paradoks kota schrodingera
paradoks kota schrodingera

MiniNauka #12: Jednocześnie żywy i martwy, czyli Paradoks Kota Schrödingera

Czasami zdarza się tak, że do powszechnej świadomości i kultury popularnej przebijają się różne naukowe ciekawostki. Jedne są całkiem jasne, inne mogą być takie tylko pozornie. Do tej drugiej grupy należy właśnie sytuacja kota, który jest jednocześnie żywy i martwy. Jak to możliwe, zapytacie? Cóż, nie bez powodu sytuacja nazywana jest paradoksem.

Reklama

Poprzednio w ramach cyklu miałem okazję pisać o dwóch paradoksach – Paradoksie Fermiego, który wynikał ze sprzeczności logicznego myślenia i obserwacji oraz Paradoksie Olbersa, który początkowo wynikał ze złych założeń, a obecnie jest nie tyle paradoksem, ile ciekawie sformułowanym pytaniem. Paradoks Kota Schrödingera jest nieco inny, ponieważ wynika bezpośrednio z praw mechaniki kwantowej. Mało tego, naukowcy nadal nie są zgodni co do rozwiązania paradoksu, a to wszystko za sprawą roli tak zwanego obserwatora. Zacznijmy jednak od początku.

Reklama
paradoks kota schrodingera
Erwin Schrödinger

Dziwny świat mechaniki kwantowej

Mniej więcej na początku XX wieku naukowcy odkryli, że fizyka newtonowska niezbyt dobrze sprawdza się w przypadku obiektów w mikroskali. Pojawienie się mechaniki kwantowej wywróciło fizykę do góry nogami, dając początek zarówno wielu niejednoznacznościom, jak i ogromnym możliwościom. Urządzenie, na którym właśnie czytacie ten tekst, nigdy by nie powstało, gdyby nie umysły takie, jak właśnie Schrödinger czy Heisenberg. W świecie nauki pojawił się więc podział – do świata makroskalowego używamy mechaniki klasycznej, natomiast w mikroskali posługujemy się mechaniką kwantową. Przy okazji mała dygresja – świętym Graalem nauki jest obecnie znalezienie takiej teorii, która zunifikowałaby obie te mechaniki. Każdy naukowiec na świecie chciałby odkryć coś, co pozwoliłoby przewidzieć wynik absolutnie każdego eksperymentu, niezależnie od tego, czego by dotyczył. Spojrzenie na historię nauki daje nam pewne nadzieje na to, że teoria wszystkiego zostanie kiedyś opracowana, niemniej jednak obecnie jesteśmy skazani na traktowanie świata makro oraz świata mikro jako osobnych części.

Wracając do tematu – podstawowym problemem (a może zaletą) mechaniki kwantowej, jest nieprzewidywalność. Kiedy na warsztat weźmiemy Układ Słoneczny, jesteśmy w stanie obliczyć z ogromną dokładnością, w którym miejscu będą znajdowały się ciała niebieskie po upływie tysiąca lat – używamy do tego celu mechaniki klasycznej. Gdybyśmy jednak chcieli w podobny sposób obliczyć położenie atomów jakiegokolwiek obiektu, to szybko przekonalibyśmy się, że obliczenia po prostu się nie zgadzają. Jedynym sposobem na poznanie położenia atomów jest ich bezpośrednia obserwacja, która sama w sobie też nie jest taka oczywista.

Ale nie zagłębiajmy się aż tak bardzo, ponieważ materiał jest o paradoksie. To, co o mechanice kwantowej musicie jeszcze wiedzieć, to dwa pojęcia – superpozycja oraz funkcja falowa. Pierwsze z nich oznacza, że dana cząstka może znajdować się we wszystkich stanach jednocześnie. Brzmi to dość szalenie, ale wyobraźmy to sobie na przykładzie komputerów kwantowych (które, notabene, już istnieją). W klasycznym komputerze najmniejszą jednostką informacji jest bit, który przyjmuje określoną wartość – 0 lub 1. W komputerze kwantowym mamy do czynienia z kubitem (czyli po prostu kwantowym bitem), który w stanie superpozycji przyjmuje wszystkie wartości z zakresu od 0 do 1. Proste, prawda? Funkcja falowa jest pojęciem nieco szerszym, ponieważ opisuje wszystkie możliwe stany, jakie może mieć dana cząstka – są to właściwości takie, jak energia, pęd i położenie. Każdy ze stanów charakteryzuje się pewnym prawdopodobieństwem. Jeśli więc chcielibyśmy określić cząstkę, możemy powiedzieć tylko, że na 47% cząstka znajduje się tutaj, porusza się w tym kierunku i ma taką energię.

