Kwantowe interpretacje: obiektywny kolaps GRW

A gdyby tak wyrzucić z teorii kwantowej pojęcia pomiaru i obserwatora, a redukcję funkcji falowej uznać za wynik niezależnego, w pełni obiektywnego procesu fizycznego?

Występuje tu coś w rodzaju pomiaru, ale bez nikogo, kto dokonuje pomiaru.

‪Daniel Sudarsky

Nieprzypadkowo zabieram się za interpretację obiektywnego kolapsu bezpośrednio po tekście omawiającym postulaty konwencjonalnej szkoły kopenhaskiej. Oba podejścia zgodnie zakładają, że nasze rozumienie kwantowych fenomenów zależy przede wszystkim od odpowiedniego potraktowania problemu redukcji wektora stanu, czy jak kto woli – kolapsu funkcji falowej. W obu przypadkach za najbardziej newralgiczny element opisu mikroświata uważany jest “skok” od bliżej nieokreślonej chmury prawdopodobieństwa do obrazu konkretnej cząstki. Tyle tylko, że jedni widzą w owym kolapsie jedynie operację matematyczną okrywającą nagą ignorancję; drudzy zaś zupełnie dosłowne, obiektywne zjawisko. Brzmi jak kosmetyka, ale konsekwencje tej różnicy zdań sięgają fundamentów mikroświata.

Zacznijmy od tego, co oznacza w tym kontekście obiektywizm i dlaczego szkoła kopenhaska miałaby być mniej obiektywna?

Jeśli nie pamiętacie, Bohr i Heisenberg przekonywali nas, jakoby stan obiektu kwantowego pozostawał nieokreślony aż do momentu ingerencji obserwatora. Cząstka jest zmuszona do przyjęcia konkretnych właściwości w momencie przeprowadzeniem pomiaru. Kim lub czym jest w tej układance obserwator? I jak uzasadnić wyróżnioną rolę pomiaru? Sami ojcowie interpretacji kopenhaskiej nigdy nie kwapili się do wytyczenia zbyt jasnych definicji, jak gdyby tego rodzaju “filozofowanie” urągało godności fizyka. Dlatego, nawet jeżeli zgodzimy się co do tego, że redukcja stanu nie zależy w żaden sposób od inteligencji czy świadomości podglądacza, nadal nie zamyka to pola do spekulacji.

Fizyk Giancarlo Ghirardi, współautor interpretacji obiektywnego kolapsu
Zmarły w 2018 roku Giancarlo Ghirardi.

Lenistwo zwolenników konwencjonalnego podejścia do mikroświata zaczęło z czasem drażnić co bardziej dociekliwych fizyków. Jednym z przedstawicieli nowego, sfrustrowanego pokolenia był profesor Uniwersytetu w Trieście, Giancarlo Ghirardi. Włoch spędził wiele czasu na rozważaniach dotyczących stanu superpozycji i doszedł do wniosku, że fetyszyzowanie pomiaru nie ma żadnego poważnego uzasadnienia. Tak, obiekty kwantowe wykazują właściwości fali, jak również potrafią przebywać w wielu stanach jednocześnie – ale sam kolaps powinien następować bez względu na działanie jakiegokolwiek obserwatora, najlepiej w sposób niezależny, samoistny i może nawet mierzalny. Krótko mówiąc, kolaps powinien być obiektywny.

W ten sposób w połowie lat 80., Ghirardi wraz z Alberto Riminim i Tullio Weberem (stąd spotykany w literaturze skrót GRW) przedstawili własny pogląd na naturę zjawisk kwantowych. W modelu tym każda cząstka może doznać czegoś, co włoscy uczeni określili jako proces spontanicznej lokalizacji (ang. spontaneous localization process). Stan układu ewoluuje standardowo pod dyktando równania Schrödingera, ale raz na jakiś czas dochodzi do samoistnego, losowego skoku, skutkującego “ściągnięciem” całej fali do bardzo małego, niemal punktowego obszaru w przestrzeni.

Nasuwa się tu analogia do rozpadu promieniotwórczego jądra atomu. Nie wiemy kiedy dokładnie nastąpi rozpad pojedynczego jądra, ale umiemy wyliczyć w jakim czasie statystycznie ginie większość jąder danego pierwiastka. Interpretacja GRW dość podobnie traktuje superpozycję cząstki w kategorii stanu niestabilności, który w charakterystycznym czasie podlega nagłej redukcji. Nie znamy jeszcze wielkości tego czasu, ale na potrzeby swoich rozważań teoretycy mówią o stu milionach lub miliardzie lat. To bardzo długo. Dlatego łatwo wyobrazić sobie samotny elektron, który w przeciągu całego istnienia wszechświata zasmakuje spontanicznej lokalizacji zaledwie kilka razy, a jeśli jest pechowy – w ogóle.

