Dziś Google świętuje urodziny Erwina Schrödingera (1887-1961), genialnego fizyka, jednego z twórców mechaniki kwantowej. Nim inspirowane jest dzisiejsze doodle - czyli ilustrowane logo przeglądarki Google. Główną postacią jest tam jednak kot, który wychodzi z pudełka. O co chodzi z tym kotem? - pytają internauci. Proszę państwa, to najsłynniejszy i najdziwniejszy kot w dziejach fizyki.
Z tym kotem fizycy mają problem od blisko 80 lat.
Zacznijmy może od tego, że Wszechświat jest pełen rzeczy, które trudno znaleźć - skarpetek, parasoli, kluczy do samochodów. Niektóre się w końcu znajdują, inne nie, ale wydaje się, że one gdzieś muszą być w jakimś jednym, choć nieznanym nam, miejscu.
Tak przynajmniej sądzimy, dopóki nie zaczniemy studiować mechaniki kwantowej. Ona wcale nie daje pewności, iż każdą rzecz znajdziemy na swoim miejscu. Może to dziwne, ale - zgodnie z tą teorią - kluczyki do samochodu mogą znajdować się jednocześnie w kieszeni i pod gazetami na biurku, a skarpetki - na nogach albo w pralce. Jednocześnie. Jak mówią fizycy, każdy obiekt może być w superpozycji (złożeniu) dwóch stanów - ani w jednym, ani w drugim, lecz w obu naraz.
To jedna z rzeczy, które studenci poznają na pierwszych latach fizyki. - Początkowo młodzi ludzie zdziwieni mówią: co się dzieje? To sprzeczne z doświadczeniem. Ale widząc, że wykładowca mówi jak najbardziej poważnie, z czasem przyzwyczajają do tego dziwnego faktu - mówi Roger Penrose z Uniwersytetu w Oksfordzie.
Kwanty działają, ale jak?
Oczywiście, na początku do tego dziwactwa przywykli naukowcy. Nie mieli wyboru - teoria kwantowa od początku święci same triumfy. Dzięki niej nastąpiły techniczne rewolucje XX wieku - uwolnienie energii atomowej, wykorzystanie laserów i komputerów, miniaturyzacja elektroniki. Jakkolwiek dziwne wnioski wynikają z tej teorii - ona jednak działa. Dla przykładu - dzięki temu, że elektron może jednocześnie przelatywać przez dwie sąsiednie szczeliny, czyli być w dwóch miejscach naraz, udało się skonstruować mikroskop elektronowy.
Kłopot jest tylko w tym, że mechanika kwantowa powinna obowiązywać również w większej skali niż mikroświat. Tylko dlaczego dużo większa od elektronu kula bilardowa nigdy nie zachowuje się tak zwariowanie jak elektron? Jak z praw kwantowych, które prowadzą w skali mikroskopowej do mnóstwa dziwacznych dla nas paradoksów, wyłania się normalny świat, który widzimy wokół na co dzień?
To pytanie spędzało sen z oczu już twórcom mechaniki kwantowej. "Gdy ktoś powiada, że może rozmyślać o mechanice kwantowej bez zawrotów głowy, dowodzi to tylko, że jeszcze nic z niej nie zrozumiał" - mawiał słynny duński fizyk Niels Bohr.
Widzę, więc jestem
Fizycy ze szkoły kopenhaskiej tłumaczyli, iż to obserwator i urządzenia pomiarowe przywołują świat kwantowy do porządku. Elektron przyłapany na kliszy nie zostawiał nigdy dwóch śladów - musiał się zdecydować, gdzie jego miejsce.
Jednak interpretacja, w której wszystko zależy od obserwatora, pozostawia wątpliwości. "Wszechświat nie zwraca najmniejszej uwagi, czy na niewielkiej planecie ewolucja doprowadziła do pojawienia się ludzi, którzy mogą śledzić jego historię. Zachowuje się on zgodnie z kwantowymi prawami niezależnie od tego, co robią fizycy" - zauważa noblista Murray Gell-Mann (odkrywca kwarków) w książce "Kwark i jaguar".
