Mees ja kass

Marek Strandberg

John Gribbin, Erwin Schrödinger and The Quantum Revolution. Bantam Press, 2013. 368 lk. John Gribbini lähenemine teadusloole ja selles ühe vaieldamatult olulise muudatuse teinud Erwin Schrödingeri (1887–1961) eluloole on nauditav, kuna ta laotab lugeja ette mitmeplaaniliselt nii ajaloo-, isiklikud kui ka teadussündmused. Ses mõttes on Gribbini raamat „Erwin Schrödinger ja kvantrevolutsioon” nagu hea muuseum, kus alati püütakse vaatajale pakkuda konteksti, et saaksime ajastusse sisse elada. Loomulikult ei ole ega saagi olla Gribbini eesmärgiks kirjutada ajalooraamatut kõigist toonastest sündmustest. Samal ajal saame pildi maailmast, kus XIX ja XX sajandi vahetusel oli esindatud nii saksa-, prantsus- kui ka ingliskeelne teadus ning mil teadus üldse oli rohkem üksiktegijate kui koostegemise asi. Ajaloolises kontekstis on mõtlemapanev, kuivõrd eri suundadesse kasvasid hiljem inimesed, kes olid maailmasõjas sõdinud ühel pool rindejoont. Erwin Schrödinger oli kahurväeohvitser samas armees, kus Adolf Hitler sõdurina teenis, ja seda samuti Austria kodanikuna nagu Schrödingergi. Omapäraste seikade ja suhete kajastamine teeb Gribbini raamatust loetava teose, mis on seda köitvam, mida rohkem on lugeja mälus kokkupuuteid loodusteadustega. Schrödingeri kujunemisajal toimus Euroopa teaduses, eriti Austrias, üsna palju. Õpetlaste fookusse olid sattunud magnetism, elekter ja termodünaamika. Katsetuste ja tähelepanekutega jõuti arusaamani aine olemusest ja väljade levikust. See kõik ootas ühtesidumist ja selgeks maailmapildiks muutmist. Selle maailmapildi kujunemisest ja kujundajatest ongi Gribbini raamat. Keskmesse on ta valinud Schrödingeri isiku.

1928. aastal, mõni aeg pärast seda, kui Schrödinger oli avaldanud oma kvantmehaanika käsitluse lainefunktsioonide kaudu, mainis ta: „Me ei tohi unustada, et meie maailmapilt ja mudelid, mida kasutame, ei ole muud kui kõikvõimalike vaatluste raamistik.”

See on hea ja selge teaduse ja teaduse meetodi kohamääratlus. Muidugi mõista on tegemist teatava usuga. Usuga mudelitesse (või pigem usaldusega mudelite vastu seni, kuni need kirjeldavad vaatlusi ja pakuvad ennustusi), mis pole oma dogmades muutumatud ja igavesed. Teaduse meetod lausa eeldabki võimalust, et mudel on vaid võimalik aspekt maailmast, mis võimaldab mingist osast vaatlustest kuidagi aru saada. Usk mudelitesse, mida võib vastuolude rohkuse korral alati asendada uute, paremate ja selgematega, erineb arusaadavalt religioonist, mis mudeleid, vastupidi, ei vaheta ja püüab mis tahes vaatlusandmeid kui tahes ebasobivalt pakkida ühte, mittetoimivasse maailmapilti. Juba Schrödingeril oli selle teemaga kokkupuude ja seda vaatamata oma lapsepõlvele üsna religioosses keskkonnas.

Erwin Schrödingeri formaalne haridustee algas suhteliselt hilja. Oma alushariduse oli ta saanud kodunt, peamiselt botaanikahuviliselt isalt. Viini püha Nikolai gümnaasiumi läks Erwin 11aastaselt ja ta õppis seal ühtekokku kaheksa aastat. Tegemist oli siiski ühe ilmalikuma õppeasutusega. Usuõpetuse kohta on Schrödinger ise väitnud, et ta õppis seal paljut, aga mitte religiooni. Usuõpetuse tundides oli tema sagedaseks küsimuseks õpetajale: „Härra, kas te tõesti usute seda?”

