Kot Schrödingera. Żywy i martwy?

W 1935 roku austriacki fizyk Erwin Schrödinger zaproponował zamknięcie kota w stalowym pudełku. W środku miało znajdować się urządzenie, które z pewnym prawdopodobieństwem doprowadziłoby do śmierci zwierzęcia. Po godzinie kot mógł być żywy albo martwy. Problem w tym, że opis kwantowy całego układu prowadził do znacznie dziwniejszego wniosku.

Co, jeśli przed otwarciem pudełka trzeba byłoby opisywać kota jako jednocześnie żywego i martwego?

Brzmi jak fragment absurdalnej komedii. A jednak jest to jeden z najsłynniejszych eksperymentów myślowych w historii fizyki. I nie chodzi w nim o znęcanie się nad zwierzęciem. Żaden prawdziwy kot nie musiał brać udziału w tym doświadczeniu. Schrödinger chciał pokazać, jak osobliwe konsekwencje może mieć przeniesienie zasad mechaniki kwantowej do naszego codziennego świata.

Kot, pudełko i bardzo niebezpieczna maszyna

Wyobraźmy sobie szczelnie zamkniętą stalową komorę. Umieszczono w niej kota, niewielką ilość substancji promieniotwórczej, licznik Geigera i mechanizm połączony z pojemnikiem zawierającym truciznę.

Zasada działania jest prosta, chociaż mało przyjemna dla kota.

Jeśli nastąpi rozpad promieniotwórczy, licznik zarejestruje zdarzenie.
Mechanizm uruchomi młoteczek, który rozbije pojemnik z trucizną.
Jeśli do rozpadu nie dojdzie, mechanizm pozostanie nieruchomy, a kot przeżyje.

Schrödinger dobrał warunki tak, aby po upływie jednej godziny prawdopodobieństwo rozpadu wynosiło 50 procent. Innymi słowy, szanse na oba wyniki były jednakowe.

Na pierwszy rzut oka wszystko wydaje się oczywiste. Albo atom się rozpadł, albo nie. Albo kot żyje, albo nie żyje. Dlaczego więc ten przykład stał się tak sławny?

Ponieważ w mechanice kwantowej pojawia się pojęcie, którego nie da się sprowadzić do zwyczajnej niewiedzy o tym, co zaszło.

Superpozycja. Czyli co właściwie dzieje się w pudełku?

W codziennym świecie przyzwyczailiśmy się, że przedmiot znajduje się w określonym stanie, nawet jeśli nie mamy o nim informacji.

Mechanika kwantowa dopuszcza jednak opisywanie układu za pomocą superpozycji różnych możliwych stanów. Przykładowo stan atomu można opisać jako superpozycję stanu, w którym rozpad jeszcze nie nastąpił, i stanu, w którym już nastąpił.

Nie oznacza to, że atom jest zwyczajnie „w połowie rozpadnięty”. Oznacza to, że jego stan kwantowy obejmuje różne możliwości, których znaczenie ujawnia się między innymi w przewidywaniach wyników pomiarów i zjawisku interferencji.

A teraz pojawia się problem.

Los kota został połączony z losem atomu. Jeśli zastosujemy kwantowy opis do całego odizolowanego układu, otrzymamy superpozycję dwóch powiązanych możliwości:

atom nie uległ rozpadowi, mechanizm się nie uruchomił, kot żyje;
atom uległ rozpadowi, mechanizm zadziałał, kot nie żyje.

W popularnym skrócie mówi się więc, że kot jest jednocześnie żywy i martwy.

Ale uwaga: nie oznacza to dosłownie kota-zombie, który oddycha i nie oddycha w tej samej chwili. To sposób zilustrowania konsekwencji matematycznego opisu kwantowego oraz trudności z jego interpretacją.

I właśnie o to chodziło Schrödingerowi. Nie proponował hodowli kwantowych kotów. Posługiwał się absurdalnym przykładem, aby zapytać, czy zasady skutecznie opisujące atomy można bez zastrzeżeń stosować również do dużych obiektów, takich jak żywe zwierzęta.

Moneta, paczka i dwa głośniki. Fizyka kwantowa w codziennym życiu

Spróbujmy teraz zrozumieć ten paradoks bez wzorów. Pomogą nam trzy zwyczajne sytuacje. Każda odsłania inny fragment problemu.

1. Moneta ukryta pod dłonią

Rzucasz monetą, przykrywasz ją dłonią i pytasz znajomego, czy wypadł orzeł, czy reszka.

Jeśli moneta jest uczciwa, przed rzutem oba wyniki mają jednakowe prawdopodobieństwo. Po rzucie nie znasz rezultatu, dopóki nie podniesiesz dłoni.

Czy moneta jest więc jednocześnie orłem i reszką?

Nie. Moneta już upadła i ma określone ułożenie. Niepewność dotyczy tylko twojej wiedzy.

To dobry początek do zrozumienia paradoksu Schrödingera, ale jeszcze nie superpozycja. W opisie kwantowym różnica między możliwymi stanami może być głębsza niż zwyczajny brak informacji o gotowym wyniku.

2. Tajemnicza paczka od kuriera

Wyobraź sobie, że ktoś wysłał ci prezent. Wiesz, że w pudełku znajduje się książka albo kubek, ale nie masz pojęcia, który przedmiot wybrał nadawca.

Dopóki nie otworzysz paczki, rozważasz dwie możliwości.