Gell-Mann wspomina też, jak Enrico Fermi, słynny fizyk jądrowy, zapytał go: Jeśli mechanika kwantowa jest poprawna, to dlaczego Mars porusza się po określonej orbicie? Według mechaniki kwantowej elektron w atomie nie porusza się jak planeta - jego położenie jest "rozmyte".
"Obaj znaliśmy starą odpowiedź, wedle której Mars ma dobrze określone położenie, ponieważ obserwują go ludzie, ale wydawała się nam obu po prostu głupia" - pisze Gell-Mann.
Zacznijmy może od tego, że Wszechświat jest pełen rzeczy, które trudno znaleźć - skarpetek, parasoli, kluczy do samochodów. Niektóre się w końcu znajdują, inne nie, ale wydaje się, że one gdzieś muszą być w jakimś jednym, choć nieznanym nam, miejscu.
Tak przynajmniej sądzimy, dopóki nie zaczniemy studiować mechaniki kwantowej. Ona wcale nie daje pewności, iż każdą rzecz znajdziemy na swoim miejscu. Może to dziwne, ale - zgodnie z tą teorią - kluczyki do samochodu mogą znajdować się jednocześnie w kieszeni i pod gazetami na biurku, a skarpetki - na nogach albo w pralce. Jednocześnie. Jak mówią fizycy, każdy obiekt może być w superpozycji (złożeniu) dwóch stanów - ani w jednym, ani w drugim, lecz w obu naraz.
To jedna z rzeczy, które studenci poznają na pierwszych latach fizyki. - Początkowo młodzi ludzie zdziwieni mówią: co się dzieje? To sprzeczne z doświadczeniem. Ale widząc, że wykładowca mówi jak najbardziej poważnie, z czasem przyzwyczajają do tego dziwnego faktu - mówi Roger Penrose z Uniwersytetu w Oksfordzie.
Kwanty działają, ale jak?
Oczywiście, na początku do tego dziwactwa przywykli naukowcy. Nie mieli wyboru - teoria kwantowa od początku święci same triumfy. Dzięki niej nastąpiły techniczne rewolucje XX wieku - uwolnienie energii atomowej, wykorzystanie laserów i komputerów, miniaturyzacja elektroniki. Jakkolwiek dziwne wnioski wynikają z tej teorii - ona jednak działa. Dla przykładu - dzięki temu, że elektron może jednocześnie przelatywać przez dwie sąsiednie szczeliny, czyli być w dwóch miejscach naraz, udało się skonstruować mikroskop elektronowy.
Kłopot jest tylko w tym, że mechanika kwantowa powinna obowiązywać również w większej skali niż mikroświat. Tylko dlaczego dużo większa od elektronu kula bilardowa nigdy nie zachowuje się tak zwariowanie jak elektron? Jak z praw kwantowych, które prowadzą w skali mikroskopowej do mnóstwa dziwacznych dla nas paradoksów, wyłania się normalny świat, który widzimy wokół na co dzień?
To pytanie spędzało sen z oczu już twórcom mechaniki kwantowej. "Gdy ktoś powiada, że może rozmyślać o mechanice kwantowej bez zawrotów głowy, dowodzi to tylko, że jeszcze nic z niej nie zrozumiał" - mawiał słynny duński fizyk Niels Bohr.
Widzę, więc jestem
Fizycy ze szkoły kopenhaskiej tłumaczyli, iż to obserwator i urządzenia pomiarowe przywołują świat kwantowy do porządku. Elektron przyłapany na kliszy nie zostawiał nigdy dwóch śladów - musiał się zdecydować, gdzie jego miejsce.
Jednak interpretacja, w której wszystko zależy od obserwatora, pozostawia wątpliwości. "Wszechświat nie zwraca najmniejszej uwagi, czy na niewielkiej planecie ewolucja doprowadziła do pojawienia się ludzi, którzy mogą śledzić jego historię. Zachowuje się on zgodnie z kwantowymi prawami niezależnie od tego, co robią fizycy" - zauważa noblista Murray Gell-Mann (odkrywca kwarków) w książce "Kwark i jaguar".
