Kwantowe samobójstwo, kwantowa nieśmiertelność

Lao Hunluan

Lao Hunluan
opublikowano 7 maja 2016

Wszystkim znany jest eksperyment myślowy Erwina Schrödingera, w którym to kot okazuje się być jednocześnie żywy i martwy. Ma on na celu zademonstrować nam, że w skali atomowej istnieją zdarzenia, których wyników nie jesteśmy w stanie przewidzieć, i to nie ze względu na niedoskonałość naszych przyrządów badawczych czy teorii, a ze względu na naturę samej rzeczywistości.

Weźmy na przykład czas połowicznego rozpadu atomu. Dla danego izotopu pierwiastka jesteśmy w stanie przewidzieć, po jakim czasie połowa materiału ulegnie rozpadowi. Jeśli dysponujemy powiedzmy kilogramem izotopu, którego czas połowicznego rozpadu wynosi jedną sekundę, po owej sekundzie pozostaniemy tylko z połową kilograma, po dwóch sekundach – z ćwiercią kilograma itd. Jeśli jednak dysponujemy tylko trzema atomami tegoż izotopu po jednej sekundzie nie pozostanie nam przecież 1.5 atomu. Pytanie więc – gdzie tu logika? Skąd atomy mogą „wiedzieć” ile ich jest? Otóż nie wiedzą! Czas połowicznego rozpadu definiowany jest probabilistycznie:

Prawdopodobieństwo rozpadu radioaktywnego atomu w przeciągu jego czasu połowicznego rozpadu wynosi 50%.

Teraz – jeśli rozpatrzymy 3 atomy o połowicznym czasie rozpadu jednej sekundy zgodnie z tą definicją, każdy z nich po tej jednej sekundzie będzie miał 50% szans na przetrwanie oraz 50% szans na rozpad, stąd przeciętnie pozostanie nam 1,5 atomu. W rzeczywistości jednak średnia ta jest sumą (superpozycją – choć to spore uproszczenie tego pojęcia) wszystkich możliwych wyników:

Wraz ze wzrostem ilości przedmiotów rozpadu jego wynik będzie się uśredniał, stąd na poziomie makroskopowym jesteśmy w stanie przewidywać wyniki różnych zdarzeń o wiele precyzyjniej. Nawet jeśli zechcemy przewidzieć ile oczek wypadnie na sześciennej kostce, jesteśmy w stanie to zrobić, a trudność leży w ogromnej liczbie zmiennych, które musimy uwzględnić (patrz: chaos deterministyczny), nie zaś barierze postawionej nam przez naturę, jak ma się to w przypadku niektórych zdarzeń w skali atomowej.

Wobec probabilistycznej natury zdarzeń kwantowych nasuwają się oczywiste pytania filozoficzne – czy rzeczywistość na tym poziomie przestaje być deterministyczna czy może jednak istnieją jakieś zmienne ukryte, które decydują o wynikach tych zdarzeń?

Interpretacja kopenhaska

Najpopularniejsza, kopenhaska interpretacja mechaniki kwantowej, opracowana przez Nielsa Bohra oraz Wernera Heisenberga w 1927 roku, postuluje, iż do momentu pomiaru stanu układu kwantowego (jego obserwacji, chociażby przy pomocy jednego fotonu) znajduje się on w stanie superpozycji wszystkich możliwych wyników, natomiast w momencie obserwacji następuje nagła redukcja funkcji do jednego z możliwych stanów. Odrzuca również pytania typu „w jakim stanie był układ przed pomiarem” jako bezsensowne.

Interpretacja ta nie przekonuje jednego z ojców mechaniki kwantowej, Alberta Einsteina, który stwierdza, że „Bóg nie gra w kości” i wraz Borysem Podolskim oraz Nathanem Rosenem w 1935 roku publikuje artykuł „Can Quantum Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?”, przedstawiając w nim słynny paradoks EPR (od nazwisk autorów). Autorzy zwracają uwagę na przypadek stanów splatanych cząstek, które mają taką właściwość, że gdy dokonujemy pomiaru wartości spinu każdej z cząstek, otrzymujemy zawsze wyniki przeciwne. Jeśli takie cząstki oddalimy od siebie i zmierzymy spin jednej z nich, automatycznie poznamy spin drugiej. Ponieważ dla pary przed pomiarem spin każdej z cząstek jest całkowicie nieokreślony, jak postuluje interpretacja kopenhaska, zdaniem EPR mamy do czynienia z oddziaływaniem rozchodzącym się natychmiastowo na dowolną odległość, co przeczy szczególnej teorii względności zabraniającej przekazywania informacji z prędkością większą niż prędkość światła. Einstein nazywa to „upiornym działaniem na odległość”, a interpretacja kopenhaska staje pod znakiem zapytania. Tym samym Einstein, Podolski oraz Rosen postulują istnienie pewnych zmiennych ukrytych, które wpływają na wyniki zdarzeń kwantowych.