Interpretacja obiektywnego kolapsu funkcji falowej

Dlaczego w takim razie cząstki analizowane w różnych doświadczeniach nie mają problemu z kolapsem na zawołanie? Włoscy uczeni założyli, że funkcje falowe mogą na siebie wpływać, a wraz z rozmiarem obiektu drastycznie rośnie szansa na kolaps. Z jednej strony tłumaczy to efekt obserwatora, który przez samą swoją obecność powiększa cały układ, dramatycznie skracając czas potrzebny do kolapsu fali. Z drugiej, dostarcza eleganckiej odpowiedzi na odwieczne pytanie o granicę kwantowych dziwactw. Pojedyncza izolowana cząstka może czekać miliony lat na losowy kolaps, atom nieco krócej, ale już ciało rozmiarów wirusa skonkretyzuje swój stan w ciągu milionowej części sekundy. Oznacza to, że wszystko we wszechświecie podlega tym samym zjawiskom. Superpozycja wymęczonego kota rzeczywiście mogłaby mieć miejsce, trwałaby jednak najwyżej niemierzalnie krótki ułamek sekundy.

Wszystko zależy więc od skali. Tylko dlaczego? Wielką bolączką modelu Ghirardiego-Riminiego-Webera pozostaje sam bodziec wywołujący obiektywny kolaps. Powód niestabilności kwantowej superpozycji. Uczeni przewidywali, że kluczowe znaczenie powinien mieć jakiś konkretny proces fizyczny, ale nie przedstawili żadnej zadowalającej hipotezy. Obecnie za najciekawszą propozycję uchodzi koncepcja znanego brytyjskiego matematyka, Rogera Penrose’a. Profesor Cambridge od lat forsuje pogląd, że spontaniczna lokalizacja może mieć związek geometrią czasoprzestrzeni – a zatem z grawitacją. Duże ciało oznacza większą masę, większa masa to silniejsze oddziaływanie grawitacyjne, a silniejsza grawitacja motywuje pobliskie cząstki do kolapsu. Rzecz interesująca i doniosła, tym bardziej że zahacza o nierozwiązany problem unifikacji mechaniki kwantowej z ogólną teorią względności.

Kiedy jednak zachodzi ten proces? Według mnie zasada superpozycji stanów załamuje się, gdy stosujemy ją w sytuacjach różniących się w dostatecznej mierze geometrią czasoprzestrzeni. (…) Gdy musimy rozważać superpozycje różnych geometrii, pojawiają się liczne problemy, ponieważ kierunek ustawienia stożków świetlnych zależy od geometrii czasoprzestrzeni. Jest to jeden z poważnych problemów, na który natykają się fizycy na serio usiłujący skwantować ogólną teorię względności.

Roger Penrose

Patrząc z dystansu na wszystkie te śmiałe pomysły, nie dziwi, że gdzieniegdzie zamiast o interpretacji, mówi się o hipotezie czy nawet teorii obiektywnego kolapsu. Jednak rozmach ma swoją cenę. Teoretycy przekonują do przyjęcia niemal namacalnego obrazu redukcji fali oraz wprowadzenia do gry nowych parametrów – czyli elementów, które powinny podlegać doświadczeniu. Dopóki takowego nie dostaniemy, GRW wciąż będzie gromadziła znacznie więcej sceptyków niż sympatyków.

Powyższy tekst stanowi część przeglądowego cyklu Kwantowe interpretacje. Pamiętaj proszę, że choć poszczególne interpretacje mogą rzucać różne światło na wyniki doświadczeń fizycznych oraz odmiennie opisywać przebieg niektórych zjawisk i procesów, to nie uchybiają w żaden sposób głównym zasadom i równaniom leżącym u podstaw współczesnej teorii kwantowej.

Literatura uzupełniająca:
G. Ghirardi, A. Rimini, T. Weber, Unified dynamics for microscopic and macroscopic systems, “Physical Review” 34/470, lipiec 1986;
J. Cartwright, Collapse: Has quantum theory’s greatest mystery been solved?, [online: https://landing.newscientist.com/department-for-education-feature-3/];
Ł. Lamża, M. Łobejko, Co się dzieje w świecie kwantów?, Kraków 2019;
R. Penrose, Makroświat, mikroświat i ludzki umysł, Warszawa 1997;
R. Penrose, Moda, wiara i fantazja w nowej fizyce Wszechświata, przeł. T. Miller, Kraków 2017.
Nobel za czarne dziury – krótko i nawet przejrzyście 30 przed 30 – bo fizyka jest domeną młodych Architekt nowej fizyki cz.1: Albert Einstein i podejrzany czas