Poolelus, poolsurnud

Vaieldamatult oli Schrödinger revolutsionäär teaduses. Mida see aga tähendab? Revolutsionääride pöördeline mõju seisnes selles, et nad muutsid keerulised ja mitmeplaanilised protsessid matemaatilise elegantsi ja piisava läbimõeldusega arusaadavaks ja väga paljudele käepäraseks. Just matemaatiline selgus on olnud üks peamisi põhjusi, mis on teaduse muutnud massiliseks tegevusalaks. Teadlasena töötab maailmas umbes kuus miljonit inimest. Kuid küsimus ei ole pelgalt teadusega seotud inimeste hulgas. Teaduse üleilmastumise impulsi on andud teaduse meetodi arusaadavus ja kättesaadavus.

Schrödingeri ajal lõi teadlaskond eeldused uute masinate ja tehnika põlvkonnale. Kui aurumasinaid, isegi suurt hulka elektrimasinaid oli võimalik ehitada, tagantjärele hinnates, ehk veidi logisevaid füüsikalisi mudelid kasutades, siis XX sajandil alanud ja tänapäevani jätkuv molekulide ja aatomitega manipuleerimine sai võimalikuks alles pärast seda, kui nende olemasolus veendumusele oli jõutud ja nende toimimise kirjeldamine ja ennustamine matemaatilises keeles mõistetavaks muutus. Olgu öeldud, et ei XIX ja XX sajandi vahetusel ega hiljemgi ei olnud aatomite olemasolu veel kindla teadmise, vaid ikkagi konkureeriva usu küsimus, sest mudeleid aine kohta oli kaugelt enam kui üks. Just sellise ilmapildi kujunemisest ja ühest kujundajast on Gribbini lugu.

Kui Albert Einstein oma erirelatiivsusteooriaga võttis kasutusse täiesti uue aegruumi mõiste, aidates kõrgemale üldistustasemele Newtoni-aegse raskusjõukäsitluse, siis Schrödingeri kvantmehaanika lõi alused selleks, et mõistaksime täpselt, miks näiteks veemolekulis on kaks vesiniku- ja üks hapnikuaatom just nii seotud, nagu need seal on.

Teadusloo huvitavaks osaks on uute arusaamade peentöötlus, uue arusaamise küpsemine ja läbikasvamine. Peentöötluse hulka kuulub antud juhul ka paljuräägitud Schrödingeri kassi lugu. Vahel teatakse küll Schrödingeri kassi, aga mitte Schrödingeri ennast. Schrödingeri kassi lugu ei ole aga muud kui Schrödingeri püüe kritiseerida Kopenhaageni koolkonna käsitlust kvantmehaanikast, mille matemaatilise aparaadi ta ise oli loonud. Veidi enne kassi näidet oli kvantmehaanikat kritiseerinud aga Albert Einstein koos oma kahe kolleegi Podolski ja Roseniga. Nimelt lähtus Einstein oma kriitikas põhimõttest viia kvantmehaanika järeldused absurdini, et näidata selle meetodi kasutuspiire ja ka ahast olemust. Nii arutasidki kolm meest EPRi paradoksiks nimetatud loos, et kujutage ette üht kvantsüsteemi, mis kvantmehaanika reeglite järgi on tervik, kuid millest eralduvad kaks elektroni. Olgu selle näiteks aatomituum. Kvantmehaanika reegleid lõpuni järgides peab nende elektronide lainefunktsioon olema üks ja seesama ka siis, kui kumbki neist kulgeb eri suunas universumi kaugustesse ja teineteisest eemale. Absurdseks pidas kolmik asjaolu, et kui ühe elektroniga midagi juhtub, mõnes füüsikalises vastasmõjus näiteks, ja selle spinn (koolikeemiast ja füüsikast ehk lugejale tuttav kvantomadus, mille tõttu elektron on vastasmõjus magnetväljaga ja mille tõttu sama energiatasemega saavad lähestikku olla vaid kaks eripidise spinniga elektroni) muutub ning siis peaks täpselt samal hetkel ju muutuma ka teise elektroni spinn, kui tahes kaugele see ka rännanud ei ole. Einstein tugines oma arusaamas omaenda postuleeritud ja kinnitust leidnud suurimale mõju edastamise kiirusele looduses, milleks on valguse kiirus. Ehk: kui signaal selle kohta, et üks elektronidest on oma spinniga upakile lennanud, hakkab levima teiseni, mis sellest „teadma” peab, ongi kvantmehaanika omadega jännis, sest sümmeetriaprintsiip justkui ei saa toimida ja vastuolu reeglitega kehtiks seni, kuni mõjuteade teise elektronini jõuab.

