Zostań w domu, zamów taniej!
Nie wychodź z domu i zamów online swoje ulubione pisma 20% taniej. Skorzystaj z kodu rabatowego: czytajwdomu

Mechanika kwantowa rozprawia się z rzeczywistością

Mechanika kwantowa rozprawia się z rzeczywistością
Rzeczywistości nie tylko jest nieskończenie wiele. Nie tylko powstają w każdej chwili, oddzielając się, gdy tok wydarzeń wybiera (z naszego punktu widzenia) jeden z możliwych szlaków. Nie tylko istnieją równolegle wobec siebie. One wręcz oddziałują na siebie i nawet wchodzą ze sobą w kolizje.

Tak przynajmniej twierdzą Michael Hall i Dirk- -André Deckert, których praca, opublikowana pod koniec 2014 r. w czasopiśmie „Physical Review X”, wzbudza ostatnio sporo komentarzy i kontrowersji. Interpretacja mechaniki kwantowej, zwana teorią wielu światów, powstała w umyśle Hugh Everetta i kilku innych teoretyków jeszcze w latach 50. XX wieku.

Od tamtego czasu, mimo że była zwalczana, rozwija się i jest bazą do powstawania coraz dziwniejszych wariantów. A przecież to nie jedyna, zrodzona w świecie mechaniki kwantowej teoria, która wzbudza sprzeciwy zwolenników tradycyjnego realizmu i determinizmu.

W położonym we francuskich Alpach Instytucie Laue-Langevin przeprowadzono jeszcze w 2013 r. pewien eksperyment. Po tym, co tam zaszło, rzeczywistość już nigdy nie będzie taka sama…

Przyszłość zmienia przeszłość

Źródło neutronów w reaktorze Instytutu Laue-Langevin
1. Źródło neutronów w reaktorze Instytutu Laue-Langevin

Ośrodek ten znany jest z reaktora wyrzucającego rekordowo gęste wiązki neutronów (1), z którymi fizycy eksperymentują na wszystkie sposoby, jakie tylko teoretykom przychodzą do głowy. I to właśnie w ramach jednego z nich, szczególnie ekstrawaganckiego, od neutronów oddzielone zostały ich kwantowe cechy, czyli spiny.

Brzmi dziwnie, trochę jakby w jedną stronę poszedł pan Kowalski, a w drugą jego poglądy polityczne. Jakkolwiek niezwykły, koncept ten został przewidziany przez fizyków-teoretyków blisko dekadę temu.

Nadali nawet zjawisku obrazową nazwę na cześć kota z Cheshire z „Alicji w Krainie Czarów”, który znikał, ale jego uśmiech cały czas pozostawał widoczny. Mechanika kwantowa, której twierdzeń nie zdołał zakwestionować żaden eksperyment od momentu jej powstania w latach 20. XX wieku, opiera się na zasadach niekiedy boleśnie kłócących się ze zdrowym rozsądkiem.

Zgodnie z owymi zasadami dwie cząstki mogą np. znajdować się równocześnie w tym samym punkcie, obracać się jednocześnie zgodnie ze wskazówkami zegara i przeciwnie do nich, no i oczywiście – w najsłynniejszym paradoksie, zwanym splątaniem – oddziaływać jedna na drugą natychmiastowo, nawet gdy oddalone są od siebie o miliardy lat świetlnych.

Istnieje też w świecie kwantowym jeszcze dziwniejsza zagadka, mniej znana. Pół wieku temu fizyk Yakir Aharonov (2) zapytał, czy czas w mechanice kwantowej musi biec z przeszłości w przyszłość? Odpowiedź, wyrażona w języku matematyki, brzmi po prostu – nie, wcale nie musi.

W 1964 r. Aharonov wraz ze swymi kolegami, Peterem Bergmannem i Joelem Lebowitzem z Uniwersytetu Yeshiva w Nowym Jorku, zaproponowali nową interpretację teorii o nazwie „czasowo- -symetryczna mechanika kwantowa”. Wyjaśniała, w jaki sposób informacje z przyszłości mogą wypełniać niedające się przewidzieć luki w teraźniejszości.

Choć doceniano, że koncepcja Aharonova opiera się na bardzo eleganckich równaniach, trudniej było przełknąć jej następstwa w sferze filozofii. Aharonovowi potrzebne były konkretne eksperymenty wskazujące, że przedsięwzięcie z przyszłości może mieć wpływ na wydarzenia dziejące się w przeszłości.

Yakir Aharonov
2. Yakir Aharonov
Jeff Tollaksen
3. Jeff Tollaksen

Przez całe lata 80. i 90. Jeff Tollaksen (3) wraz z Aharonovem próbowali obmyślić takie eksperymenty. Zasadniczo chodziło o trzy stopnie: preselekcję (czyli pomiary grupy cząstek), średni pomiar oraz finałową postselekcję, w której naukowcy wybierali podzbiór cząstek, na których dokonywano trzeciego pomiaru.

Aby odkryć działającą wstecz przyczynowość, czyli przepływ informacji z przyszłości do teraźniejszości, eksperyment musiał zademonstrować, że efekty zmierzone w czasie średniego stopnia były połączone z akcjami wykonywanymi na podzbiorze cząstek w późniejszym czasie.

Uczeni zaproponowali analizowanie właściwości zwanej spinem, odpowiadającej czemuś w rodzaju wirowania piłki, jednak z kilkoma ważnymi różnicami. W świecie kwantowym cząstka może wirować jedynie na dwa sposoby: w górę i w dół, przy czym każdy kierunek ma ustaloną wartość (np. 1 oraz -1).