Możesz żartobliwie powiedzieć, że jest to twój prywatny „prezent Schrödingera”. Jednak w rzeczywistości przedmiot już znajduje się w środku. Otwarcie paczki nie sprawia, że książka lub kubek dopiero się materializują. Po prostu dowiadujesz się, co dostałeś.

Podobnie jest z wiadomością zawierającą wynik egzaminu. To, że jej jeszcze nie odczytaliśmy, nie oznacza, że wynik znajduje się w kwantowej superpozycji.

Ta analogia pokazuje przede wszystkim, czym superpozycja nie jest.

3. Dwa głośniki grają ten sam dźwięk

A teraz coś bliższego prawdziwemu mechanizmowi.

Wyobraź sobie dwa głośniki emitujące jednakowy ton. W zależności od miejsca, w którym staniesz, dźwięk może być mocniejszy albo słabszy. Fale dźwiękowe nakładają się na siebie. W pewnych warunkach wzmacniają się, a w innych częściowo wygaszają.

To przykład interferencji fal.

W mechanice kwantowej również występuje interferencja, tyle że dotyczy ona amplitud opisujących możliwe wyniki. I właśnie ta możliwość wzmacniania lub wygaszania pewnych rezultatów odróżnia spójną superpozycję kwantową od zwyczajnej mieszaniny nieznanych nam możliwości.

Dwa głośniki nie są oczywiście kwantowym kotem. Pokazują jednak ważną rzecz: kiedy mówimy o superpozycji, chodzi o coś więcej niż listę potencjalnych odpowiedzi.

Czy otwarcie pudełka zmienia rzeczywistość?

W najprostszych szkolnych wyjaśnieniach słyszymy, że dopóki pudełko pozostaje zamknięte, kot jest żywy i martwy jednocześnie, a jego los rozstrzyga dopiero obserwacja.

Łatwo wyciągnąć z tego sensacyjny wniosek: to człowiek, patrząc na świat, tworzy rzeczywistość!

Ale fizyka nie daje podstaw do takiego uproszczenia.

Pomiar kwantowy jest procesem fizycznym. Nie wymaga obecności świadomego obserwatora. Detektor może zarejestrować zdarzenie niezależnie od tego, czy ktoś odczyta jego wskazania.

W dodatku prawdziwe duże obiekty nie są doskonale odizolowane. Oddziałują z otoczeniem: powietrzem, promieniowaniem cieplnym i niezliczonymi cząstkami.

Te oddziaływania prowadzą do zjawiska nazywanego dekoherencją. Sprawia ono, że interferencja między różnymi stanami kwantowymi staje się w przypadku makroskopowych obiektów niezwykle trudna do zaobserwowania.

To jeden z powodów, dla których nie widzimy na co dzień krzeseł znajdujących się w dwóch miejscach jednocześnie ani kotów, które zachowują się jak dwa sprzeczne stany naraz.

Dekoherencja wyjaśnia bardzo wiele, ale sama nie rozstrzyga wszystkich pytań związanych z pomiarem.

Dlaczego ten kot nadal nie daje fizykom spokoju?

Najważniejsze pytanie nie brzmi tak naprawdę: „Czy kot przeżył?”.

Brzmi ono: jak z opisu kwantowego, który dopuszcza superpozycje, otrzymujemy jeden konkretny wynik obserwacji?

To część słynnego problemu pomiaru. Fizycy i filozofowie nauki proponują różne sposoby jego rozumienia.

W podejściach wykorzystujących pojęcie kolapsu funkcji falowej pomiar wiąże się z uzyskaniem jednego wyniku. Interpretacja wielu światów opisuje sytuację inaczej, bez fundamentalnego kolapsu. Istnieją również inne interpretacje oraz modele, które modyfikują standardowy opis mechaniki kwantowej.

Nie ma powszechnie zaakceptowanego rozstrzygnięcia wszystkich filozoficznych i fizycznych aspektów tego problemu.

Nie oznacza to jednak, że mechanika kwantowa nie działa. Przeciwnie: jej przewidywania są podstawą niezwykle skutecznej fizyki współczesnej. Zjawiska superpozycji i interferencji są także wykorzystywane w badaniach nad komputerami kwantowymi. Utrzymywanie takich stanów w kontrolowanych warunkach jest jednym z wielkich wyzwań tej technologii.

Warto zapamiętać: zwykła niewiedza o zawartości pudełka nie jest superpozycją kwantową. Kot Schrödingera pokazuje problem powstający wtedy, gdy superpozycję stanów mikroskopowych próbujemy zastosować do całego układu obejmującego przedmioty naszego codziennego świata.

Najbardziej przewrotny element tej historii polega więc na tym, że Schrödinger nie wymyślił kota, żeby przekonać wszystkich, że zwierzę może naprawdę żyć i nie żyć jednocześnie. Użył go, aby pokazać, jak dziwnie wyglądają konsekwencje teorii, gdy zaczynamy zadawać pytania o rzeczywistość poza światem atomów.

A może najlepszym podsumowaniem jest prosty eksperyment, który nie wymaga ani promieniotwórczości, ani trucizny?

Postaw przed kotem zwykłe kartonowe pudełko. Jeśli zwierzę do niego wejdzie, bardzo możliwe, że przez resztę dnia nie będzie chciało wyjść. I choć nie będzie to miało nic wspólnego z superpozycją kwantową, przynajmniej raz w tej historii kot sam zdecyduje, co zrobić z pudełkiem.