Ka minu Tartu ülikooli füüsikaõpingute osaks oli sellesama Einsteini-Podolski-Roseni paradoksi esiletoomine õppejõudude poolt – see oli kui viide kvantmehaanika puudulikkusele. Lähtudes samast loogikast, millega Einstein kritiseeris Kopenhaageni kvantmehaanilist perfektsionismi, osutas ka Schrödinger sellele, et kui panna kass kasti, milles on mürgiampull ning selle purunemist juhtiv masin, mis purustab ampulli, kui masina osaks olev radioaktiivseid osakesi lugev Geigeri loendur neelab kassiga samas kastis olevast radioaktiivsest materjalist lagunemisel lendava osakese. Lagunemine on aga nii aeglane, et tunni vältel võib kiirguda vaid üks osake, mis tapab kassi. Aga võib ka mitte kiirguda. Nii arutles Schrödinger edasi: vaatamata asjaolule, et kvantmehaanika loogika järgi peaks olema kastis poolelus ja poolsurnud kass, siis tegelikkuses on kass kas elus või surnud ja see ilmneb kasti avamisel.

Paraku täpselt nii ongi, et absurdina näiv olukord oleks nõudnud katset. See jäi aga tegemata. Kui 1980. aastate lõpul alustas üks paljude hulgast, samuti Austria füüsik Anton Zeilinger selleteemaliste katsetega, siis Einsteini ja Schrödingeri jaoks kurblooliselt tuligi ilmsiks, et samast allikast (kvantsüsteemist) pärit osakesed jäävadki aegade algusest aegade lõpuni seotuks. Sel põhineb kvantteleportatsiooniks nimetatud nähtus ning näiliselt kandub selles mõju ühelt osakeselt teisele hetkega. Kvantseotusest, füüsikaliselt hapraks nimetatud olekust, mille ebatõenäolisust ja absurdi püüti kasutada kvantmehaanika piiratuse näitamiseks, on saanud üks andmeedastuse ja krüptograafilise tehnika aluseid.

Elu nagu muusikal

Kuigi lugusid energiakvantidest on räägitud palju ja mitmel viisil, mõjub Gribbini kirjutatu värske ja võluvana, kui näitab, kuidas arukate inimeste selge mõtte ja eesmärgiga pimeduses kobamine annab uue teadmise, eristudes tagajärjetust, niisama pimedas kobamisest.

Schrödingeri tööd olid eelduseks kvantkeemia ja selle kaudu ka kvantbioloogia tekkele. Kvantmehaanika võimaldas seletada keemilise sideme olemust, kogu aatomitest ja elektronidest kokku pandud maailma olemust. Ülesannete matemaatilise keerukuse tõttu saabus kvantkeemia õitseaeg aga alles koos kiirete ja mälumahukate arvutite loomisega.

Schrödinger huvitus ka bioloogiast ja elu küsimustest laiemalt. Elu entroopilisi ja negentroopilisi aspekte lahkas Schrödinger oma 1945. aastal ilmunud raamatus „Mis on elu?”.

