny proces losowy, z ciągłą ewolucją przerywaną skokami, i podał formę generatora tego procesu. Generator ten miał część różniczkową i część "całkową" - ta ostatnia odpowiedzialna jest za skoki. I ta dodana część całkowa wyglądała, po bliższym przyjrzeniu się, jak dodatkowe człony do Hamiltonowskiej ewolucji, które wprowadziliśmy do EEQT! Trzeba było tylko przestrzeń płaską, którą rozważał Davis, zastąpić sferą jednostkową w przestrzeni Hilberta! Był też dodatkowa trudność: w mechanice kwantowej wartości średnie wszystkich obserwabli oblicza się biorąc iloczyny skalarne. Wartości średnie są zatem, w mechanice kwantowej, zawsze biliniowe w funkcji falowej. Natomiast, by móc zastososwać twierdzenie Davisa musielibyśmy mieć do dyspozycji wszelkie możliwe funkcjonały od funkcji falowej. Tak to już jest, że w mechanice kwantowej klasa obserwabli jest dość uboga! I to właśnie odróżnia teorię kwantową od teorii klasycznej. Rezultat tej ubogości był, w naszym przypadku, taki, że twierdzenie Davisa mogliśmy zastosować tylko w jedną stronę! Mianowicie proces losowy opisywany algorytmem stochastycznym Davisa reprodukował nasze równania (nasze "Master equation"), ale nie mogliśmy wydedukować, że jest to jedyny algorytm generujący nasze równania. A rzecz była ważna, gdyż algorytm opisywał właśnie zachowanie się popjedynczego układu! A tego właśnie szukaliśmi, bo tego właśnie standartowej mechanice kwantowej brakowało. Jako, że Bielefeld, razem z Blanchardem, pracowałem włąśnie nad opisem kwantowego efektu Zenona ("woda w garnku nie zagotuje się tak długo jak długo się się nań gapimy!"), zastosowliśmy algorytm Davisa do tego przypadku. I pracę posłaliśmy do Physics Letters A. Jednak nie chwaliliśmy się zbytnio niejednoznacznością procesu-algorytmu Davisa. Zamiast tego ostrożnie nazywaliśmy "naturalnym" i "minimalnym". Taką bowiem miałem intuicję: że jest to proces minimalny i naturalny. Ale, szczerze mówiąc, gdyby ktoś zaatakował naszą pracę, gdyby zapytał, skąd mamy pewność, że jest to w istocie proces minimalny i naturalny, a nie, po prostu, jeden z nieskończenie wielu możliwych opisów zgodnych z "Master equation" - oh, wtedy musiałbym zacząć ciężko myśleć, żeby wymyślić zadowalającą odpowiedź. I pewnie bym nie wymyślił. Przynajmniej nie wtedy. Potrzeba było na to jeszcze jednego roku .... no i właściwego bodźca.

... ciąg dalszy nastąpi.... 

Ciąg dalszy nastąpił, ale na razie jest tylko w języku angielskim - patrz "Towards the theory of matter, geometry and information"

Last modified on: June 27, 2005.

.