Czytaj dalej

Za każdym razem, gdy dostaję w ręce jakąś książkę zaczepiającą o temat kwantów, zanurzam się w nią z zapartym tchem. Zwłaszcza kiedy podejmuje wątek filozoficznej masakry, jakiej dokonał problem obserwatora i pomiaru w mechanice kwantowej.

Mecha­nika kwantowa bez­sprzecz­nie zmieniła świat. Wraz z jej nadej­ściem skończył się czas pano­wa­nia prostej i sche­ma­tycz­nej fizyki, zastą­pio­nej przez erę nie­prze­wi­dy­wal­no­ści. Dotych­cza­sowa rze­czy­wi­stość kul bilar­do­wych, poru­sza­ją­cych się zgodnie z prostymi zasadami mecha­niki kla­sycz­nej minęła bez­pow­rot­nie. Podobnie atom, przed­sta­wiany u zarania XX wieku, jako minia­tu­rowy układ pla­ne­tarny, z jądrem i okrą­ża­ją­cym go po okre­ślo­nej orbicie elek­tro­nem, uległ sporej reno­wa­cji. Erwin Schrödin­ger, Niels Bohr, Werner Heisen­berg i inni, zburzyli new­to­now­ski porządek, wydając szereg prac opartych o dzi­waczne – z punktu widzenia fizyków poprzed­nich gene­ra­cji – zało­że­nia.

Nie sięgajmy daleko i weźmy pod lupę zmorę fizyków, czyli sławne doświad­cze­nie z dwoma szcze­li­nami. (Tu macie jedno z wielu mul­ti­me­dial­nych przed­sta­wień eks­pe­ry­mentu.) Już w XIX wieku, Thomas Young wziął sobie za cel obalenie pomysłu Izaaka Newtona, jakoby światło było stru­mie­niem cząstek. Aby tego dokonać, wymyślił, że jeżeli nakie­ruje wiązkę światła na prze­grodę z rów­no­le­gle wycię­tymi dwoma szcze­li­nami, na posta­wio­nym ekranie zauwa­żymy ciem­niej­sze i jaśniej­sze prążki. No panie Newton, tak to się cząstki nie zacho­wują – mógł pomyśleć Young i miałby rację. Prze­pusz­czone przez szcze­liny światło nakre­śliło na ekranie wzór inter­fe­ren­cyjny, nastę­pu­jący przez wzajemne wzmac­nia­nie i wyga­sza­nie… fal. (Gorzej, że kil­ka­dzie­siąt lat później prace Plancka i Ein­ste­ina znów przy­wró­ciły do życia kor­pu­sku­larny opis światła, prze­no­szo­nego przez fotony.)

Światło ukazało swą falową naturę, więc cie­kaw­scy fizycy posta­no­wili prze­pro­wa­dzić bliź­nia­cze doświad­cze­nie dla cząstek wcho­dzą­cych w skład atomu. Clinton Davisson wziął na warsztat strumień elek­tro­nów, które prze­pu­ścił przez prze­grodę ze szcze­li­nami, które uderzały w odpo­wied­nio czuły ekran. Efekt był zatrwa­ża­jący: wzór inter­fe­ren­cyjny, elek­trony zacho­wały się jak fala! W takim wypadku, nie­do­wie­rza­jący Davisson spró­bo­wał je podejść od innej strony, zasła­nia­jąc jeden z otworów. W tym warian­cie cząstki, które zdołały prze­fru­nąć na drugą stronę prze­grody, uderzały w cały ekran, w przy­pad­kowy sposób – jak to punktowe cząstki. Po powtór­nym odsło­nię­ciu drugiej szcze­liny, nawet przy powolnej emisji elek­tro­nów, stop­niowo wyłoniły się prążki cha­rak­te­ry­styczne dla fali. Osta­tecz­nie okazało się, że nawet poje­dyn­czo wystrze­li­wane elek­trony, po całym dniu bom­bar­do­wa­nia ekranu, namalują nań obraz inter­fe­ren­cyjny, dopro­wa­dza­jąc badaczy na skraj zała­ma­nia. Raz cząstka, raz fala, zależnie od tego czy udo­stęp­nimy cząstkom jedną czy dwie szcze­liny. Dla roz­sąd­nego czło­wieka takie sta­no­wi­sko równa się kata­stro­fie.

