Przyjaciel Wignera i obserwacja w mechanice kwantowej

Popularnonaukowe

Nieobiektywny przyjaciel pana Wignera

Świeża publikacja Massimiliano Proiettiego i Alexandra Pickstona stawia pod znakiem zapytania charakter obserwatora w mechanice kwantowej oraz przywraca na tapet eksperyment myślowy opracowany w 1961 roku przez Eugene’a Wignera.

byAdam Adamczyk

16/03/2019

6 minute read

15 komentarzy

Metoda naukowa opiera się na faktach ustalanych za pomocą powtarzanych obserwacji, uznanych niezależnie od tego, kto dokonał pomiaru. W mechanice kwantowej obiektywność obserwacji nie jest tak klarowna.
Massimiliano Proietti

Odgadnij przedmiot

Zaczniemy bardzo nietypowo. Bez wchodzenia w kwestię pomysłu Wignera, w meandry mechaniki kwantowej, a nawet nie dotykając fizyki. Rozpoczniemy od nieskomplikowanej gry towarzyskiej.

Wyobraź sobie, że jesteś gościem na domowym przyjęciu. Gdy impreza nieco się rozkręca, ktoś wpada na pomysł intelektualnej zabawy w rodzaju kalamburów (lub popularnego w sieci Akinatora). Najpierw wypraszamy jedną z osób z pokoju, następnie naradzamy się na wybór jakiegoś przedmiotu, którego nazwę wyproszona osoba będzie musiała zgadnąć. Po powrocie do pomieszczenia wybraniec próbuje trafić w odpowiedź, zadając zgromadzonym proste pomocnicze pytania i otrzymując jedynie odpowiedzi “tak” lub “nie”. Wszyscy bawią się świetnie, ale po kilkunastu rundach zaczyna wiać nudą. Postanawiamy więc zrobić mały psikus kolejnemu graczowi. Każda z osób wymyśla własne słowo, nie uzgadniając niczego z resztą. Rzecz jasna w takich okolicznościach zabawa robi się znacznie dłuższa i bardziej nieznośna dla ofiary żartu, ale przy odrobinie szczęścia, trafi ona w końcu na któryś obiekt wymyślony przez jednego ze znajomych.

Jeśli wierzyć anegdotom, w tego rodzaju pułapkę podczas spotkania towarzyskiego wpadł kiedyś John Archibald Wheeler. Jak przystało na zatraconego w nauce profesora, nawet wynik niewinnej gry stał się dla niego cenną inspiracją. Amerykański teoretyk brał udział w niekończącej się debacie na temat interpretacji zjawisk kwantowych, zaś niesprecyzowany przedmiot zagadki potraktował jako alegorię dla nieokreślonego stanu bytów subatomowych.

Wheeler uważał (w czym nie był odosobniony), iż obiekt o skonkretyzowanych właściwościach w skali mikro, do momentu obserwacji po prostu realnie nie istnieje. Obiektywnie istnieje natomiast akt pomiaru, będący odpowiednikiem pytań naprowadzających na poszukiwane słowo. Podczas “oszukanej” zabawy na przyjęciu fizyk ostatecznie znalazł poprawną odpowiedź, choć gdy zaczynał, takowej nie było. Podobnie przykładowy foton nie posiada jasno sprecyzowanej polaryzacji i dopóki nie zostanie zbadany, dopóty pozostaje w stanie superpozycji.

Co z rzeczywistością?

Wybacz Czytelniku tak długi wstęp, ale sądzę, że historyjka Wheelera naprawdę nieźle oddaje istotę wracających raz po raz wątpliwości dotyczących funkcjonowania mikroświata. Rzecz ma się następująco. Mechanika kwantowa w rewelacyjny i zaskakująco dokładny sposób opisuje zachowania cząstek elementarnych, jednakże działające równania nie mówią nam wszystkiego. Wszystkie zjawiska kwantowe – od zasady nieoznaczoności, przez tunelowanie, aż po splątanie – obserwujemy i wykorzystujemy, ale nadal nie jesteśmy zgodni co do ich istoty. Dzieje się tak, ponieważ fizyka kwantów nie przystaje do fizyki klasycznej, a co za tym idzie do procesów, z jakimi stykamy się na co dzień. Cząstka potrafi przemierzać niezliczoną liczbę trajektorii na raz oraz pozostawać w kilku stanach jednocześnie. To matematycznie i eksperymentalnie potwierdzone fakty i nawet najwięksi kwantowi sceptycy szybko dali sobie spokój z ich negowaniem.

