Kim jest kwantowy obserwator?

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].
Nobel za czarne dziury – krótko i nawet przejrzyście Kosmiczna symfonia cz.3: Teoria strun Nobel za optyczną pęsetę – krótko i niezbyt przejrzyście