Żadne zwierzę nie zrobiło takiej kariery w świecie nauki jak wyimaginowany półżywy-półmartwy kot Erwina Schrödingera. Większość z was nie słyszała jednak o przedłużeniu sławnego eksperymentu myślowego, autorstwa innego noblisty, Eugena Wignera.

Wsadźmy sierściucha do pudełka

Jeżeli czytacie regu­lar­nie Kwantowo, to na pewno wiecie o co z tym całym kotem chodzi (odsyłam do krót­kiego filmiku oraz artykułu na temat roli obser­wa­tora), dla reszty zaś już śpieszę z krótkim obja­śnie­niem. Wybitny austriacki uczony Erwin Schrödin­ger wymyślił, brutalne w formie, hipo­te­tyczne doświad­cze­nie z kotem w roli głównej. Zamysł polegał na zamknię­ciu Mruczka w jednym pojem­niku wraz z wymyślną pułapką. Jej mecha­nizm miał opierać się o jeden atom, który jak powszech­nie wiadomo, prędzej czy później musi ulec roz­pa­dowi. Żeby było bardziej wido­wi­skowo, rozpad powo­do­wałby uwol­nie­nie trucizny uśmier­ca­ją­cej kota Schrödin­gera. Haczyk? Nikt nie wie kiedy atom “posta­nowi” się rozpaść.

Kot Schrödingera w pudełku

Po cóż fizyk głowił się nad kar­ko­łom­nym eks­pe­ry­men­tem? Był to czas two­rze­nia zrębów mecha­niki kwan­to­wej oraz odkry­wa­nia jej kolej­nych impli­ka­cji. Fizycz­nych jak i filo­zo­ficz­nych. Naukowcy w prze­wa­ża­ją­cej części byli już zgodni co do tego, że życiem cząstek i atomów rządzi zasada nie­ozna­czo­no­ści i super­po­zy­cja. Wbrew zdrowemu roz­sąd­kowi, nie istnieje moż­li­wość okre­śle­nia z abso­lutną dokład­no­ścią dwóch kom­ple­men­tar­nych wła­ści­wo­ści cząstki (np. poło­że­nia i pędu), ani podać terminu jej rozpadu. W ogóle nie mamy prawa mówić o aktu­al­nym stanie cząstki bez doko­na­nia pomiaru. W mikro­świe­cie obiekt może pozo­sta­wać w super­po­zy­cji, czyli więcej niż jednym stanie naraz, dopóki ktoś nie dokona aktu obser­wa­cji, dopro­wa­dza­jąc do kolapsu fali praw­do­po­do­bień­stwa. I to mierziło Schrödin­gera. W wymy­ślo­nej przez niego sytuacji, atom który się rozpada i nie rozpada naraz, staje się rów­no­znaczny z jed­no­cze­śnie żywym i martwym kotem. Kto więc do diaska jest obser­wa­to­rem? Kto sprawia, że cząstka wybiera kon­kretny stan, decy­du­jąc o życiu pupila? 

Przyjaciel Wignera

Szpila wie­deń­skiego pro­fe­sora uwierała i nadal uwiera teo­re­ty­ków. Kota wkrótce posta­no­wił wyko­rzy­stać (biedne zwierzę) do swoich celów inny wielki fizyk. Uro­dzo­nego w Buda­pesz­cie Eugena Wignera możecie kojarzyć jako współ­twórcę pierw­szego reaktora jądro­wego, jak i eks­cen­trycz­nego piewcę nie­sza­blo­no­wych inter­pre­ta­cji efektów kwan­to­wych. Noblista rozwinął pomysł swojego kolegi (wspólna młodość w Berlinie…), pytając dlaczego jego rozu­mo­wa­nie miałoby ogra­ni­czać się tylko do kota? Jak usta­li­li­śmy, zło­wiesz­czy nauko­wiec otwiera pudło redu­ku­jąc stan cząstki i zwie­rzaka – a może powin­ni­śmy potrak­to­wać pokój z kotem, pułapką i badaczem jako kolejny pojemnik?

W jednym z warian­tów eks­pe­ry­mentu myślo­wego Wignera, bierze udział on sam oraz ano­ni­mowy przy­ja­ciel. Fizyk wykonuje sidła zgodnie z instruk­cją Schrödin­gera, po czym wychodzi z labo­ra­to­rium pozo­sta­wia­jąc tam swojego zna­jo­mego, który ma otworzyć pudło i spraw­dzić jak miewa się Mruczek. Spójrzmy do czego w praktyce doszło. Pro­mie­nio­twór­czy atom znajduje się w super­po­zy­cji, podobnie jak uwię­ziony w pojem­niku czwo­ro­nóg oraz zamknięty w pokoju kumpel Wignera! Cała kon­fi­gu­ra­cja została związana z losem atomu. Ocze­ku­jący na wieści węgier­ski profesor mógłby stwier­dzić, że atom rozpadł się i nie rozpadł jed­no­cze­śnie, kot jest żywy i martwy, a przy­ja­ciel przeżywa naraz traumę i radość po otwarciu pudełka. Co zabaw­niej­sze, sam Wigner też podlega super­po­zy­cji dopóki nie ujrzą go inni obser­wa­to­rzy. I tak w nie­skoń­czo­ność.

Eugene Wigner w 1944 roku.
Eugene Wigner w 1944 roku (po lewej).

Co jest clou sprawy? Jeżeli przyjąć wigne­row­skie rozu­mo­wa­nie za sensowne, do momentu podzie­le­nia się infor­ma­cją, przy­ja­ciel pozo­staje w super­po­zy­cji kwan­to­wej. Erwin Schrödin­ger pokazał jedynie jak dziwne byłoby prze­rzu­ca­nie praw mecha­niki kwan­to­wej na duże obiekty, tudzież żywe stwo­rze­nia. Wigner był ambit­niej­szy, każąc nam zasta­no­wić się, czy aby efekty kwantowe nie dotyczą również nas samych. Istot świa­do­mych.

