Czasami zdarza się tak, że do powszechnej świadomości i kultury popularnej przebijają się różne naukowe ciekawostki. Jedne są całkiem jasne, inne mogą być takie tylko pozornie. Do tej drugiej grupy należy właśnie sytuacja kota, który jest jednocześnie żywy i martwy. Jak to możliwe, zapytacie? Cóż, nie bez powodu sytuacja nazywana jest paradoksem.
Poprzednio w ramach cyklu miałem okazję pisać o dwóch paradoksach – Paradoksie Fermiego, który wynikał ze sprzeczności logicznego myślenia i obserwacji oraz Paradoksie Olbersa, który początkowo wynikał ze złych założeń, a obecnie jest nie tyle paradoksem, ile ciekawie sformułowanym pytaniem. Paradoks Kota Schrödingera jest nieco inny, ponieważ wynika bezpośrednio z praw mechaniki kwantowej. Mało tego, naukowcy nadal nie są zgodni co do rozwiązania paradoksu, a to wszystko za sprawą roli tak zwanego obserwatora. Zacznijmy jednak od początku.
Dziwny świat mechaniki kwantowej
Mniej więcej na początku XX wieku naukowcy odkryli, że fizyka newtonowska niezbyt dobrze sprawdza się w przypadku obiektów w mikroskali. Pojawienie się mechaniki kwantowej wywróciło fizykę do góry nogami, dając początek zarówno wielu niejednoznacznościom, jak i ogromnym możliwościom. Urządzenie, na którym właśnie czytacie ten tekst, nigdy by nie powstało, gdyby nie umysły takie, jak właśnie Schrödinger czy Heisenberg. W świecie nauki pojawił się więc podział – do świata makroskalowego używamy mechaniki klasycznej, natomiast w mikroskali posługujemy się mechaniką kwantową. Przy okazji mała dygresja – świętym Graalem nauki jest obecnie znalezienie takiej teorii, która zunifikowałaby obie te mechaniki. Każdy naukowiec na świecie chciałby odkryć coś, co pozwoliłoby przewidzieć wynik absolutnie każdego eksperymentu, niezależnie od tego, czego by dotyczył. Spojrzenie na historię nauki daje nam pewne nadzieje na to, że teoria wszystkiego zostanie kiedyś opracowana, niemniej jednak obecnie jesteśmy skazani na traktowanie świata makro oraz świata mikro jako osobnych części.
Wracając do tematu – podstawowym problemem (a może zaletą) mechaniki kwantowej, jest nieprzewidywalność. Kiedy na warsztat weźmiemy Układ Słoneczny, jesteśmy w stanie obliczyć z ogromną dokładnością, w którym miejscu będą znajdowały się ciała niebieskie po upływie tysiąca lat – używamy do tego celu mechaniki klasycznej. Gdybyśmy jednak chcieli w podobny sposób obliczyć położenie atomów jakiegokolwiek obiektu, to szybko przekonalibyśmy się, że obliczenia po prostu się nie zgadzają. Jedynym sposobem na poznanie położenia atomów jest ich bezpośrednia obserwacja, która sama w sobie też nie jest taka oczywista.
Ale nie zagłębiajmy się aż tak bardzo, ponieważ materiał jest o paradoksie. To, co o mechanice kwantowej musicie jeszcze wiedzieć, to dwa pojęcia – superpozycja oraz funkcja falowa. Pierwsze z nich oznacza, że dana cząstka może znajdować się we wszystkich stanach jednocześnie. Brzmi to dość szalenie, ale wyobraźmy to sobie na przykładzie komputerów kwantowych (które, notabene, już istnieją). W klasycznym komputerze najmniejszą jednostką informacji jest bit, który przyjmuje określoną wartość – 0 lub 1. W komputerze kwantowym mamy do czynienia z kubitem (czyli po prostu kwantowym bitem), który w stanie superpozycji przyjmuje wszystkie wartości z zakresu od 0 do 1. Proste, prawda? Funkcja falowa jest pojęciem nieco szerszym, ponieważ opisuje wszystkie możliwe stany, jakie może mieć dana cząstka – są to właściwości takie, jak energia, pęd i położenie. Każdy ze stanów charakteryzuje się pewnym prawdopodobieństwem. Jeśli więc chcielibyśmy określić cząstkę, możemy powiedzieć tylko, że na 47% cząstka znajduje się tutaj, porusza się w tym kierunku i ma taką energię.
