Istnieje powszechne przekonanie, że fizyka kwantowa jest niezwykle trudna do zrozumienia. Nie musi to jednak być prawdą, jeśli najpierw precyzyjnie zdefiniuje się pojęcia stosowane do opisu badanego zjawiska. Wiele nieporozumień wynika z tego, że tym samym słowom nadaje się różne znaczenia.
Jeżeli ktoś zapyta, czy obserwacja ma wpływ na wynik doświadczenia, należy najpierw wyjaśnić, co rozumie przez słowo „obserwacja”. Jeżeli chodzi jedynie o patrzenie na zjawisko, czyli jego oglądanie, to samo patrzenie nie wywiera żadnego wpływu. Inaczej jest wtedy, gdy przez obserwację rozumie się pomiar. Aby dokonać pomiaru, badany obiekt musi wejść w fizyczną interakcję z aparaturą pomiarową. Dochodzi wtedy do zaburzenia układu. Układ kwantowy oddziałuje z innym układem – na przykład z detektorem, fotonem lub otoczeniem – pozostawiając mierzalny ślad.
Klasycznym przykładem jest eksperyment z dwiema szczelinami. Gdy elektrony przechodzą przez dwie szczeliny i nie mierzymy, którą z nich przeszły, na ekranie powstaje obraz interferencyjny, charakterystyczny dla fal. Gdy jednak umieścimy detektor, który ustala drogę elektronu, interferencja znika i elektrony zachowują się jak cząstki. Nie dzieje się tak dlatego, że człowiek patrzy na doświadczenie, lecz dlatego, że sam akt pomiaru zmienia stan badanego układu.
Dlaczego tak się dzieje? Odpowiedź zależy od interpretacji mechaniki kwantowej. Interpretacja kopenhaska zakłada, że pomiar powoduje kolaps funkcji falowej. Interpretacja wielu światów twierdzi natomiast, że żaden kolaps nie zachodzi, a wszystkie możliwe wyniki realizują się w różnych gałęziach rzeczywistości. Z kolei teoria dekoherencji wyjaśnia, że oddziaływanie układu z otoczeniem prowadzi do zaniku efektów kwantowych i pojawienia się zachowania klasycznego, bez potrzeby odwoływania się do świadomości obserwatora.
Współczesna fizyka nie znajduje dowodów na to, że sama ludzka świadomość wpływa na wynik eksperymentów kwantowych. Wystarczy dowolne fizyczne oddziaływanie, które pozwala uzyskać informację o stanie badanego układu.
W fizyce kwantowej sytuacja wygląda inaczej niż w fizyce klasycznej. Przed dokonaniem pomiaru teoria nie przypisuje układowi jednego, określonego wyniku, lecz opisuje zbiór wszystkich możliwych rezultatów wraz z prawdopodobieństwami ich wystąpienia. Słynnym przykładem jest eksperyment myślowy z kotem Schrödingera. Dopóki pudełko pozostaje zamknięte, nie można stwierdzić, czy kot żyje, czy jest martwy. Dopiero otwarcie pudełka, czyli wykonanie pomiaru, pozwala rozstrzygnąć, w jakim stanie znajduje się kot. Nie oznacza to jednak, że świadomość obserwatora „tworzy” rzeczywistość. Oznacza jedynie, że wynik staje się określony w wyniku fizycznej interakcji związanej z pomiarem.
Na tym jednak nie kończy się osobliwość świata kwantowego. Nawet dysponując pełną wiedzą o stanie początkowym układu, mechanika kwantowa nie pozwala z całkowitą pewnością przewidzieć wyniku pojedynczego pomiaru. Można jedynie obliczyć prawdopodobieństwo wystąpienia każdego z możliwych rezultatów. Prawdopodobieństwa te wyznacza funkcja falowa, której ewolucję opisuje równanie Schrödingera. Samo równanie pozwala dokładnie przewidzieć, jak zmienia się stan kwantowy w czasie, lecz nie wskazuje, jaki będzie wynik pojedynczego aktu pomiaru. Ten ma charakter losowy i dopiero wykonanie wielu identycznych doświadczeń ujawnia zgodność wyników z przewidywaniami rachunku prawdopodobieństwa.
Dlatego fizyka kwantowa nie jest teorią chaosu ani całkowitej przypadkowości. Jest teorią, w której prawa rządzące ewolucją układu są ściśle deterministyczne, natomiast wyniki pojedynczych pomiarów mają charakter probabilistyczny. To właśnie połączenie ścisłych praw matematycznych z nieusuwalną losowością pojedynczych zdarzeń stanowi jedną z najbardziej fascynujących cech obrazu świata, jaki wyłania się z mechaniki kwantowej.
Mechanika kwantowa uczy więc pokory wobec rzeczywistości. Okazuje się, że świat nie zawsze odpowiada naszym codziennym wyobrażeniom ukształtowanym przez doświadczenie makroskopowe. To, co wydaje się oczywiste w świecie dużych obiektów, przestaje być oczywiste w świecie atomów i cząstek elementarnych. Nie oznacza to jednak, że przyroda jest nielogiczna. Przeciwnie – podlega ona niezwykle precyzyjnym prawom matematycznym, choć prawa te opisują rzeczywistość odmienną od tej, do której przywykliśmy.
Być może największą trudnością w zrozumieniu fizyki kwantowej nie jest sama matematyka, lecz konieczność porzucenia intuicji wykształconej w świecie codziennych doświadczeń. Człowiek oczekuje prostych odpowiedzi: „jest” albo „nie jest”, „tu” albo „tam”, „żyje” albo „nie żyje”. Tymczasem mechanika kwantowa pokazuje, że natura nie zawsze daje się opisać w tak prostych kategoriach. Dopiero pomiar pozwala przypisać układowi konkretny wynik spośród wielu możliwości opisanych przez teorię.
Albert Einstein nie bez powodu mówił, że „Bóg nie gra w kości”, wyrażając swój sprzeciw wobec fundamentalnej losowości mechaniki kwantowej. Jednak kolejne eksperymenty potwierdzają, że świat w skali atomowej rzeczywiście zachowuje się zgodnie z przewidywaniami tej teorii. Nie oznacza to, że nauka odpowiedziała już na wszystkie pytania. Nadal nie ma powszechnie akceptowanej odpowiedzi na pytanie, czym naprawdę jest funkcja falowa i dlaczego pomiar prowadzi do uzyskania jednego konkretnego wyniku. Spór dotyczy nie tyle samych wyników doświadczeń, ile ich interpretacji.
Możliwe więc, że fizyka kwantowa nie jest trudna dlatego, że jest niezrozumiała. Jest trudna dlatego, że zmusza nas do zmiany sposobu myślenia o rzeczywistości. Uczy, że wiedza naukowa nie polega na dopasowywaniu świata do naszych wyobrażeń, lecz na dostosowywaniu naszych wyobrażeń do faktów. Im lepiej poznajemy przyrodę, tym wyraźniej dostrzegamy, że jest ona znacznie bogatsza i bardziej zaskakująca, niż podpowiada zdrowy rozsądek. Paradoksalnie właśnie w tym tkwi piękno fizyki kwantowej – pokazuje ona, że świat nie ma obowiązku być zgodny z ludzką intuicją, lecz zawsze pozostaje zgodny z prawami natury.
Poglądy takich fizyków jak: Einstein, Bohr, Heisenberg, Popper, pokazując, że mechanika kwantowa zmieniła nie tylko fizykę, lecz także nasze rozumienie tego, czym jest poznanie i czym jest rzeczywistość.