O co chodziło Schrödingerowi z tym wsadzaniem kota do pudełka?

Jednym z pro­ble­mów fizyki kwan­to­wej jest nie­do­sto­so­wa­nie języka, jakiego używamy na co dzień, do pre­cy­zyj­ne­go opisu tego, co dzieje się w świecie atomów i cząstek. Wszyst­ko dlatego, że w rze­czy­wi­sto­ści bardzo małych obiek­tów, rzeczy mogą być jed­no­cze­śnie innymi rze­cza­mi, albo posia­dać i nie posia­dać jed­no­cze­śnie jakiejś cechy. Szkolny przy­kład tego wariac­twa stanowi dwo­istość natury światła, które zależ­nie od eks­pe­ry­men­tu raz zacho­wu­je się jak zbiór cząstek, a raz jak pod­ręcz­ni­ko­wa fala. A to dopiero czubek kwan­to­wej góry abs­trak­cji, spro­wa­dzo­nej przez pewnego nie­wraż­li­we­go nobli­stę do eks­pe­ry­men­tu myślo­we­go z zamknię­tym w pojem­ni­ku kotem w roli głównej.

Żebyś dobrze uchwy­cił istotę rzeczy, wyobraź sobie naj­pierw poje­dyn­czą cząstkę ele­men­tar­ną, zamknię­tą w pudełku. To może być elek­tron, proton, foton, neu­tri­no – obo­jęt­ne, ponie­waż reguły, jakie poznasz odnoszą się do wszyst­kich obiek­tów sub­a­to­mo­wych. Pytanie brzmi: gdzie znaj­du­je się cząstka? Fizyk powie, że możesz jedynie wyzna­czyć praw­do­po­do­bień­stwo zna­le­zie­nia drobiny w kon­kret­nym miejscu. 

Co się zatem stanie, jeśli wsta­wisz prze­gro­dę prze­ci­na­ją­cą pudło na dwie połowy? Logika pod­po­wia­da, że cząstka znaj­du­je się albo z lewej, albo z prawej. Jednak posłu­gu­jąc się teorią kwantów powiemy raczej, że obie strony wypeł­nia fala praw­do­po­do­bień­stwa i mamy 50-pro­cen­to­wą szansę na zna­le­zie­nie celu po jednej ze stron.

Tacy ludzie jak Niels Bohr czy Werner Heisen­berg uważali, że przed zaj­rze­niem do pojem­ni­ka cząstka realnie nie znaj­du­je się w żadnym kon­kret­nym miejscu. Nie można jej porów­nać z piłecz­ką, która bez względu na naszą wiedzę i dzia­ła­nia, obiek­tyw­nie musi gdzieś leżeć. W świecie kwantów umiej­sco­wie­nie (i inne cechy) danego obiektu opisuje funkcja falowa, przy czym przy­miot­nik “falowa” dotyczy mate­ma­tycz­nej fali prawdopodobieństwa. 

Nawia­sem mówiąc, z tych samych przy­czyn elek­tro­ny nie krążą wokół jądra ato­mo­we­go, tak jak planety obie­ga­ją Słońce. Tworzą raczej coś przy­po­mi­na­ją­ce­go chmurę, której kształt wyzna­cza praw­do­po­do­bień­stwo wystę­po­wa­nia elek­tro­nu. Od dziś, jeśli zoba­czysz gdzieś uprosz­czo­ny “pla­ne­tar­ny” model atomu – będziesz mógł się powymądrzać. 

Nie wiem czy to bardziej skomplikowane, czy niedorzeczne…

Rozu­miem Inter­ne­cie, pierw­szy kontakt z fizyką kwan­to­wą ma prawo wywołać ból głowy. Na pocie­sze­nie dodam, że sto lat temu nawet naj­tęż­sze umysły miały problem z prze­tra­wie­niem tego wszyst­kie­go, zawzię­cie szu­ka­jąc luk w pro­po­no­wa­nych wyjaśnieniach. 