Podczas eksperymentu nie ucierpiał żaden kot
Skoro już bardzo pobieżnie przebrnęliśmy przez podstawowe pojęcia, możemy przejść do właściwego eksperymentu. Superpozycja stanów jest faktem, natomiast niejednoznaczna w tym wszystkim jest rola obserwatora. Obserwator to ktoś (lub coś), co sprawia, że układ przestaje być w superpozycji i przyjmuje konkretne właściwości. Pamięć komputera kwantowego znajduje się w superpozycji, natomiast gdy chcemy odczytać wynik obliczeń, konieczne jest „podejrzenie” stanu kubitów, by wyciągnąć z nich konkretną informację. To tak w skrócie – świat naukowy nadal nie doszedł do porozumienia, jeśli chodzi o rolę obserwatora w mechanice kwantowej. Elementem tego niedojścia jest właśnie eksperyment myślowy Schrödingera.
Wyobraźcie sobie szczelnie zamknięte pudełko, w którym znajdują się butelka z trucizną, młotek, który ma rozbić butelkę, licznik Geigera, który ma uaktywnić młotek, jeden atom promieniotwórczego pierwiastka, który w momencie rozpadu uaktywni licznik Geigera oraz kot, który może zostać zabity przez truciznę. Ponieważ mechanika kwantowa jest, jaka jest, nie jesteśmy w stanie określić momentu rozpadu atomu. Idąc dalej, nie jesteśmy w stanie stwierdzić, czy do tego rozpadu już doszło, a zatem, dopóki nie otworzymy pudełka, nie będziemy wiedzieli, czy kot jest żywy czy martwy.
Ot, cała filozofia. Eksperyment nie jest jednak taki prosty – jego zadaniem nie jest udowodnienie superpozycji, ale pewnego rodzaju podważenie roli obserwatora. Pudełko z kotem traktujemy jako jeden układ, którego właściwość może podejrzeć tylko człowiek. Można jednak zadać pytanie – dlaczego? Co by się stało, gdyby w pudełku, zamiast kota, znajdował się człowiek? Oczywiście przy założeniu, że pudełko byłoby odpowiednio duże. W eksperymencie myślowym traktujemy kota jako prymitywny organizm i jeden z elementów układanki, natomiast człowiek jest już istotą w pełni świadomą. Rola obserwatora przeniosła się więc z naukowca mającego otworzyć pudełko na naukowca, który siedzi w tym pudełku. Istnienie tego człowieka nie byłoby niewiadomą, ponieważ on sam wiedziałby, czy atom się rozpadł, czy nie.
Można to zrobić również w drugą stronę. Zostawmy w pudełku tego nieszczęsnego kota, ale dodatkowo umieśćmy w pomieszczeniu naukowca, a następnie szczelnie je zamknijmy. Drugi naukowiec znajdujący się poza tym pomieszczeniem nie będzie wiedział zarówno tego, jaki jest stan kota, jak również tego, jaki jest stan pierwszego naukowca. Czy można wtedy powiedzieć, że naukowiec jest jednocześnie szczęśliwy i smutny, ponieważ kot jest jednocześnie żywy i martwy, ponieważ atom jednocześnie nie rozpadł się i rozpadł? A jeśli dodamy do tego jeszcze kolejne pomieszczenie? Zaczyna nam się robić naprawdę szalona sytuacja.
