Kot Schrödingera, czyli mechanika kwantowa a zdrowy rozsądek

Kot Schrödingera dzieckiem naukowej rewolucji

Nie trwóżcie się jednak! Włochatemu zwierzakowi nic nie grozi – Schrödinger nigdy nie zamknął żadnego kota w żadnym pudle. Nasz fizyk całą historię z pojemnikiem wymyślił, chcąc pokazać do jak dziwnych, a nawet absurdalnych, wniosków prowadzą pomysły niektórych jego kolegów po fachu. Ale zacznijmy od początku.

W pierwszych dekadach XX wieku gmach fizyki, uważany dotąd za niewzruszony, drżał w posadach. Liczne anomalie i zagadkowe fenomeny, których nijak nie potrafiono wytłumaczyć odwołując się do założeń klasycznej, newtonowskiej mechaniki doprowadziły do powstania wielu nowych teorii, które radykalnie zmieniały nasze wyobrażenia o świecie. Najbardziej znane i spektakularne były oczywiście koncepcje Einsteina – zwłaszcza ogólna i szczególna teoria względności – oraz opisująca mikroświat mechanika kwantowa. I tu zaczyna się cały ten ambaras z kotem, Schrödingerem i jego paradoksem.

Co z tą fizyką…

Z mechaniką kwantową od początku były kłopoty. W mikroświecie działy się bowiem rzeczy dziwne i sprzeczne ze zdrowym rozsądkiem. A to drobinki materii, np. fotony, raz zachowują się jak cząstki (korpuskuły), a raz jak fale; a to cząstka zdaje się być w dwóch miejscach jednocześnie. Z czasem okazało się też, że to, co dzieje się w jednym miejscu w przestrzeni, jest w niejasny sposób skorelowane z tym, co dzieje się w zupełnie innym, odległym miejscu.

Nie powinno więc nas dziwić, że naukowcy spierali się o cały szereg problematycznych kwestii. W toku tych dyskusji powstało kilka konkurencyjnych opisów mikroświata. Jeden z nich stworzył Duńczyk Niels Bohr. Jego współpracownikiem był niemiecki fizyk Werner Heisenberg. Ich koncepcję nazwano interpretacją kopenhaską.

Indeterminizm

Bohr i Heisenberg twierdzili, że każdy obiekt mikroświata można opisać za pomocą tzw. funkcji falowej. Funkcja ta informuje nas jedynie, jakie jest prawdopodobieństwo tego, że interesująca nas cząstka (np. elektron) znajdzie się w określonym stanie, czyli, powiedzmy, jakie jest jej położenie lub spin.

Należy zatem przyjąć, że mechanika kwantowa nie opisuje rzeczywistości jako takiej. Jedyne na co pozwala, to na obliczenie prawdopodobieństwa uzyskania takiego a nie innego wyniku w trakcie dokonywania pomiaru. Stosując ją możem na przykład ustalić, że na 53% cząstka porusza się w takim a takim kierunku. Taką teorię nazywamy indeterministyczną.

Superpozycja

Ponadto, w myśl mechaniki kwantowej, nim dokonamy pomiaru interesującej nas wartości, badany przez nas obiekt znajduje się w tzw. superpozycji stanów. Oznacza to, że jest on niejako we wszystkich stanach jednocześnie lub, mówiąc nieco inaczej, reprezentuje całą gamę możliwych aktualizacji (na 35% będzie tym, na 67% tamtym…). Wielce zagadkowa sprawa. Bohr sądził, że dopiero na skutek obserwacji, czyli jakby zewnętrznej ingerencji, następuje redukcja (lub kolaps) wspomnianej funkcji falowej i jedna z możliwości (jeden ze stanów) realizuje się. Wszystko odbywa się w sposób losowy, tak out of the blue.

Mówiąc obrazowo, przed obserwacją znamy jedynie prawdopodobieństwo tego i tamtego. Nie mamy więc pewności, co się stanie, gdy dokonamy pomiaru. Potem obserwujemy i trach! – określony, losowy stan realizuje się.