Ale w jaki sposób małe obiekty dokonują swoich sztuczek? W którym momencie cząstka przybiera konkretną formę? Jaki konkretnie czynnik powoduje redukcję fali prawdopodobieństwa? Te i inne wątpliwości gnębią fizykę od ponad stu lat i do chwili obecnej wywołują kontrowersje. Nic dziwnego. Ostatecznie wszystko sprowadza się do najgłębszego filozoficznego pytania, jakie tylko można postawić. Pytania o istnienie realnej, obiektywnej rzeczywistości.

Koty i przyjaciele

Problemy z realizmem mechaniki kwantowej i rolą pomiaru w dosadny sposób obnażyły dwa eksperymenty myślowe. Pierwszy, to powszechnie znany kot Schrödingera, nad którym nie chcę się po raz kolejny rozwodzić. Przypomnę tylko, że zamknięty w pudełku futrzak, bardzo dosadnie unaocznił dziwaczność kwantowych zasad w przełożeniu na duże (i żywe) obiekty. Jesteśmy w stanie zaakceptować fakt niepewnego stanu radioaktywnego atomu, ale już wizja “jednocześnie” żywego i martwego zwierzaka budzi niepokój.

Drugie arcyważne doświadczenie myślowe przedstawił młodszy kolega Schrödingera, noblista Eugene Wigner (na zdjęciu powyżej). Niezbyt znany popkulturze przyjaciel Wignera, to wyimaginowany facet przebywający w zamkniętym pomieszczeniu wraz z pudłem skrywającym kota (lub jakikolwiek obiekt pozostający w stanie superpozycji) i zaglądający do środka.

Dla austriackiego noblisty zabawa kończyła się w chwili otwarcia pojemnika, co miało niechybnie doprowadzić do kolapsu fali prawdopodobieństwa i wymusić na całym układzie (radioaktywny atom + kot) wybór konkretnego stanu. Wigner poszedł w tej łamigłówce o krok dalej. Dlaczego nie założyć, że radioaktywny atom, kot i nasz przyjaciel nie tworzą kolejnego, większego układu pozostającego w stanie superpozycji? Dopiero otworzenie drzwi pokoju przez kolejnego obserwatora wywoła dekoherencję, konkretyzując właściwości atomu, kota i mężczyzny.

Główny problem z przyjacielem Wignera polega na tym – co pewnie już sami wydedukowaliście – że ten kwantowy łańcuch w zasadzie nie ma końca. Właśnie to niepokoiło wspomnianego wcześniej Johna Wheelera, który dumał nad perspektywą jakiegoś większego, uniwersalnego obserwatora (w skali makro wszechświat mógłby być obserwatorem sam dla siebie). Inni traktowali wnioski Wignera jako pozbawioną umocowania w nauce ciekawostkę. Wszakże, stan kwantowy cząstki czy radioaktywnego atomu określa się przez jakikolwiek kontakt z otoczeniem. Nie ma zatem znaczenia czy patrzy nań kot, czy człowiek, czy elektroniczny detektor. Superpozycji podlega jedynie w pełni odizolowany obiekt, a jakikolwiek pomiar kończy zabawę.

Wiele rzeczywistości?

To logiczne i racjonalne założenie, toteż większość kwantowych interpretatorów mogło uznać temat za zamknięty i pójść na grzyby. Jednak nie wszyscy. Część fizyków wciąż dostrzegało w przyjacielu Wignera wielką szansę dla własnych domysłów. Bo co się właściwie dzieje wraz z aktem pomiaru na cząstce elementarnej? Drobina zmaterializuje się losowo przybierając określone właściwości i porzucając inne. Zapewne. No chyba, że cząstka przyjmuje konkretny stan dla tego konkretnego obserwatora, ale razem tworzą nowy kwantowy układ pozostający w superpozycji dla całej reszty wszechświata. Gdy osoba trzecia otwiera drzwi laboratorium, kwantowa ruletka rozkręca się od nowa. Spadkobiercy Hugh Everetta byliby zachwyceni taką perspektywą. Mogłaby ona podpierać interpretację mechaniki kwantowej, zgodnie z którą fizyczna rzeczywistość ulega ciągłemu rozszczepianiu, a w każdej odnodze realizuje się inny możliwy scenariusz.

Tak, to wyjątkowo ekstrawagancka perspektywa. Jednakże, choć tego typu hipotezy od zawsze były traktowane z przymrużeniem oka, eksperymentalnie nie doczekały się zanegowania i naukowa uczciwość nakazuje brać je w rachubę.