Znów ten obserwator

Żeby lepiej zro­zu­mieć kon­se­kwen­cje całej afery, możemy rozważyć prostszą wersję eks­pe­ry­mentu. Po prostu zamiast umę­czo­nego kota, bez­po­śred­nio do pudła z pułapką wsadzimy czło­wieka. Futrzaka trak­to­wa­li­śmy bardzo przed­mio­towo, odbie­ra­jąc mu miano obser­wa­tora. Ale kto, jeśli nie człowiek, miałby być peł­no­praw­nym obser­wa­to­rem, zdolnym do redukcji fali praw­do­po­do­bień­stwa? Jeżeli przy­ja­ciel nie sprawi, że atom przyjmie kon­kretny stan, to ana­lo­gicz­nie do kota Schrödin­gera zostanie kwan­to­wym zombie. To nie­bez­pieczne podej­ście, bo naka­zy­wa­łoby doszu­ki­wa­nia się super­po­zy­cji stanów dosłow­nie wszędzie. Z kolei, jeśli uznamy czło­wieka za jedyny podmiot wymu­sza­jący swą obec­no­ścią kolaps fali, otwo­rzymy furtkę dla całej masy meta­fi­zycz­nych inter­pre­ta­cji rze­czy­wi­sto­ści.

Nie będąc goło­słow­nym przy­wo­łam choćby nazwiska Ludvika Bassa i Amita Goswa­miego. Obaj, na pod­sta­wie teo­re­tycz­nych łami­głó­wek, pro­pa­gują wizję ludzkiej świa­do­mo­ści jako istot­nego czynnika, niejako kreu­ją­cego rze­czy­wi­stość. Jak pisze Goswami: Świa­do­mość to nie­lo­kalna kosmiczna jedność kryjąca się za dwiema lokal­nymi jed­nost­kami w postaci Wignera i jego przy­ja­ciela. Taka kon­cep­cja miałaby raz na zawsze roz­wią­zać wszelkie problemy z obser­wa­to­rem: falę praw­do­po­do­bień­stwa redukuje wspólna, kosmiczna jedność, której frag­men­tami pozo­stają nasze umysły. (Tak przy okazji, jak nie­trudno zauważyć, pomysł uni­wer­sal­nej świa­do­mo­ści roz­wią­zuje też paradoks EPR.)

Ale wróćmy do nauki. Sam Eugene Wigner, idąc za rękę z Hugh Eve­ret­tem, chciał przez swój eks­pe­ry­ment myślowy prze­ko­nać świat nauki do hipotezy wie­lo­światu (zob. tu). Nie wchodząc w szcze­góły, nasza rze­czy­wi­stość miałaby ulegać sys­te­ma­tycz­nemu roz­bi­ja­niu. Otwie­ra­jąc pudło, tworzymy dwa roz­ga­łę­zie­nia wszech­świata: w pierw­szym kot Schrödin­gera mruczy, w drugim leży do góry brzuchem. Kwestia obser­wa­tora zostaje zni­we­lo­wana faktem ist­nie­nia każdego moż­li­wego sce­na­riu­sza wydarzeń.

Królują rzecz jasna bardziej przy­ziemne teorie, których nie da się w krótkim artykule wymienić. Dla przy­kładu warto wspo­mnieć o wciąż młodej kon­cep­cji, igno­ru­ją­cej ideę osobowej świa­do­mo­ści, w zamian kładąc nacisk na zło­żo­ność obiektów w skali makro­sko­po­wej. Poje­dyn­cza cząstka pozo­staje w stanie super­po­zy­cji tak długo jak długo jej na to pozwo­limy, poprzez zapew­nie­nie jej swobody. Jeżeli w eks­pe­ry­men­cie z dwoma szcze­li­nami zaczy­namy “gapić” się na prze­la­tu­jące cząstki, ogra­ni­czamy im pole manewru, redu­ku­jąc ich tra­jek­to­rię. Cząstki zor­ga­ni­zo­wane w dużych kon­fi­gu­ra­cjach – takimi są koty i my sami – wza­jem­nie wpływają na swoje stany znacznie zmniej­sza­jąc szanse na jakie­kol­wiek kwantowe dzi­wac­twa. Tylko cząstki znaj­du­jące się w izolacji od świata ujaw­niają swoją naturę w pełnej krasie. Stąd blisko do stwier­dze­nia, że wszech­świat pozo­staje obser­wa­to­rem sam dla siebie.

Co zatem z kotem Schrödin­gera? Cóż, człowiek otwie­ra­jący pudło jest zbędny. Nie ma powodu, dla którego futrzak, samą swoją obec­no­ścią nie spo­wo­do­wałby kolapsu kwan­to­wej fali praw­do­po­do­bień­stwa. 

Literatura uzupełniająca:
J. Gribbin, W poszukiwaniu kota Schrödingera. Realizm w fizyce kwantowej, J. Bieroń, Warszawa 1997;
J. Gribbin, Kotki Schrödingera, czyli poszukiwanie rzeczywistości, J. Bieroń, Warszawa 1999;
A. Goswami, Bóg jeszcze nie umarł. Co fizyka kwantowa mówi o naszym pochodzeniu, przeł. B. Kotarski, Białystok 2015;
S. Ziemiański, Filozoficzne implikacje ortodoksyjnej teorii kwantów, Fac. Philos. SJ, t. 3, Kraków 1998.