Dalej niż kot Schrödingera

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.
7 przełamanych paradygmatów naukowych Szanowny panie, potrzebujemy bomby! TBBT: 7 poważnych pytań postawionych w niepoważnym serialu