Einstein pokazuje język

Dla Alberta Einsteina tego było już za wiele. „Bóg nie gra ze wszechświatem w kości” – powiada. Ma na myśli obecną w teorii Bohra losowość, jej, wyżej wspomniany, indeterministyczny charakter. I to faktycznie jest poważna sprawa. Inny znany fizyk, Richard Feynman, ujmuje to tak:

Jeśli oryginalnym celem nauki było — a wszyscy sądzili, że tak właśnie było — poznanie praw, które pozwalają w danej sytuacji przewidzieć, co się stanie dalej, to w pewnym sensie fizycy skapitulowali.

Kot Schrödingera wchodzi na scenę. A w zasadzie do pudła

Także Erwin Schrödinger nie mógł zgodzić się z wykładnią mechaniki kwantowej zaproponowaną przez Bohra. Jego wątpliwości wzbudził inny element kopenhaskiej interpretacji – rola, jaką w redukcji superpozycji odgrywa obserwator. Aby unaocznić wszystkim do jak dziwacznych, a wręcz absurdalnych, konsekwencji prowadzi zaakceptowanie pomysłów Bohra, Schrödinger przeprowadził pewien eksperyment myślowy (i tylko myślowy – pan Erwin nie męczył żadnych kotów!).

Oto do pudełka należy wsadzić kota, fiolkę z trucizną, młotek, licznik Geigera-Müllera oraz pojedynczy atom jakiegoś promieniotwórczego pierwiastka. Cały „morderczy” mechanizm działa zaś tak: jeżeli atom rozpadnie się, to uaktywni licznik, który z kolej zwolni młotek. Narzędzie rozbije flaszkę z trucizną, co uśmierci nieszczęsnego kotka. By przeprowadzić eksperyment trzeba jeszcze założyć, że prawdopodobieństwo rozpadu umieszczonego w pudle atomu w czasie godziny wynosi ½.

Zdrowy rozsądek jednak zachorował

To, czy śmiercionośny mechanizm zostanie uruchomiony zależy więc od tego, czy materiał promieniotwórczy ulegnie w ciągu 60 minut rozpadowi. Założyliśmy, że ulegnie w 50% przypadków. Zatem zdrowy rozsądek podpowiada, że tuż przed otwarciem pudła (czyli przed obserwacją) nasz kot jest albo żywy albo martwy.

Ale mechanika kwantowa a’la Bohr nic sobie ze zdrowego rozsądku nie robi. Jak pamiętamy, kopenhaska interpretacja poucza nas, że aż do momentu otwarcia pojemnika układ atom + kot jest we wspomnianej już superpozycji. Oznacza to, że jest równocześnie w każdym z możliwych stanów, a więc kicia jest… i żywa i martwa! Dopiero gdy otworzymy pojemnik oraz dokonamy obserwacji, superpozycja ulegnie redukcji i zrealizuje się jeden stan: kot żywy albo kot martwy.

Kot, co chadzał własnymi ścieżkami

Ale tak rozumiana superpozycja, to zawieszenie między kocim życiem a śmiercią, kłóci się z naszymi intuicjami, ze wspomnianym już kilka razy zdrowym rozsądkiem! Kot albo żyje albo nie. Koniec i kropka. No i właśnie to chciał nam powiedzieć Schrödinger – coś z tymi pomysłami Bohra i spółki jest nie tak.

Dodajmy, że cała ta heca z kotem do dziś nie została rozwiązana. Niektórzy fizycy twierdzą, że mechanika kwantowa jest teorią jeszcze niekompletną i czekającą na jakąś głębszą syntezę, która usunie wszystkie wspomniane dziwactwa. W tym także problem schrödingerowego futrzaka. Inni zaś uważają, że to nasz „chłopski rozum” (wykształcony w swojskim makroświecie) tu zawodzi i zmusza do uznania za absurdalne tego, czego nie może pojąć.

Kto ma rację? Nie wiadomo. Niemniej fizycy głowią się stale nad tymi zagadkami, miejmy więc nadzieję, że powiedzą nam kiedyś, jak to z tym kotem było.

A co Wy o tym wszystkim sądzicie? Dajcie znać w komentarzach!

Jakub Buźniak

Długie lata spędzone nad podręcznikami logiki pozwalają mu powiedzieć o sobie, że (tu parafrazuje tytuł sławnego utworu zespołu "Łzy") jest jaki jest.