Od czasów Newtona fizyka klasyczna opierała się na założeniu, że świat jest w pełni deterministyczny: każdemu zjawisku musi towarzyszyć jego wyraźna przyczyna. W tym ujęciu, jeśli znamy dokładny stan układu w danym momencie, możemy z całkowitą pewnością przewidzieć jego przyszłość. Ten pogląd, znany jako zasada przyczynowości, był fundamentem naukowego obrazu świata aż do początku XX wieku.
Jednak wraz z rozwojem mechaniki kwantowej ten obraz rzeczywistości zaczął się dramatycznie zmieniać.
Na początku lat dwudziestych XX wieku duński fizyk Niels Bohr, opierając się na wynikach doświadczeń z zakresu fizyki atomowej, zauważył, że klasyczne pojęcia przestają być wystarczające do opisu zjawisk zachodzących w mikroskali. Zasada przyczynowości – choć nadal przydatna w świecie codziennym – wydaje się nie mieć bezpośredniego zastosowania w świecie cząstek elementarnych.
Bohr zaproponował w odpowiedzi zasadę komplementarności, ogłoszoną oficjalnie w 1927 roku. Według niej pewne aspekty rzeczywistości kwantowej, takie jak korpuskularny i falowy charakter światła (i materii), nie mogą być jednocześnie w pełni opisane. Dopełniają się one nawzajem, ale nigdy nie występują jednocześnie w jednym akcie pomiarowym. To oznacza, że sposób, w jaki dokonujemy pomiaru, wpływa na to, co jesteśmy w stanie zaobserwować – co już samo w sobie podważa klasyczne założenia o obiektywności i niezależności obserwacji.
Dodatkowym ciosem dla zasady przyczynowości była zasada nieoznaczoności Heisenberga, sformułowana w tym samym roku. Mówi ona, że nie da się jednocześnie dokładnie zmierzyć zarówno położenia, jak i pędu cząstki. Ta fundamentalna granica poznania nie wynika z niedoskonałości naszych narzędzi, ale z samej natury rzeczywistości kwantowej. W efekcie nie możemy dokładnie przewidzieć zachowania pojedynczej cząstki – możemy jedynie obliczyć prawdopodobieństwo jej wystąpienia w określonym stanie.
Zasada przyczynowości w fizyce klasycznej daje wynik jednoznaczny (przyczyna -> skutek), a w fizyce kwantowej tylko w postaci statystycznej.
To przesunięcie od deterministycznego do probabilistycznego opisu świata oznaczało rewolucję w nauce. Einstein, który był sceptyczny wobec tej interpretacji, powiedział słynne słowa: „Bóg nie gra w kości”. Bohr odpowiedział: „Nie mów Bogu, co ma robić”, broniąc nieprzewidywalnej, ale eksperymentalnie potwierdzonej natury mikroświata.
Czy zasada przyczynowości została naprawdę obalona?
Warto jednak zaznaczyć, że kwantowa nieokreśloność nie oznacza całkowitego chaosu. Teorie kwantowe, choć oparte na probabilistyce, są niezwykle precyzyjne i przewidywalne w sensie statystycznym. Dla dużych układów (w skali makroskopowej), gdzie działa tzw. dekoherencja kwantowa (zakłada oddziaływanie obiektu z otoczeniem w sposób nieodwracalny w sensie termodynamicznym, co niszczy interferencję między danym obiektem i otoczeniem), klasyczna przyczynowość znowu wydaje się obowiązywać.
W tym sensie można powiedzieć, że przyczynowość nie została całkowicie odrzucona, lecz zreinterpretowana. W skali mikroświata mówimy o korelacjach i prawdopodobieństwach, a nie o jednoznacznych przyczynach i skutkach. To fundamentalna zmiana w rozumieniu natury rzeczywistości.
Zasada komplementarności i wynikająca z niej reinterpretacja przyczynowości zmusiły naukowców i filozofów do zmiany sposobu myślenia o świecie. Bohr uważał, że język klasycznej fizyki musi być uzupełniony o nowe pojęcia, dostosowane do opisu zjawisk kwantowych – ale nie całkowicie porzucony.
Współczesna fizyka nadal rozwija te idee, próbując połączyć mechanikę kwantową z teorią względności w ramach tzw. teorii wszystkiego. Jednak jedno pozostaje pewne: rewolucja kwantowa pokazała, że świat jest bardziej złożony i tajemniczy, niż mogłoby się wydawać z perspektywy XIX-wiecznej nauki.