Na ich nie­szczę­ście teoria okazała się zdu­mie­wa­ją­co zgodna z eks­pe­ry­men­ta­mi, a funkcja falowa jest do dziś wyko­rzy­sty­wa­na w prak­ty­ce. Ewen­tu­al­ne sprzecz­ki wła­ści­wie nigdy nie doty­czy­ły popraw­no­ści samych równań, lecz sposobu ich poj­mo­wa­nia. Części uczo­nych bardzo nie podo­ba­ła się sytu­acja, w której zja­wi­ska fizycz­ne kom­plet­nie wymy­ka­ły się poza ich wyobraźnię.

Gdzie w tym wszystkim paradoks kota Schrödingera?

Właśnie do niego docie­ra­my. Tak się składa, że jednym z kwan­to­wych scep­ty­ków był sam ojciec funkcji falowej, uro­dzo­ny w Wiedniu Erwin Schrödin­ger. Nobli­sta słynął ze swo­bod­ne­go podej­ścia do seksu (po latach okazało się, że nawet zbyt swo­bod­ne­go), bły­sko­tli­wo­ści oraz pla­stycz­nej wyobraź­ni. Wie­dział, że jego rów­na­nie falowe działa – kazał je sobie nawet wygra­we­ro­wać na nagrob­ku – ale coś w tym wszyst­kim nie dawało mu spokoju. 

Żeby uwy­pu­klić swoje wąt­pli­wo­ści w 1935 roku opu­bli­ko­wał pomysł hipo­te­tycz­ne­go doświad­cze­nia z kotem. Naj­le­piej oddam mu głos (tzn. Erwi­no­wi, nie kotu): 

Kot zosta­nie uwię­zio­ny w bla­sza­nej komorze, razem z dia­bel­skim sprzę­tem. (…) Zawiera on frag­ment mate­ria­łu pro­mie­nio­twór­cze­go, na tyle mały, że w ciągu mniej więcej godziny rozpada się lub, z takim samym praw­do­po­do­bień­stwem, nie rozpada się jeden atom. Jeśli się to stanie, rurka licz­ni­ka ulega roz­ła­do­wa­niu i uru­cha­mia młotek, który tłucze ampułkę z cyja­no­wo­do­rem. Pozo­sta­wia­jąc cały układ swojemu losowi na godzinę, możemy stwier­dzić, że kot żyje, jeśli w tym czasie nie rozpadł się żaden atom. Pierw­szy rozpad atomu spo­wo­do­wał­by otrucie kota. Funkcja psi całego układu zna­la­zła­by swój wyraz w postaci życia lub śmierci roz­pro­szo­ny lub rozmyty na równe części.

Erwin Schrödin­ger

Może upro­ść­my. Eks­pe­ry­ment zakłada umiesz­cze­nie w zamknię­tym pomiesz­cze­niu zwie­rza­ka wraz z pułapką odpa­la­ną na skutek rozpadu atomu. Jeżeli atom ulegnie roz­pa­do­wi, zosta­nie uwol­nio­na tru­ci­zna, która uśmier­ci sier­ściu­cha. Innymi słowy, stan atomu = stanowi kota. Gdzie tkwi paradoks?

Jeżeli obiekt kwan­to­wy ma stany, pomię­dzy którymi może wybie­rać, są one jed­no­cze­śnie włą­czo­ne do funkcji falowej. Fizycy nazy­wa­ją tę sytu­ację super­po­zy­cją. Dopóki trwa super­po­zy­cja, np. elek­tron może mieć spin skie­ro­wa­ny rów­no­cze­śnie w górę i w dół. Z kolei nasz pro­mie­nio­twór­czy atom – również nale­żą­cy do świata kwantów – pozo­sta­je roz­pad­nię­ty i rów­no­cze­śnie nie­roz­pad­nię­ty. Super­po­zy­cja kwan­to­wa znika natych­miast w momen­cie obser­wa­cji lub inte­rak­cji z obiek­tem. Cząstka lub atom muszą wtedy momen­tal­nie zde­cy­do­wać się na jedną z opcji, co w żar­go­nie okre­śla­ne jest kolap­sem funkcji falowej.