paradoks kota schrodingera

Podczas eksperymentu nie ucierpiał żaden kot

Skoro już bardzo pobieżnie przebrnęliśmy przez podstawowe pojęcia, możemy przejść do właściwego eksperymentu. Superpozycja stanów jest faktem, natomiast niejednoznaczna w tym wszystkim jest rola obserwatora. Obserwator to ktoś (lub coś), co sprawia, że układ przestaje być w superpozycji i przyjmuje konkretne właściwości. Pamięć komputera kwantowego znajduje się w superpozycji, natomiast gdy chcemy odczytać wynik obliczeń, konieczne jest „podejrzenie” stanu kubitów, by wyciągnąć z nich konkretną informację. To tak w skrócie – świat naukowy nadal nie doszedł do porozumienia, jeśli chodzi o rolę obserwatora w mechanice kwantowej. Elementem tego niedojścia jest właśnie eksperyment myślowy Schrödingera.

Wyobraźcie sobie szczelnie zamknięte pudełko, w którym znajdują się butelka z trucizną, młotek, który ma rozbić butelkę, licznik Geigera, który ma uaktywnić młotek, jeden atom promieniotwórczego pierwiastka, który w momencie rozpadu uaktywni licznik Geigera oraz kot, który może zostać zabity przez truciznę. Ponieważ mechanika kwantowa jest, jaka jest, nie jesteśmy w stanie określić momentu rozpadu atomu. Idąc dalej, nie jesteśmy w stanie stwierdzić, czy do tego rozpadu już doszło, a zatem, dopóki nie otworzymy pudełka, nie będziemy wiedzieli, czy kot jest żywy czy martwy.

Ot, cała filozofia. Eksperyment nie jest jednak taki prosty – jego zadaniem nie jest udowodnienie superpozycji, ale pewnego rodzaju podważenie roli obserwatora. Pudełko z kotem traktujemy jako jeden układ, którego właściwość może podejrzeć tylko człowiek. Można jednak zadać pytanie – dlaczego? Co by się stało, gdyby w pudełku, zamiast kota, znajdował się człowiek? Oczywiście przy założeniu, że pudełko byłoby odpowiednio duże. W eksperymencie myślowym traktujemy kota jako prymitywny organizm i jeden z elementów układanki, natomiast człowiek jest już istotą w pełni świadomą. Rola obserwatora przeniosła się więc z naukowca mającego otworzyć pudełko na naukowca, który siedzi w tym pudełku. Istnienie tego człowieka nie byłoby niewiadomą, ponieważ on sam wiedziałby, czy atom się rozpadł, czy nie.

Można to zrobić również w drugą stronę. Zostawmy w pudełku tego nieszczęsnego kota, ale dodatkowo umieśćmy w pomieszczeniu naukowca, a następnie szczelnie je zamknijmy. Drugi naukowiec znajdujący się poza tym pomieszczeniem nie będzie wiedział zarówno tego, jaki jest stan kota, jak również tego, jaki jest stan pierwszego naukowca. Czy można wtedy powiedzieć, że naukowiec jest jednocześnie szczęśliwy i smutny, ponieważ kot jest jednocześnie żywy i martwy, ponieważ atom jednocześnie nie rozpadł się i rozpadł? A jeśli dodamy do tego jeszcze kolejne pomieszczenie? Zaczyna nam się robić naprawdę szalona sytuacja.

paradoks kota schrodingera
Jednocześnie żywy i martwy / grafika via wikipedia

Obserwuję, więc jest

Paradoks Kota Schrödingera dotyka spraw znacznie istotniejszych, niż mogłoby się wydawać. Zamiarem Erwina Schrödingera było podważenie roli obserwatora będącego obiektem makroskalowym. I ma to sens, bowiem biologia nie zezwala na to, by kot był jednocześnie żywy i martwy, natomiast gdyby patrzeć na sytuację przez pryzmat takiego układu zamkniętego, to właśnie taki ów kot musiałby być. Pojawia się więc sprzeczność, paradoks.

Można jednak zadać pytanie – dlaczego tak się dzieje? Być może w szkole mieliście kiedyś do czynienia z eksperymentem, który polegał na wykorzystaniu siatki dyfrakcyjnej. Zabawa polega na przepuszczeniu światła lasera przez taką siatkę, a następnie na obserwowaniu efektów na przykład na ścianie. Efektem eksperymentu jest pojawienie się prążków światła; zauważmy, że nie ma to kompletnie żadnego sensu, jeśli zakładamy, że światło tworzone jest tylko przez cząstki. Co innego, jeśli potraktujemy światło jako falę – poszczególne prążki są miejscami, gdzie pojawia się wzmocnienie interferencyjne fal. Pierwotna fala ulega dyfrakcji w szczelinach siatki, tworząc tym samym nowe fale, które następnie nakładają się na siebie.

Jest tylko jedno ale – w naszej sytuacji źródłem światła jest laser, który bez ustanku emituje nowe fotony. Warto wiedzieć, że ten eksperyment został przeprowadzony przez Thomasa Younga już w 1801 roku, a więc na długo przed powstaniem mechaniki kwantowej. Young wykazał, że światło zachowuje się jak fala; powiedzmy jednak, że ponieważ źródło jest stałe, to ma to sens. Co, jeśli zastosujemy źródło, które wypluwa tylko jeden foton na raz?

To trochę przerażające, ale efekt jest dokładnie taki sam. Jeśli zastosujemy siatkę z dwoma szczelinami, to foton wybiera zarówno jedną, jak i drugą szczelinę. Inaczej mówiąc, obserwujemy takie same prążki interferencyjne, jak w przypadku stałego źródła światła. Ta wersja eksperymentu jest bezpośrednim dowodem na istnienie superpozycji, a zatem nie można powiedzieć, że paradoks Kota Schrödingera jest bezwartościowym eksperymentem myślowym. Mało tego! Okazało się, że taka sama zasada działa także w przypadku innych jednostek w skali atomowej, na przykład w przypadku elektronów. Dzięki temu komputery kwantowe nie są jakąś fanaberią, marzeniem ściętej głowy, ale realną możliwością. To jednak temat na inny odcinek.

Naprawdę dziwny świat mechaniki kwantowej

Nie odpowiedziałem na jeszcze jedno pytanie – co z tym obserwatorem? Przez dekady przewinęło się naprawdę dużo dziwnych teorii, włącznie z teorią wielu wszechświatów Hugh Everetta. Najbardziej prawdopodobnym rozwiązaniem jest jednak sytuacja, w której Wszechświat jest obserwatorem dla samego siebie. Nie potrzeba żadnego kota, by wykazać, że to wszystko nie jest tylko i wyłącznie rachunkiem prawdopodobieństwa. W końcu świat makroskalowy jest realny, fizyczny, występuje tylko w jednej wersji. Gdyby tworzące go atomy znajdowały się w superpozycji aż do momentu, gdy ktoś na nie spojrzy, to zaczęłyby się dziać naprawdę nieźle pokręcone rzeczy. Do następnego!

źródła: national geographic, physics of the universe, kwantowo

_
#MiniNauka to cykl, w ramach którego staram się przekuwać swoje naukowe (czy raczej popularnonaukowe) zainteresowania w treści popularyzujące wiedzę o świecie i zjawiskach w nim zachodzących. Poruszam się po obszarach fizyki, kosmosu i technologii przyszłości, nierzadko sięgając po inne, powiązane dziedziny, przy zachowaniu przystępnej formy i względnie prostego języka.

  1. W jaki sposób wszechświat może być obserwatorem samego siebie? To założenie ma tyle samo sensu co baron Von Munchausen wyciągający się za włosy z bagna.

    1. Pamiętaj, że naukowcy to w gruncie rzeczy osoby z zaburzeniami myślenia logicznego zmieszanego z myśleniem poznawczym. Dla nich to co się stanie z zrzuconą cegłą z dachu to nie jest prosty ciąg logiczny, ani poznawczy. To mieszanina abstrakcyjnych w założeniach teorii, nie zaś skutek, czy przyczyna. Te są dla nich taką abstrakcją, jak dla nas ich teorie. To, że powstają rzeczy użyteczne, potrzebne, że wyniki badan na coś się przydają nie ma dla nich samych znaczenia. To laboranci, pomocnicy, a nawet ludzie badani, czy ich bliscy zauważają, wykorzystują, a potem wdrażają te „przekute” z teori tezy w realne zastosowanie.
      Naukowcy są potrzebni, tak jak potrzebni są pozostali ludzie. To symbioza wiedzy i praktyki, czy może doświadczenia.
      Więc próba zrozumienia umysłu naukowca jest poza naszymi zdolnościami. Nie dlatego, że jesteśmy „gorsi”, ale dlatego, że my odczuwamy satysfakcję z doznań skończonych, oni z tego „co jest teoretycznie możliwe”, ale wcale nie muszą tego doznać, doświadczyć, poznać.
      I mała dygresja. Jeżeli mikroświat i makroświat różnią się fizycznie, to jak, nie będąc naukowcem, można uwierzyć w „odkrycia” w kosmosie? Nie dostaniesz, nie bedziesz pewny. Im natomiast brak poznania nie szkodzi. Prawdopodobnie błędnie opisują wszechświat stosując zasady fizyki klasycznej, jak wcześniej próbowali tłumaczyć tą fizyką świat kwantowy.

    2. A czy elektron może ot tak po prostu zmienić swój kierunek lotu i przeskoczyć do sąsiedniej ścieżki? Brzmi to kompletnie nieprawdopodobnie, ale jednak zjawisko ma miejsce – nazywa się tunelowaniem kwantowym. Czy pojedynczy foton może zachowywać się tak, jakby było ich więcej? Może, stąd wspomniany w tekście dowód superpozycji. Wydaje mi się, że na tle tych kwantowych dziwactw założenie odnośnie obserwatora nie jest wcale takie głupie. Jest mega dziwne, owszem, ale w świecie kwantowym wszystko jest dziwne.

      1. Niby tak, ale jednak każda obserwacja jest interakcją między dwoma układami- obserwatorem i układem obserwowanym. Jeśli Wszechświat może obserwować, mierzyć sam siebie, to co stoi na przeszkodzie żeby to samo czynił pojedynczy foton czy elektron?
        Druga sprawa to sama istota obserwacji, czy może istnieć takowa bez świadomego podmiotu?

        1. To drugie pytanie trafia w sedno, bo może właśnie źle rozumiemy istotę obserwacji. Eksperyment Erwina miał wykazać, że obserwator makroskalowy jest bez sensu, ale ponieważ na co dzień obserwujemy raczej jednorodną rzeczywistość (a nie multum jej wersji), to w jakiś sposób z superpozycji musi być wybierany ten jeden stan. Stąd właśnie wniosek, że wszechświat jest obserwatorem dla samego siebie.

  2. A czym jest obserwator my czy też może być nim coś innego co powoduje że ta cząstka jest inna w zależności od opserwacji moim zdaniem świat nie jest jedno wymiarowy a wielo wymiarowy a stan kwantowy to taki skoczek między wymiarowy.

    1. Podobną teorię wysnuł Hugh Everett – w jego wizji superpozycja wynika z tego, że istnieje wiele wszechświatów, a w każdym z nich występuje inna kombinacja stanów i właściwości cząstek. Nie jest to jednak zbyt popularny pogląd – raz, że znamy inne, prostsze wyjaśnienia, a dwa, że kompletnie nie mamy jak zbadać tych wszystkich wszechświatów. Możemy więc gdybać i gdybać ;)

      1. Oj, akurat teoria wieloświatów Everetta zdobywa coraz większą popularność wśród kosmologów i fizyków, na jakimś sympozjum zdobyła nawet więcej głosów wśród uznanych naukowców niż kopenhaska interpretacja mechaniki kwantowej. Aczkolwiek do mnie najbardziej przemawia teoria Bohma.

  3. To czy kot może być martwy i żywy jednocześnie, jest pytaniem co najmniej dziwnym. Czy w pojemniku znajduje się czynnik, który doprowadzi do rozpadu atomu?
    Jeśli tak, to nastąpi reakcja i kot zdechnie. Z tym, że kot sam może potrącić młotek i stłuc butelkę. Kot może zdechnąć z powodu braku tlenu. Kot jest obserwatorem. To, że nie wyciąga póki co wniosków, oznacza, że ludzie epoki Arystotelesa byli „bytami prymitywnymi”, nie rozumieli, że światło można pozyskać nie tylko z palenia przykładowo oliwy?
    My dziś nie znamy dna oceanu. Nie wiemy co jest w środku naszej planety – oceniamy to i tworzymy teorie w oparciu o metody, które, jak czytamy w powyższym artykule, zawiodły chociażby do mikroskali. A może to my jesteśmy mikroskalą, „świat kwantowy” nanoskalą, a kosmos makroskalą i to co rzadzi naszym naziemnym światem ma się nijak do tego co jest pod szacowaną warstwą skorupy ziemskiej i poza naszą atmosferą?