Kluczem dla roz­wią­za­nia problemu i przy­wró­ce­nia fizyki do pionu było stwier­dze­nie, z jaką wła­ści­wie falą mamy do czy­nie­nia, tj. co inter­fe­ruje? Gdyby elektron był po prostu stu­pro­cen­tową falą, zacho­wy­wałby się tak nie­za­leż­nie od ilości otworów, a czujniki nie suge­ro­wa­łyby nam, że uderzają weń poszcze­gólne cząstki. Mecha­nika kwantowa roz­wią­zała ten kryzys stwier­dza­jąc, jakby to abs­trak­cyj­nie nie brzmiało, iż przed­mio­tem sprawy jest fala praw­do­po­do­bień­stwa. Wystrze­lona cząstka podró­żuje róż­no­raką tra­jek­to­rią i osta­tecz­nie uderzy w przy­pad­ko­wym celu. Wysi­la­jący się przed kom­pu­te­rem nauko­wiec, może jedynie obliczyć naj­praw­do­po­dob­niej­sze miejsce lądo­wa­nia elek­tronu. Jeżeli jednak damy cząstkom do dys­po­zy­cji dwie szcze­liny, to nagle ich fale praw­do­po­do­bień­stwa zaczną się wza­jem­nie wzmac­niać i wygaszać, co zwiększy szanse na ich ude­rze­nie w jedne obszary na ekranie (prążki jaśniej­sze) i zmniej­szy w inne (prążki ciem­niej­sze). Tak jakby wszyst­kie moż­li­wo­ści tra­jek­to­rii lotu, nawet poje­dyn­czego elek­tronu inter­fe­ro­wały, powo­du­jąc, że “wie” on gdzie uderzyć aby osta­tecz­nie wyglądać jak fala. Fizycy posta­no­wili być jednak prze­bie­gli i pod­glą­dać w jaki sposób elek­trony mijają prze­grodę ze szcze­li­nami. Przyrząd, co było do prze­wi­dze­nia, nie zauważył żadnej fali, legi­ty­mu­jąc każdą prze­la­tu­jącą cząstkę. Na ekranie wyświe­tliły się tylko dwa prążki, obraz inter­fe­ren­cyjny znów zniknął. To co było falą praw­do­po­do­bień­stwa, ure­al­niło się jeszcze przed przej­ściem przez otwór, a elektron w momencie pomiaru wybrał jedną z moż­li­wo­ści.

Miłośnik wolnej miłości i kotów Erwin Schrödin­ger, uwy­dat­nił ten problem, znanym eks­pe­ry­men­tem myślowym. Wymyślił, że należy zamknąć futrzaka w pudełku wraz z pułapką ste­ro­waną za pomocą poje­dyn­czej cząstki. Może ona przybrać jeden z dwóch stanów z szansą 50% na każdy: przy pierw­szym uwalnia z pułapki śmier­cio­no­śną truciznę zabi­ja­jącą niewinne zwierzę, a przy drugim nic się nie dzieje i kot żyje, aż nie zdechnie z głodu. Pudełko jest jednak zamknięte, a mecha­nika kwantowa pod­po­wiada nam, że póki nie zajrzymy do środka, dopóty cząstka pozo­sta­nie w super­po­zy­cji dwóch stanów, a wraz z nią kot. W ten sposób miłe dyskusje na temat praw­do­po­do­bień­stwa i dziwnych zachowań cząstek, Schrödin­ger prze­niósł na wyższy i bardziej kon­tro­wer­syjny poziom. Skoro cząstka może znaj­do­wać się w dwóch pozy­cjach jed­no­cze­śnie, to dlaczego organizm nie mógłby być na raz żywy i zdechły? Natu­ral­nie eks­pe­ry­mentu tego nikt nie prze­pro­wa­dził, a w dodatku ma on kilka prze­szkód, ale świetnie uwypukla sprzecz­ność fizyki kwan­to­wej z codzien­nymi doświad­cze­niami.

