Mechanika kwantowa jest dziwna i sprzeczna ze zdrowym rozsądkiem. Badanie z roku 2019 wykazało, że wyniki różnych procesów w świecie kwantowym zależą od obserwatora. Już w latach 60. Eugene Wigner, amerykański fizyk węgierskiego pochodzenia, skomplikował słynny eksperyment myślowy kota Schrödingera, w którym uwięziony jest on w pudełku z trucizną, która uwalnia się w momencie rozpadu radioaktywnego atomu.
Radioaktywność jest procesem kwantowym, więc historia głosi, że atom w pudełku zarówno rozpadł się, jak i nie rozpadł się w tym samym czasie, pozostawiając nieszczęśliwe zwierzę zawieszone między życiem a śmiercią – tzw. superpozycja kwantowa. Ale jak to jest być żywym i martwym w tym samym czasie?
Dziwaki Mechaniki Kwantowej – Obserwator Obserwatora
Paradoks Wignera to skomplikowany eksperyment kota Schrödingera. Wigner wprowadził kategorię „przyjaciół”, w której kot w pudełku pozostaje żywy.
Paradoks kwantowy
Wyobraźmy sobie osobę uwięzioną w laboratorium i mierzącą system kwantowy. Wigner argumentował, że absurdem jest twierdzenie, że istnieje on w superpozycji (ponieważ jednocześnie widzi i nie widzi rozpad atomu), podczas gdy drzwi laboratorium są zamknięte. Eksperyment myślowy pokazuje, że rzeczy mogą stać się bardzo dziwne, jeśli obserwator obserwuje obserwatorów.
Fizyk kwantowy na Uniwersytecie Griffitha w Brisbane (Australia) Nora Tishler i jej współpracownicy przeprowadzili wersję eksperymentu Wignera, łącząc klasyczny eksperyment myślowy z inną teorią kwantową – splątaniem kwantowym – zjawiskiem, które wiąże cząstki na ogromne odległości. Badacze wymyślili też nowe twierdzenie, które nakłada najsilniejsze ograniczenia na fundamentalną naturę rzeczywistości. Praca została opublikowana w czasopiśmie Nature Physics.
Tak długo, jak układ kwantowy nie jest obserwowany, nie musi mieć pewnych właściwości.
Prawdopodobieństwo kwantowe
Do lat dwudziestych XX wieku fizycy pewnie przewidywali wyniki eksperymentów. Ale teoria kwantowa wydaje się być z natury probabilistyczna: tak długo, jak właściwości systemu nie są mierzone, mogą one obejmować niezliczoną ilość wartości. Ta superpozycja zapada się tylko w jeden stan podczas obserwacji systemu, a fizycy nie mogą dokładnie przewidzieć, jaki będzie ten stan. Wigner utrzymywał wówczas popularny pogląd, że świadomość w jakiś sposób powoduje załamanie się superpozycji. Tak więc, jego hipotetyczny przyjaciel ustali wynik, kiedy będzie dokonywał pomiarów – a Wigner nigdy nie zobaczy go w superpozycji.
Od tego czasu pogląd ten wyszedł z mody. „Ludzie badający podstawy mechaniki kwantowej szybko odrzucają pogląd Wignera jako upiorny i niejasny, ponieważ czyni on obserwatorów wyjątkowymi”, mówi David Chalmers, filozof i kognitywista z Uniwersytetu Nowojorskiego. Większość fizyków zgadza się dziś, że obiekty nieożywione mogą wyprowadzać układy kwantowe z superpozycji poprzez proces znany jako dekoherencja.
Oczywiście, naukowcy próbujący w laboratorium manipulować złożonymi kwantowymi superpozycjami mogą uznać, że ich ciężka praca jest niszczona przez szybkie cząstki powietrza zderzające się z ich układami. Dlatego też badają oni w ultra krótkiej temperaturze i starają się odizolować aparat od drgań.
Zauważ, że w ciągu ostatnich dziesięcioleci pojawiło się kilka konkurencyjnych interpretacji, z których najbardziej egzotyczną jest pogląd „wielu światów”, że za każdym razem, gdy dokonujesz pomiaru kwantowego, rzeczywistość załamuje się, tworząc równoległe uniwersum. W ten sposób przyjaciel Wignera podzieliłby się na dwie kopie i mógł faktycznie mierzyć bycie w superpozycji poza laboratorium.
Alternatywna teoria „Bohma” (nazwana na cześć fizyka Davida Bohma) stwierdza, że na poziomie podstawowym systemy kwantowe mają pewne właściwości; po prostu nie wiemy o tych systemach wystarczająco dużo, aby dokładnie przewidzieć ich zachowanie. Inna intrygująca interpretacja nazywa się retrokausality. Według niej, wydarzenia w przyszłości wpływają na przeszłość.
Problem polega na tym, że każda interpretacja jest równie dobra lub zła w przewidywaniu wyników testów kwantowych, więc wybór pomiędzy nimi jest kwestią gustu. Nikt nie wie, jakie jest to rozwiązanie. Nie wiemy nawet, czy lista możliwych rozwiązań, którą mamy, jest wyczerpująca.
Fizyka kwantowa jest jak magia
Inne modele, zwane teoriami upadku, dostarczają sprawdzonych przewidywań. Modele te opierają się na mechanizmie, który powoduje zapaść systemu kwantowego, gdy staje się on zbyt duży, wyjaśniając jednocześnie, dlaczego koty, ludzie i inne makroskopijne obiekty nie mogą być w superpozycji. Prowadzone są eksperymenty mające na celu znalezienie sygnatur takich zawaleń, ale jak dotąd badacze niczego nie znaleźli. Fizycy kwantowi również umieszczają w superpozycji coraz większe obiekty: w 2019 roku zespół w Wiedniu zgłosił, że robi to z cząsteczką 2.000 atomów.
Większość interpretacji kwantowych stwierdza, że nie ma powodu, dla którego te zbyt duże wysiłki w zakresie superpozycji nie powinny trwać wiecznie, co sugeruje, że naukowcy mogą projektować poprawne eksperymenty w nieskazitelnym środowisku laboratoryjnym, aby uniknąć dekoherencji.
Jednak teorie upadku twierdzą, że granica zostanie osiągnięta pewnego dnia, bez względu na to, jak starannie zostaną przygotowane eksperymenty.
Obserwator
Tischler i jej współpracownicy zainspirowali się nową falą prac teoretycznych i eksperymentalnych, które badały rolę obserwatora w teorii kwantowej, wprowadzając zamieszanie do klasycznego eksperymentu Wignera. Załóżmy, że bierzesz dwie cząstki światła lub fotony, które są spolaryzowane w taki sposób, że mogą wibrować w poziomie lub w pionie. Fotony mogą być również umieszczone w superpozycji wibrującej jednocześnie w poziomie i w pionie, tak jak paradoksalny Kot Schrödingera może być zarówno żywy jak i martwy – ale dokładnie przed oglądaniem.
Ogólnie rzecz biorąc, naukowcy po raz kolejny potwierdzają, że fizyka kwantowa jest zbliżona do magii.