Gell-Mann wspomina też, jak Enrico Fermi, słynny fizyk jądrowy, zapytał go: Jeśli mechanika kwantowa jest poprawna, to dlaczego Mars porusza się po określonej orbicie? Według mechaniki kwantowej elektron w atomie nie porusza się jak planeta - jego położenie jest "rozmyte".
"Obaj znaliśmy starą odpowiedź, wedle której Mars ma dobrze określone położenie, ponieważ obserwują go ludzie, ale wydawała się nam obu po prostu głupia" - pisze Gell-Mann.
Kot z krainy czarów
Jako jeden z pierwszych na ten paradoks zwrócił uwagę w 1935 roku Erwin Schrödinger, który był jednym z pionierów mechaniki kwantowej. Od planet wolał koty, więc kot gra główną rolę w jego eksperymencie myślowym, który został opublikowany w 1935 roku w artykule przeglądowym "Obecna sytuacja w mechanice kwantowej".
Schrödinger zamknął kota w pudełku z radioaktywnym atomem (zamknął tylko w myślach!). Jeśli atom się rozpadnie, to uwolni truciznę, która uśmierci kota. Ale atom - jak przystało na obiekt z mikroświata - zachowuje się dwuznacznie. Według praw kwantowych znajduje się w superpozycji stanów. W jednym już się rozpadł, a więc uaktywnił truciznę, a w drugim - jeszcze jest cały, a więc nieszkodliwy dla kota.
A więc - czy kot w pudełku żyje, czy nie?
Teoria kwantowa mówi, że ten kot jednocześnie i żyje, i nie żyje. Nikt oczywiście nigdy kota w takim stanie nie zobaczył. Nie możemy sobie nawet czegoś takiego wyobrazić. Można zadowolić się interpretacją kopenhaską mechaniki kwantowej - dopiero wtedy, gdy dokonamy pomiaru, tzn. zajrzymy do pudełka z kotem, ten zdecyduje się, czy zmaterializować się w stanie żywym, czy martwym. Ale to pachnie bzdurą, jak zauważa Gell-Mann.
Jeszcze gorzej brzmią fantastyczne pomysły "wielu równoległych światów", że w przypadku każdej superpozycji stanów nasz Wszechświat dzieli się na dwa - w jednym dzieje się jedna historia, a w drugim - druga. W jednym świecie kot żyje, a w drugim - jest martwy.
Wiadomo, że koty chadzają własnymi drogami, ale czy trzeba koniecznie stwarzać aż nowe wszechświaty, żeby uśmiercić (lub nie!) jednego kota?
Dekoherencja
Dopiero niedawno fizycy wpadli na nowy trop, być może właściwy, jak poradzić sobie z tym problemem. Cóż wymyślili? Jeśli układ fizyczny jest całkowicie odizolowany od otoczenia, to mechanika kwantowa sprawdza się co do joty. Natomiast gdy układ poddawany jest wpływom otoczenia, pływa w zupie fotonów, jest bombardowany cząsteczkami gazu itd., to następuje dekoherencja. Co to takiego? Intuicyjnie dla nas niezrozumiałe kwantowe superpozycje stanów bardzo szybko się rozpadają. Układ decyduje się na bycie w jednym ze stanów.
Słowem, kot ginie albo pozostaje żywy. Ale już nie pozostaje w tych dwóch stanach jednocześnie.
Nie potrzeba obserwatora, przyrządu bądź bezpośredniego pomiaru. Tę funkcję ma spełniać sama przyroda. To otoczenie nieustannie śledzi układy, sprawiając, że z wszystkich kwantowych możliwości (martwy lub żywy) makroskopowe obiekty (kot) wybierają tylko niektóre stany.