Nie­któ­rzy rzekliby, że tam gdzie zaczyna się krzywda kota, tam kończą się żarty. Można również powie­dzieć, że w miejscu eks­pe­ry­mentu Schrödin­gera tak naprawdę kończy się fizyka, a zaczyna filo­zo­fia. Podobnie jak w przy­padku doświad­cze­nia z dwoma szcze­li­nami, swoim gapie­niem się redu­ku­jemy falę praw­do­po­do­bień­stwa; tak że czwo­ro­nóg “wybierze” jeden z dwóch stanów w chwili otwarcia przez nas pudełka. Jako obser­wa­to­rzy dopro­wa­dzimy do ure­al­nie­nia któregoś ze sce­na­riu­szy (oby tego pozy­tyw­nego!). Na jakiej pod­sta­wie? Kto jest obser­wa­to­rem? Czy pomiaru musi dokonać człowiek, czy może wystar­czy obecność zwie­rzę­cia lub nawet samego przy­rządu?

Jeżeli myślicie, że w ciągu kil­ku­dzie­się­ciu lat nauka znalazła panaceum na tę bolączkę, to jeste­ście wielkimi opty­mi­stami. Od czasu słynnej inter­pre­ta­cji kopen­ha­skiej do dnia dzi­siej­szego, wciąż poja­wiają się nowe, niekiedy bardzo dzi­waczne kon­cep­cje. W swojej książce “Bóg i Nowa Fizyka”, Paul Davies pisze tak:

Elektron nie rezy­gnuje z żadnej moż­li­wo­ści, dopóki ktoś go nie podejrzy. Oba możliwe światy współ­ist­nieją w postaci hybrydy, widmowej super­po­zy­cji.

Niedługo później, profesor New­ca­stle upon Tyne zwraca uwagę na następny problem:

Oddzia­ły­wa­nie elek­tronu z aparatem to proces, w którym uczest­ni­czą atomy aparatu, a zatem należy go opisywać uwzględ­nia­jąc efekty kwantowe.

Innymi słowy, duże obiekty, jak przyrząd do pomiaru lub nawet my sami, nie są do końca wolne od sza­leństw kwan­to­wego świata. Wedle takiego sta­no­wi­ska, pod­glą­da­jąc elektron niejako wcho­dzimy we współ­za­leż­ność z tą cząstką i sami przyj­mu­jemy którąś z pozycji.

Węgier­ski noblista Eugene Wigner wprawił swoich kolegów w osłu­pie­nie, twier­dząc, że wybór stanu kwan­to­wego dokonuje się w… świa­do­mo­ści obser­wa­tora. Fizyk jednym ruchem ręki roz­wią­zał – przy­naj­mniej według siebie – problem obser­wa­cji i współ­ist­nie­ją­cych hybryd światów. Ciężko odnaleźć dokładny opis rozważań Wignera, ale za to bez problemu można trafić na ich skutek. Postawa zakła­da­jąca, że świa­do­mość redukuje kwantową falę praw­do­po­do­bień­stwa, jest bliska przy­pusz­cze­niu, że ludzki umysł w pewnym stopniu kreuje rze­czy­wi­stość. Wątpię aby nauko­wiec w ten sposób postrze­gał ota­cza­jący go świat, co oczy­wi­ście nie prze­szka­dza róż­no­ra­kim grupom reli­gij­nym tudzież okul­ty­stycz­nym, wplatać mecha­niki kwan­to­wej do własnych idei. Warto o tym pamiętać, choćby przy prze­glą­da­niu youtu­bo­wych mate­ria­łów szem­ra­nego pocho­dze­nia, z których niemała część wrzuca naukę do jednego worka z szeroko rozu­mia­nym misty­cy­zmem.

