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.

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. 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.

Eugene Wigner
Eugene Wigner

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 Austriaka 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.

Przyjaciel Wignera

Główny problem z przy­ja­cie­lem Wignera polega na tym – co pewnie sam wyde­du­ko­wa­łeś – 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

Eksperyment Massimiliano 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.

Literatura uzupełniająca:
M. Proietti, A. Pickston, F. Graffitti, Experimental rejection of observer-independence in the quantum world, [online: https://arxiv.org/pdf/1902.05080.pdf?fbclid=IwAR3QsXgJPkAPXlt-PQ5Ti6xGD4Taz-2_fmeZ-IlZdKVqBFdhRv1795Z39Zo];
C. Mudede, Are You Ready for Your Ideas About Reality to Be Turned into Mush?, [online: https://www.thestranger.com/slog/2019/03/13/39576391/are-you-ready-for-your-ideas-about-reality-to-be-turned-into-mush];
A quantum experiment suggests there’s no such thing as objective reality, [online: www.technologyreview.com/s/613092/a‑quantum-experiment-suggests-theres-no-such-thing-as-objective-reality/];
J. Gribbin, Kotki Schrodingera, czyli poszukiwanie rzeczywistości, przeł. J. Bieroń, Warszawa 1999.