Mikroświat rozdwaja się aż miło
Oznacza to, że gdyby nie "szumy" otoczenia, kota można byłoby "rozdwoić" na żywego i martwego. Ostatnie eksperymenty zdają się to potwierdzać. W stan superpozycji są wprowadzane coraz większe obiekty. W 1995 roku amerykańscy naukowcy w Narodowym Instytucie Standardów i Laboratoriów Technologicznych (NIST) w Boulder obserwowali pojedynczy elektron znajdujący się równocześnie w dwóch różnych miejscach. Kilka lat później ci sami naukowcy zmusili do tego dużo większy obiekt - jon berylu. A potem zespół Antona Zeilingera z Uniwersytetu w Wiedniu w taki stan o podwójnej tożsamości wprowadził już cząsteczkę fullerenu - całkiem sporą, złożoną z 60 atomów węgla.
Zeilinger jest też pewien, że jak tylko eksperymentatorzy będą bardziej zręczni, to w stan superpozycji wprowadzą nawet większe rzeczy, np. bakterie. A jak bakterie, to może w przyszłości i koty?
Grawitacja wchodzi do gry
Tymczasem Roger Penrose ma inny jeszcze pomysł na poradzenie sobie z paradoksem. Twierdzi, że Zeilinger się myli. Jego zdaniem duże obiekty nie zachowują się zwariowanie. Paradoksy znikną, gdy weźmie się pod uwagę siłę grawitacji. Trzeba bowiem pamiętać, że mechanika kwantowa jest niepełną teorią - nie uwzględnia siły ciążenia. Fizycy marzą, by mechanikę kwantową rozszerzyć - stworzyć kwantową teorię grawitacji, ale nikt nie wie, jak tego dokonać.
W mikroświecie, gdzie królują lekkie jak piórko cząstki elementarne, efekty grawitacyjne są niezwykle słabe. W większych skalach sprawdza się zaś teoria Einsteina, zgodnie z którą masywne obiekty zakrzywiają przestrzeń wokół siebie, zmieniając bieg światła i wytwarzając siłę ciążenia.
Penrose domyśla się, że to właśnie grawitacja czyni nasz codzienny świat normalnym - pozbawionym dziwacznych superpozycji, które czyniłyby koszmarem poszukiwania najdrobniejszych rzeczy.
Jak to się dzieje? Penrose zauważa, że jeśli cząstki mogą być w dwóch miejscach jednocześnie, to również czasoprzestrzeń musi być w takiej superpozycji. - Muszą istnieć dwa różne zakrzywienia przestrzeni naraz - twierdzi. - A to znaczy, że nie można cząstce przypisać jednej określonej energii grawitacyjnej.
Słynna zasada Heisenberga żąda zaś, by niepewność określenia energii układu nie trwała nigdy zbyt długo. Można pogwałcić zasadę zachowania energii - ale tylko na chwilę. Im większa nieoznaczoność energii, tym krócej może ona trwać (bardziej znana jest ta zasada wobec położenia i pędu - im większa niepewność położenia, tym lepsza znajomość pędu cząstki).
O to właśnie chodzi Penrose. Dla cząstek o niewielkich masach nieokreśloność energii grawitacyjnej jest siłą rzeczy niewielka, a więc zasada Heinsenberga pozwala im długo trwać w takim dwuznacznym stanie. Penrose oblicza, że proton może być w dwóch miejscach naraz przez miliony lat. Tymczasem większe obiekty, które wpadną w superpozycję stanów, dużo szybciej będą musiały określić swoją energię, a więc znaleźć się tylko w jednym ze stanów. Dla kluczyków samochodowych - na szczęście - niepewność co do ich miejsca położenia powinna zniknąć po milionowej części sekundy.
Podobnie byłoby z kotem w pudełku z trucizną - tylko przez mgnienie oka jest pół martwy i pół żywy.
To grawitacja ma więc sprawiać, że twardo stoimy na ziemi i nie rozdwajamy się na dziwaczne stany kwantowe.
Jak jest naprawdę? Tego wciąż nie jesteśmy pewni i dlatego fizyka jest tak fascynująca.
*Ten artykuł w nieco innej wersji był publikowany w "Gazecie Wyborczej" w 2002 r.
Źródło: Wyborcza.pl
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz