Czytaj dalej

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
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.
Autor
Adam Adamczyk

Adam Adamczyk

Naukowy totalitarysta. Jeśli nie chcesz aby wpadli do Ciebie naukowi bojówkarze, zostaw komentarz.