Polityka - nr 39 (2573) z dnia 2006-09-30; Polityka. Niezbędnik Inteligenta; s. 23-27

Fizyka. Między teorią a doświadczeniem

Karol Jałochowski

Fizyk na tropie kota

O praktycznych korzyściach wynikających z teorii kwantowej, o strzelaniu z fotonowej dubeltówki z prof. Czesławem Radzewiczem, fizykiem, szefem jedynego w Polsce zespołu, który para się doświadczalną informatyką kwantową, roz

W swym najsłynniejszym eksperymencie Erwin Schrödinger (1887–1961), austriacki współtwórca mechaniki kwantowej (czyli teorii fizycznej odnoszącej się do zjawisk zachodzących w świecie bardzo małych obiektów, których nie sposób opisać poprawnie za pomocą mechaniki klasycznej), zamknął kota w pudełku wraz z trucizną uwalnianą przez rozpad atomu pierwiastka promieniotwórczego. Ale ponieważ atom ten zgodnie z prawami fizyki kwantowej znajdował się w stanie, który był mieszaniną stanu przed rozpadem i po rozpadzie, nieszczęsny ssak, aż do chwili otwarcia pudełka był zarazem żywy i martwy.

Eksperyment oczywiście miał charakter czysto myślowy. Żaden kot nie ucierpiał, ale udręczeni zostali fizycy. Mechanika kwantowa, której kot Schrödingera stał się symbolem, przez dziesiątki lat doprowadzała do szewskiej pasji zarówno jej twórców, jak ich następców, wymagała bowiem (i wciąż wymaga) zawieszenia zdroworozsądkowych zasad poznania rzeczywistości. Irytowała aż do chwili, gdy zgodnie z hasłem judoków „ustąp, aby zwyciężyć”, uczeni zaczęli wykorzystywać jej zadziwiające własności.

Karol Jałochowski: – Żałuję, że miałem kiedyś cokolwiek wspólnego z teorią kwantową – mawiał ponoć Schrödinger. Wszystko przez tego paradoksalnego kota?

Czesław Radzewicz: – Schrödinger nie był jedynym uczonym, który miał kłopoty z wynikami własnej pracy. Starszym przykładem jest Max Planck, który ułożył pierwszą cegiełkę w budynku mechaniki kwantowej i który do śmierci nie mógł się pogodzić z tym, że jest tak, jak mówiła nowa teoria. Owszem, wypisał bardzo eleganckie i, co ważniejsze, poprawne równanie promieniowania ciała doskonale czarnego (jedna z kluczowych zagadek nauki przełomu XIX i XX w., niewytłumaczalna metodami fizyki klasycznej – red.), po czym przez kolejnych kilkadziesiąt lat szukał lepszego wyjaśnienia. Takiego, które by bardziej pasowało do jego wyobrażenia na temat rzeczywistości. Bezskutecznie zresztą.

Schrödinger, który wspaniale zasłużył się dla mechaniki kwantowej, w pewnym momencie zauważył, że teoria, którą rozwijał razem z wieloma innymi uczonymi, prowadzi do rozmaitych paradoksów. Przykładem może być wspomniany przez pana kot, który jest równocześnie i żywy, i martwy. Co wcale nie znaczy, że to jest chory kot, który za chwilę wyzionie ducha. I to Schrödingera bardzo gryzło. Starał się z tym paradoksem uporać, ale tak na dobrą sprawę do dzisiaj nie mamy dobrego obrazu tej sytuacji. Pojawiają się bardzo egzotyczne pojęcia, na przykład – używając żargonu fizyków – kolaps funkcji falowej. Ale tak naprawdę nikt nie wie, co to znaczy. To bardzo typowy dla ludzi sposób postępowania – kiedy czegoś nie rozumiemy, przynajmniej nadajmy temu nazwę.

Nazwane, a zatem oswojone?

Chodzi prawdopodobnie o poczucie bezpieczeństwa. Bo nie wiadomo, co oznacza kolaps funkcji falowej. To jest arcyważny problem w przypadku kota Schrödingera. W którym momencie dowiadujemy się, jaki jest wynik pomiaru? Kiedy to następuje – czy w chwili włączenia aparatu pomiarowego, czy w momencie, gdy przeczytamy wynik pomiaru? Nie jest wcale oczywiste, czy procedura wymaga udziału świadomości. Być może, gdyby nie było istoty świadomej, to ten wynik byłby inny albo by nie istniał. To są pytania raczej filozoficzne.

My, fizycy doświadczalni, jeżeli bierzemy się za pomiar, staramy się zazwyczaj dotrwać do jego końca i odczytać wynik. Co nie zawsze jest łatwe, bo niektóre doświadczenia są bardzo długotrwałe.

Krążą plotki, że koty Schrödingera są powoływane do życia w laboratoriach...

Tak, ale są to nieco inne byty. Paradoks kota Schrödingera jest oparty na tym, że z jednej strony mamy bardzo mały układ fizyczny opisywany przez mechanikę kwantową, a z drugiej mamy układ niezwykle duży – kota. Potrafimy dziś budować analogi kota Schrödingera dla małych układów fizycznych. Przykładem jest umieszczony w specjalnej pułapce jon, który znajduje się jednocześnie w dwóch miejscach. I dopóki nie dokonamy pomiaru, nie wiemy, gdzie on rzeczywiście jest. Przy czym, niestety, ta analogia jest ułomna, bo mamy do czynienia z układem, dla którego potrafimy napisać równanie ruchu, rozwiązać je i zaraz otrzymamy wynik.

Kwantowa mechanika bardzo źle stosuje się do układów dużych. W zasadzie można powiedzieć, że gdybyśmy byli sprawni matematycznie, to moglibyśmy napisać równanie kwantowo-mechaniczne opisujące ewolucję w czasie tego stołu, przy którym siedzimy. Tyle tylko, że zabrakłoby papieru na świecie, żeby to równanie wypisać i nie wiadomo, jak je rozwiązać.

Powstał więc pomysł, by robić doświadczenia z kotami Schrödingera na coraz większych układach. Podąża w tym kierunku wielu badaczy w nadziei, że kiedyś może uda się wreszcie wyznaczyć granicę między światem kwantowym a klasycznym.

...

[pełna treść dostępna dla abonentów Polityki Cyfrowej]