    1. Czynnikiem, który doprowadza do rozpadu atomu, jest sama jego natura. Woda jest mokra, bo jest mokra (głupi przykład, ale wiesz, o co chodzi), a atom ulega rozpadowi, bo ulega rozpadowi :) Nie zapominajmy też, że to jest eksperyment myślowy – jego zadaniem jest zwrócenie uwagi na problem, sprzeczność w roli obserwatora, wynikającą tak naprawdę z niewiedzy, którą to niewiedzę staramy się tłumaczyć za pomocą kolejnej niewiedzy. Dopóki nie zaczniemy lepiej rozumieć świata kwantowego, takich dziwactw będziemy mieli całą masę.

    2. Cały urok tego eksperymentu myślowego polega na tym, że żaden czynnik wymuszający rozpad atomu nie jest potrzebny. Atom może rozpaść się sam z siebie, albo nie, bo świat kwantów jest niedeterministyczny.

      1. a moze po prostu tylko nam sie wydaje ze taki jest, bo nie potrafimy znalezc przyczyny? Kto powiedzial, ze atom, elektron kwark czy co tam jet najmniejsza rzecza? moze jest jeszcze cos mniejszego? Moze taki elektron jest rownie skomplikowany jak cala galaktyka?

        A rozważania o kocie musialyby najpierw zdefiniowac pojecie jednoczesnosci. Skoro udowodniono ze czas nie wszedzie biegnie tak samo, to jednoczesnosc jest pojeciem mocno umownym.

  4. Od momentu kiedy szanowny redaktor „wynalazł” 5 oddziaływanie postanowiłem nie pisać z tych tematach.
    Ale dla tych co są ciekawi ww teorii mam niezwykle ciekawa lekturę ( oraz gebnialne zagadnienie związane z kwazarem! )
    https://www.salon24.pl/u/autodafe/65001,splatanie-kwantowe-j-wheeler-i-czas
    Niestety tekst jest napisany bez formatowania , ale da się czytać jak ktoś jest ciekaw

    Tu trochę prościej napisane o samym eksperymencie J. Whellera
    http://www.geekweek.pl/aktualnosci/23173/podroze-w-czasie-sa-mozliwe

  5. Pomijam ten konkretny artykuł, a gratuluję świetnej serii #miniaturka, której każdego następnego odcinka wyczekuję! Oby tak dalej!

    1. Ale ten paradoks bezpośrednio wynika z mechaniki kwantowej, został stworzony przez ojca mechaniki kwantowej i mówi o zjawisku występującym tylko w mechanice kwantowej. Jak może nie być paradoksem z jej punktu widzenia?

      1. Paradoksem jest z punktu widzenia mechaniki klasycznej. W mechanice kwantowej nie ma tego paradoksu bo tym mikroświecie jest to norma. Jeśli przyjmiemy, że superpozycja naprawdę istnieje nie zachodzi wtedy sprzeczność logiczna i nie ma paradoksu.

        1. Tylko paradoks nie dotyczy superpozycji, a jedynie z niej wynika – paradoksem jest tutaj tylko i wyłącznie rola obserwatora, a ściśle mówiąc, rola obserwatora makroskalowego.

          1. Przeczysz sam sobie, bo artykule dla ciebie paradoksem jest to że kot żyje i jest martwy w tym samym momencie, a teraz piszesz o paradoksie roli obserwatora, który w eksperymencie ma role pośrednią i nie jest on najważniejszy. Tu nie ma żadnego paradoksu, nie dochodzi do złamania praw logiki. Eksperyment myślowy wizualizuje tylko nieoznaczoności Heisenberga, czyli że nie jesteś w stanie przewidzieć jaki jest skutek bez zajrzenia do pudełka. Mogę się zgodzić że jest to paradoks w sensie potocznym, dla przeciętnego zjadacza chleba, ale z punktu widzenia fizyki kwantowej nie zachodzi tu żaden paradoks.

          2. „Eksperyment nie jest jednak taki prosty – jego zadaniem nie jest udowodnienie superpozycji, ale pewnego rodzaju podważenie roli obserwatora”. Nie widzę tutaj przeczenia samemu sobie. Nie chcę także kłócić się ze Schrödingerem, bo nie jestem fizykiem kwantowym, ale jeśli on uznał, że to jest paradoks, to mam do tego pewne zaufanie. Wiadomo, że są różne punkty widzenia, a sam paradoks można rozpatrywać z niezliczonej ilości perspektyw, ale w tym tekście nie rozwijam tematu z precyzją godną pracy doktoranckiej; to po prostu luźny materiał :)

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *

Reklama