Hilisemale DNA struktuuri avastajale, füüsikuharidusega Francis Crickile andis just see Schrödingeri raamat tõuke, miks ta hakkas huvi tundma bioloogia ja pärilikkusaine vastu.

Gribbin viitab muu hulgas ka sellele, et Chicagos hariduse saanud ja Suurbritanniasse siirdunud James Watson, teine DNA struktuuri avastanud õpetlane, olevat samuti oma huvi viiruste ja nende kristallvormide röntgenograafiliseks uurimiseks saanud just Schrödingeri elu-raamatust innustunult.

Gribbin on kogunud suure hulga eluloolist ja isiklikku materjali ning tema huvi kvantmaailma ja Erwin Schrödingeri isiku vastu on ulatunud üle kolme aastakümne (raamatud „Schrödingeri kassi otsinguil: kvantfüüsika ja tegelikkus”, 1984 ja „Schrödingeri kassipojad ja tegelikkuse otsingud”, 1996), kuid see on vaid osa tema kümnetest ja kümnetest teadusest ja üldisest loodusloost kirjutatud raamatutest. Teadus pole pelk sebimine võrrandite, valemite ja katseseadmetega, kuigi erandlikult on ka sellele pühendunuid.

Kosunud pärast väeteenistust tuberkuloosist, avaldas Schrödinger peagi oma maailmamõistmist muutnud artiklid ajakirjas Annalen der Physik. 1933. aastal, kui natsid Saksamaal võimukamaks muutusid, otsustas Schrödinger Saksamaalt lahkuda, kuigi oli Berliini Friedrich Wilhelmi ülikoolis just Max Planckilt ameti üle võtnud. Oxfordi jõudis ta koos oma naise ja naise sõbrannaga, kes ootas Schrödingerilt last. Kolmekesi. Paraku oli Oxfordi seltskonna ja Schrödingeri antipaatia vastastikune ning ta lahkus Oxfordi Magdaleni kolledžist kohe pärast Nobeli auhinna saamist 1933. Kolledžit kritiseeris ta kirjas oma sõbrale füüsik Max Bornile: „Need kolledžid siin on homoseksuaalsuse akadeemiad. Mis veidraid mehikesi nad küll siin toodavad!” Ja kurtis samas kirjas edasi, et „… iial ei või teada, kes on su naabreiks. Sa räägid nendega oma tavapärasel moel ja ühtäkki moonduvad nad piiskoppideks ja kindraliteks.”

1936. aastal pärast töötamist Princetonis ja Edinburghis naasis ta Austriasse Grazi ülikooli. Schrödingeri üleelamised 1939. aasta Anschlussi ja seonduvate meeldetuletustega tema 1933. aasta Saksamaalt lahkumise teemadel on vaid ettekujutatavad. Kirge ja draamat üksjagu, nii et võiks kas või mõelda ooperi või muusikali „Schrödinger” peale, millel kindlasti oleks ülemaailmset menu.

Siit ka mu lugemissoovitus kõigile, ka üsna füüsikakaugetele hingedele. Äkki saate innustust? Sest kirsiks tordil kirjeldab Gribbin oma raamatu viimases peatükis andekat füüsikut Terry Rudolphit, kes samuti tegeleb nüüdisajal kvantmehaanika sõlmküsimustega. 1973. aastal Zimbabwes sündinud õpetlane sai alles 21aastaselt, olles just valinud oma huvide fookusse kvantfüüsika, oma emalt teada, et ta on Erwin Schrödingeri lapselaps ja tema ema seesama Oxfordis Schrödingeri abikaasa sõbrannale sündinud tüdruk. Jääb vaid nõustuda 1978. aastal Max Borni poolt Schrödingeri kohta öelduga, et tegemist oli ehk kodanlase jaoks veidra eraeluga inimesega, kuid sel pole mingit tähtsust, kuna ta oli üks armastusväärsemaid, sõltumatumaid, lustlikumaid, temperamentsemaid, lahkemaid ja heldemaid inimesi, kel ühtlasi oli ülimalt täiuslik aju.