Na początku uczeni mierzą spin grupy cząstek o godzinie 9.00, potem o 9:30. Następnego dnia powtarzają czynność, przy czym tym razem dokonują również trzeciego pomiaru podzbioru cząstek ok. godziny 10:00. Jeśli ich przewidywania co do wstecznej celowości były prawdziwe, powinno dojść do widocznej zmiany.

Innymi słowy, pomiar spinu przeprowadzonego o 9 i 10 mógł spowodować niespodziewany wzrost intensywności spinu mierzonego pośrodku, a więc o 9:30. Sam efekt nie ograniczałby się jedynie do spinu. Widać byłoby także dramatyczną zmianę innych wartości kwantowych.

Przez lata podobne przewidywania zawierały się bardziej w sferze filozoficznej, ponieważ zdawało się niemożliwe, aby wykonać zasugerowane eksperymenty. Opierały się one o wykonywanie pomiarów, jednakże książkowa fizyka mówiła, że mogłyby zniszczyć kwantowe właściwości systemu. Innymi słowy, każda próba dokonania jakichkolwiek pomiarów w systemie zniszczyłaby jego delikatny stan kwantowy.

Model eksperymentu: kot z Cheshire – kot to neutron, a uśmiech to spin neutronu
4. Model eksperymentu: kot z Cheshire – kot to neutron, a uśmiech to spin neutronu

Słaby pomiar idzie na ilość

W 1988 r. Aharonov i jego współpracownicy opublikowali pracę, w której stwierdzili, że możliwy jest innych rodzaj pomiaru, taki, który nie niszczy stanu kwantowego obiektów. Miało się to dziać wówczas, gdy urządzenie pomiarowe oddziaływało z cząstką maksymalnie słabo. Coś jednak za coś.

Roger Penrose
5. Roger Penrose

Przy słabym oddziaływaniu i wynik pomiaru będzie niezbyt pewny. Rozwiązaniem miał być eksperyment polegający na „słabym pomiarze” wielu cząstek o identycznych właściwościach. Tak rodziła się koncepcja wspominanego doświadczenia z Instytutu Laue-Langevin: kot z Cheshire, czyli neutrony, które w interferometrze oddzielane byłyby od swoich spinów.

W takim stanie były obiektami „słabego pomiaru” magnetycznego, który udało się przeprowadzić dzięki specjalistom z wiedeńskiego Uniwersytetu Technologicznego. Po ponownym połączeniu z właściwym spinem dokonywano „mocnego pomiaru”, wybierając tylko te cząstki (postselekcja), które miały założone wcześniej właściwości.

Jednak od tego pomiaru dokonywanego w przyszłości zależy preselekcja, czyli rodzaj cząstek „wchodzących” do eksperymentu (4). Przyczynowość działa więc w obu kierunkach osi czasowej, trochę tak, jakbyśmy zdając maturę, powodowali, że zaczynamy się uczyć w szkole średniej.

Oczywiście z eksperymentu wynika jeszcze dalej idąca dziwność rzeczywistości. Skoro można oddzielić cząstkę materii od jej właściwości, to co jest „prawdziwą” rzeczywistością? To, co widzimy, czyli w języku mechaniki kwantowej „rozwiązanie funkcji falowej”, czy też może to, czego nie widzimy, bo nasza obserwacja nie zniszczyła jeszcze i nie zmieniła wcześniejszego stanu?

Z paradoksów czasowych niektórzy uczeni wysnuwają dość daleko idące wnioski. Choćby takie, że docelowy stan Wszechświata może mieć wpływ na to, co w nim obecnie zachodzi, modyfikując np. wartości stałych fizycznych. Jeśli Wszechświat ma swoje przeznaczenie, to jest ono już „spisane”.

Czy pozostaje w nim zatem miejsce na wolną wolę? A może wszystkie nasze wybory i czyny, przeszłe i przyszłe, są już dawno zarejestrowane w wielkiej „bazie danych”, dając nam jedynie iluzoryczną wolność? Do takich oto, niezbyt już fizycznych, pytań prowadzą osiągnięcia współczesnej nauki!

Jeśli koncepcja wielu wszechświatów, rzeczywistości, w której kota można oddzielić od jego uśmiechu, a cząstkę od jej spinu, świata, w którym zdarzenia z przyszłości oddziałują na przeszłość, kłóci się z naszym zdrowym rozsądkiem, to warto zastanowić się, czym w ogóle jest nasza świadomość i postrzeganie rzeczywistości?

W latach 90. wielki fizyk sir Roger Penrose (5) zaproponował teorię „zorkiestrowanej redukcji obiektywnej” (Orchestrated objective reduction), w której za stany umysłu, za to, co postrzegamy, myślimy, czujemy i pamiętamy, odpowiadają wibracje komórkowych mikrotubuli, procesy w istocie kwantowe.

Niedawne eksperymenty Anirbana Bandyopadhyaya, przeprowadzone w Instytucie Nauk Materiałowych w japońskiej Tsukubie, oraz Rodericka G. Eckenhoffa z amerykańskiego Uniwersytetu Pensylwanii potwierdzają, że wibracje tego typu w komórkach neuronowych rzeczywiście zachodzą. Czyli w mózgu też zachodzą procesy kwantowe. Jeśli tak, to trudno zrozumieć, dlaczego konsekwencje tej nauki wzbudzają takie opory w ludzkim umyśle?