Niewiele mniej dziwna, a w dodatku trak­to­wana z przy­mru­że­niem oka przez więk­szość fizyków, okazała się odważna hipoteza Hugha Everetta. Myśl była nastę­pu­jąca: obser­wa­tor nie redukuje fali, ani tym bardziej nie tworzy rze­czy­wi­sto­ści; po prostu wszyst­kie stany naprawdę istnieją! Według Everetta (w tym miejscu Niels Bohr prze­wraca się w grobie) każda z moż­li­wo­ści zdarza się w rów­no­le­głym wszech­świe­cie. Zatem gdy otwie­ramy pudło z kotem Schrödin­gera, dochodzi do roz­sz­cze­pie­nia się rze­czy­wi­sto­ści na dwie: w pierw­szej futrzak żąda pogła­ska­nia, a w drugiej leży do góry brzuchem. Wła­ści­wiej mówiąc, w każdej mikro­se­kun­dzie wyła­niają się miliardy odręb­nych wszech­świa­tów, w których mają miejsce inne kom­bi­na­cje wydarzeń.

“To dopiero schi­zo­fre­nia”! – pisał o tym pomyśle Bryce DeWitt. Choć w sza­leń­stwie jest metoda, trzeba uczciwie przyznać, że Everett swoją teorią roz­wią­zał jeden problem, gene­ru­jąc inne. Przede wszyst­kim, na jakiej zasadzie nasza świa­do­mość ciągle dokonuje wyboru, którym szlakiem podążyć? Istnieje wszech­świat, w którym nie piszę tego artykułu, albo w którym Hitler wygrał wojnę? No i rzecz jasna, jak tę teorię do jasnej Anielki, zwe­ry­fi­ko­wać?

Wszech­świat jako układ obser­wu­jący sam siebie (rys. Bóg i Nowa Fizyka).

Póź­niej­sza inter­pre­ta­cja, w której stwo­rze­niu brał udział Polak, Wojciech Żurek, przed­sta­wia sytuację na wskroś przy­ziem­niej: oto­cze­nie samo dla siebie jest obser­wa­to­rem. To oto­cze­nie nie­ustan­nie śledzi układy spra­wia­jąc, że z wszyst­kich kwan­to­wych moż­li­wo­ści makro­sko­powe obiekty wybie­rają tylko niektóre stany– twierdzi Żurek. Kore­spon­duje to nieco z zamysłem Johna Wheelera, zakła­da­ją­cego, iż cały wszech­świat jest obser­wa­to­rem dla samego siebie. Naj­waż­niej­szy wniosek płynący z tych hipotez jest nastę­pu­jący: nie­prze­wi­dy­wal­ność mecha­niki kwan­to­wej to bez­sprzeczny fakt, spraw­dza­jący się jednak w odpo­wied­nio odizo­lo­wa­nym układzie; nato­miast bom­bar­du­jąc elektron innymi cząst­kami redu­ku­jemy praw­do­po­do­bień­stwo do kon­kret­nego stanu. Nie ma duchów ani spon­ta­nicz­nie oddzie­la­ją­cych się wszech­świa­tów. Aby przy­pie­czę­to­wać sukces, prze­pro­wa­dzono eks­pe­ry­ment na jonie berylu. Najpierw wpro­wa­dzono go w stan super­po­zy­cji, a następ­nie popiesz­czono go laserem, w ten sposób, że “nie­na­świe­tlony” stan jonu znikał. Oto bez­po­średni dowód na wpływ oto­cze­nia na pozycję cząstki.

Eks­pe­ry­ment autor­stwa Davida Wine­landa (swoją drogą, tego­roczny laureat nagrody Nobla) to spory krok na przód w kwestii inter­pre­ta­cji zjawisk kwan­to­wych, ale raczej nie knebel dla filo­zo­fów. Na dobrą sprawę każda z przed­sta­wio­nych, jak i pomi­nię­tych w tym tekście teorii roz­wią­zuje pewne kłopoty, jed­no­cze­śnie gene­ru­jąc nowe. Pewne jest tylko to, że natura świata mikro­sko­po­wego, jak dziwna by się nam nie wydawała, rze­czy­wi­ście funk­cjo­nuje i otacza nas ze wszyst­kich stron.

Literatura uzupełniająca:

P. Davies, Bóg i Nowa Fizyka, Warszawa 1996;

L. Lederman, D. Teresi, Boska Cząstka. Jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?, Warszawa 2005;

P. Cieśliński, Mechanika kwantowa. Kot Schroedingera, Wyborcza.pl, [dostęp: 28.11.2012].