Obserwuję, więc jest
Paradoks Kota Schrödingera dotyka spraw znacznie istotniejszych, niż mogłoby się wydawać. Zamiarem Erwina Schrödingera było podważenie roli obserwatora będącego obiektem makroskalowym. I ma to sens, bowiem biologia nie zezwala na to, by kot był jednocześnie żywy i martwy, natomiast gdyby patrzeć na sytuację przez pryzmat takiego układu zamkniętego, to właśnie taki ów kot musiałby być. Pojawia się więc sprzeczność, paradoks.
Można jednak zadać pytanie – dlaczego tak się dzieje? Być może w szkole mieliście kiedyś do czynienia z eksperymentem, który polegał na wykorzystaniu siatki dyfrakcyjnej. Zabawa polega na przepuszczeniu światła lasera przez taką siatkę, a następnie na obserwowaniu efektów na przykład na ścianie. Efektem eksperymentu jest pojawienie się prążków światła; zauważmy, że nie ma to kompletnie żadnego sensu, jeśli zakładamy, że światło tworzone jest tylko przez cząstki. Co innego, jeśli potraktujemy światło jako falę – poszczególne prążki są miejscami, gdzie pojawia się wzmocnienie interferencyjne fal. Pierwotna fala ulega dyfrakcji w szczelinach siatki, tworząc tym samym nowe fale, które następnie nakładają się na siebie.
Jest tylko jedno ale – w naszej sytuacji źródłem światła jest laser, który bez ustanku emituje nowe fotony. Warto wiedzieć, że ten eksperyment został przeprowadzony przez Thomasa Younga już w 1801 roku, a więc na długo przed powstaniem mechaniki kwantowej. Young wykazał, że światło zachowuje się jak fala; powiedzmy jednak, że ponieważ źródło jest stałe, to ma to sens. Co, jeśli zastosujemy źródło, które wypluwa tylko jeden foton na raz?
To trochę przerażające, ale efekt jest dokładnie taki sam. Jeśli zastosujemy siatkę z dwoma szczelinami, to foton wybiera zarówno jedną, jak i drugą szczelinę. Inaczej mówiąc, obserwujemy takie same prążki interferencyjne, jak w przypadku stałego źródła światła. Ta wersja eksperymentu jest bezpośrednim dowodem na istnienie superpozycji, a zatem nie można powiedzieć, że paradoks Kota Schrödingera jest bezwartościowym eksperymentem myślowym. Mało tego! Okazało się, że taka sama zasada działa także w przypadku innych jednostek w skali atomowej, na przykład w przypadku elektronów. Dzięki temu komputery kwantowe nie są jakąś fanaberią, marzeniem ściętej głowy, ale realną możliwością. To jednak temat na inny odcinek.
Naprawdę dziwny świat mechaniki kwantowej
Nie odpowiedziałem na jeszcze jedno pytanie – co z tym obserwatorem? Przez dekady przewinęło się naprawdę dużo dziwnych teorii, włącznie z teorią wielu wszechświatów Hugh Everetta. Najbardziej prawdopodobnym rozwiązaniem jest jednak sytuacja, w której Wszechświat jest obserwatorem dla samego siebie. Nie potrzeba żadnego kota, by wykazać, że to wszystko nie jest tylko i wyłącznie rachunkiem prawdopodobieństwa. W końcu świat makroskalowy jest realny, fizyczny, występuje tylko w jednej wersji. Gdyby tworzące go atomy znajdowały się w superpozycji aż do momentu, gdy ktoś na nie spojrzy, to zaczęłyby się dziać naprawdę nieźle pokręcone rzeczy. Do następnego!
źródła: national geographic, physics of the universe, kwantowo
_
#MiniNauka to cykl, w ramach którego staram się przekuwać swoje naukowe (czy raczej popularnonaukowe) zainteresowania w treści popularyzujące wiedzę o świecie i zjawiskach w nim zachodzących. Poruszam się po obszarach fizyki, kosmosu i technologii przyszłości, nierzadko sięgając po inne, powiązane dziedziny, przy zachowaniu przystępnej formy i względnie prostego języka.