Eksperyment Proiettiego

Tu dochodzimy do roku 2019 i świeżego doświadczenia, które może rozkopać grób przyjaciela Wignera i wznowić debatę nad istotą zjawisk kwantowych. Pomysł wyszedł od Caslava Bruknera z Uniwersytetu Wiedeńskiego, a jego realizacji podjęła się ekipa Massimiliano Proiettiego i Alexandra Pickstona. Było to oczywiście przedsięwzięcie diabelsko skomplikowane – zwłaszcza, że nie był to “czysty” przyjaciel Wignera, lecz jego rozszerzona wariacja – ale spróbuję wycisnąć jego esencję

W próbie wykorzystano splątane fotony i cztery podmioty: Alicję i jej przyjaciółkę oraz Boba i jego przyjaciela. Przyjaciółka Alicji siedzi w pierwszym laboratorium i poddaje obserwacji fotony, doprowadzając do kolapsu i obrania przez nie określonej polaryzacji. Jednocześnie, zgodnie z teorią, wymusza to natychmiastowy kolaps splątanych z nimi fotonów w innym laboratorium, w którym urzęduje przyjaciel Boba. Dotąd wszystko wydaje się jasne. Przyjaciele zapisują, która cząstka posiada polaryzację pionową, a która poziomą. Teraz do gry wchodzą sami Alicja i Bob, czekający poza izolowanymi laboratoriami i zgodnie z założeniami, wyposażeni w wolność wyboru. Każdy z nich może zapytać swojego pomagiera o uzyskane przez niego wyniki (oznaczmy je jako A0 i B0), co wymusi określenie stanu całości. Mogą też zignorować przyjaciół i wkroczyć do laboratoriów ustalając własne fakty (A1 i B1). Rozsądek podpowiada nam, że bez względu na przyjętą metodę dane powinna cechować spójność. Pierwszy lepszy akt pomiaru powinien doprowadzić do dekoherencji i ustalić obiektywne wyniki – bezwzględne oraz identyczne dla wszystkich.

Jednak wyniki okazały się nie odpowiadać przyjętym założeniom.

W praktyce eksperyment był znacznie mniej plastyczny i o wiele bardziej złożony (sprowadzał się do zestawiania rozkładów prawdopodobieństwa dla wszystkich wariantów i sprawdzeniu jak wyniki mają się do nierówności Bella – wszystkie wyliczenia oraz techniczne szczegóły są oczywiście obecne w publikacji). O czym świadczy niespójność wyników? To tak, jak gdyby przyjaciel sprawdził jak miewa się kot Schrödingera, ale z punktu widzenia nas wszystkich, oczekujących poza laboratorium, kot wciąż pozostawał nieokreślony. I to nawet jeśli jesteśmy pewni, że jakiś pomiar został już dokonany! Dokładnie tak jak to widział Eugene Wigner.

Jednak to dopiero furtka dla kolejnych interpretacji. Czy w stanie superpozycji, z punktu widzenia Alicji i Boba, znajdują się akty pomiaru ich przyjaciół? Sami przyjaciele? Całe fizyczne układy, wliczając w to zarówno cząstki jak i dokonujących pomiarów? Czy w ramach doświadczenia uwidaczniają się dwie rzeczywistości, które – co dziwaczne – wcale się nie wykluczają? Zdaniem europejskich badaczy powyższe wątpliwości zasługują na gruntowne rozpatrzenie.

Kwantowy subiektywizm

Publikacja Massimiliano Proiettiego to jeszcze za mało aby porzucać kolejne szańce obiektywizmu, ale bez wątpienia pociągnie za sobą kolejne eksperymenty. Jeśli uzyskiwane rezultaty będą się powtarzać, naukowcy i filozofowie otrzymają twardy orzech do zgryzienia. Autorzy artykułu już w tytule swojej pracy stawiają odważny wniosek o “odrzuceniu niezależnego obserwatora w mechanice kwantowej”. Komentatorzy poszli jeszcze dalej, rzucając sugestię o braku czegoś takiego jak obiektywna rzeczywistość.

Brzmi sensacyjnie, ale pamiętajmy, że mechanika kwantowa (jak i cała współczesna fizyka) od samego początku depcze nasze intuicyjne pojmowanie świata. Od stu lat uczymy się, że za kotarą twardych praw natury, wszechświat skrywa nieokreśloność i probabilizm. Spoglądając na to wszystko, kolejne porcje relatywizmu i subiektywizmu nie są już tak szokujące. No, może troszkę.