Powyż­sze roz­wa­ża­nia brzmią absur­dal­nie, a kot Schrödin­ge­ra jeszcze podbija stawkę. Skoro atom pozo­sta­je w super­po­zy­cji dwóch stanów, to w super­po­zy­cji pozo­sta­je również pułapka z tru­ci­zną, a wraz z nią także kot. Austriac­ki fizyk zadaje tak napraw­dę pytanie o to, czy stwo­rze­nie z krwi i kości może znaj­do­wać się w stanie zawie­sze­nia pomię­dzy życiem i śmier­cią. Czy mamy do czy­nie­nia z kwan­to­wym kotem zombie, czy może jednak kolaps nastę­pu­je gdzieś wcześniej?

A to dopiero począ­tek upier­dli­wych wąt­pli­wo­ści! Czym w ogóle jest obser­wa­cja? Czy do zre­du­ko­wa­nia funkcji falowej potrze­ba czło­wie­ka, czy może wystar­czy instru­ment pomia­ro­wy lub sam kot? Czy duże obiekty też nie mają okre­ślo­nych wła­ści­wo­ści, kiedy nikt nie patrzy? Gdzie znaj­du­je się granica między krainą rzą­dzo­ną regu­ła­mi mecha­ni­ki kwan­to­wej, a dobrze znanym nam światem prze­wi­dy­wal­nej fizyki kla­sycz­nej? Wszyst­kie te kłopoty wypły­wa­ją ze starego eks­pe­ry­men­tu myślo­we­go Erwina Schrödingera.

Jaka jest odpowiedź?

Gdyby ist­nia­ła prosta odpo­wiedź, nie byłoby zabawy. Oczy­wi­ście przez ostat­nie stu­le­cie prze­pro­wa­dzi­li­śmy trochę eks­pe­ry­men­tów (praw­dzi­wych, nie myślo­wych), które rzuciły nieco światła na roz­ter­ki Schrödin­ge­ra. Wiele wska­zu­je na to, że akt pomiaru nie wymaga udziału inte­li­gent­ne­go czy jak­kol­wiek świa­do­me­go obser­wa­to­ra; wystar­czy inte­rak­cja z oto­cze­niem. Idąc tym tropem wydaje się też, że nie ist­nie­je żadna ostra granica roz­dzie­la­ją­ca fizykę kwan­to­wą od kla­sycz­nej. W okre­ślo­nych warun­kach również większy obiekt może pozo­sta­wać w super­po­zy­cji, a nie­któ­re poznane efekty kwan­to­we – jak nad­prze­wod­nic­two – ujaw­nia­ją się nawet w skali makroskopowej.

Jednak wciąż mamy więcej pytań niż odpo­wie­dzi, a zro­zu­mie­nie wielu zacho­wań cząstek pozo­sta­je w sferze trud­nych do wery­fi­ka­cji inter­pre­ta­cji. Tych mamy sporo i wciąż docho­dzą kolejne: od naj­czę­ściej przy­ta­cza­nej, prag­ma­tycz­nej szkoły kopen­ha­skiej, przez deko­he­ren­cję śro­do­wi­sko­wą i sumo­wa­nie po tra­jek­to­riach, aż po fan­ta­zyj­ne wie­lo­świa­ty. Pozwól jednak, że na ten grząski, filo­zo­ficz­ny grunt wkro­czy­my innym razem. Naj­waż­niej­sze, że już wiesz co kryje się za wszech­obec­ny­mi memami z żywym/martwym kotem w pudle.

A TAK W OGÓLE TO… Możemy pójść z naszym rozu­mo­wa­niem jeszcze dalej. Co jeżeli osoba, która zamie­rza spraw­dzić stan kota w pojem­ni­ku, sama znaj­du­je się w zamknię­tym labo­ra­to­rium? Czy super­po­zy­cja obejmie także tego ludz­kie­go obser­wa­to­ra, dopóki ktoś spoza budynku nie zajrzy do środka, żeby spraw­dzić, jak prze­bie­ga doświad­cze­nie? To roz­sze­rze­nie para­dok­su kota Schrödin­ge­ra nazy­wa­my pro­ble­mem przy­ja­cie­la Wignera, ponie­waż jego autor­stwo przy­pi­su­je się innemu nobli­ście, pocho­dzą­ce­mu z Buda­pesz­tu Euge­ne­’o­wi Wignerowi.