W roku 1964  w pracy „On the Einstein Podolsky Rosen paradox” John Stewart Bell dowodzi twierdzenia, że żadna teoria zmiennych ukrytych zgodna z teorią względności nie może opisać wszystkich zjawisk mechaniki kwantowej, zatem:

Teoria zmiennych ukrytych kilka lat później na podstawie twierdzenia Bella zostaje obalona eksperymentalnie. Ponadto, wykazuje się, że korelacja spinów cząstek splątanych w żaden sposób nie może zostać wykorzystana do przekazywania informacji, czyli nie istnieje sprzeczność pomiędzy kopenhaską interpretacją mechaniki kwantowej a szczególną teorią względności.

Interpretacja wieloświatowa Everetta

Interpretacja kopenhaska nie jest jednak jedyną interpretacją mechaniki kwantowej, a warto zaznaczyć, że w dużej mierze wybór pomiędzy nimi jest kwestią nie tyle stricte naukową, co filozoficzną oraz estetyczną.

Dużą popularnością cieszy się opracowana przez Hugha Everetta w 1957 roku interpretacja wieloświatowa. W przeciwieństwie do interpretacji kopenhaskiej, pomiar stanu układu kwantowego nie wymusza na nim redukcji do jednego z możliwych wyników. Zamiast tego każdy z możliwych wyników zachodzi, a wszechświat (a właściwie multiwersum) jest złożeniem bardzo wielu (możliwe również, że nieprzeliczalnie wielu) wciąż dzielących się równoległych wszechświatów. Sprowadzając to do przykładu słynnego kota Schrödingera – z wszechświata, w którym przeprowadzamy ten eksperyment wyłaniają się dwa kolejne, równoległe względem siebie – wszechświat, w którym kot jest żywy oraz wszechświat, w którym kot jest martwy. Pomiędzy tymi wszechświatami nigdy już nie zachodzi komunikacja.

Schroedingers cat

Można zastanowić się, czy interpretacja ta nie mnoży bytów ponad potrzebę. Jej zwolennicy twierdzą jednak, że istnieją eksperymentalne sposoby na jej zweryfikowanie. Sam Everett przekonuje, że stanowi ona metateorię, a nie tylko interpretację i jest póki co jedynym całkowicie spójnym podejściem do wyjaśnienia zarówno mechaniki kwantowej, jak i charakteru wszechświata. Mając na uwadze, że kroczymy raczej z dziedziny fizyki do dziedziny filozofii, a interpretacja, teoria czy metateoria Everetta czeka jeszcze na wielkie umysły, które mogłyby jej pomóc lub zaszkodzić, możemy przyjrzeć się pewnym jej implikacjom.

Kwantowe samobójstwo – eksperyment oczyma kota

Z praktycznego punktu widzenia – dla nas, jako rezydentów jednego wszechświata, liniowego ciągu zdarzeń – interpretacja kopenhaska oraz interpretacja Everetta mogą wydawać się nierozróżnialne. Z pomocą przychodzi tutaj kolejny eksperyment myślowy, będący wariacją na temat kota Schrödingera, w którym to obieramy perspektywę samego kota, a który powołali do życia niezależnie od siebie dwaj naukowcy – Hans Moravec w roku 1987 oraz Bruno Marchal w 1988. Mowa o kwantowym samobójstwie.

Zasady przypominają nieco rosyjską ruletkę, wykorzystującą jednak pistolet (kwantowy pistolet!), który po naciśnięciu spustu może na przykład mierzyć spin cząstki elementarnej i w zależności od jego wartości wystrzeliwać pocisk z komory bądź nie. Z punktu widzenia obserwatora zewnętrznego, interpretacja kopenhaska wciąż pozostaje nierozróżnialna od interpretacji Everetta. Jednak z punktu widzenia osoby, która popełnia kwantowe samobójstwo, dzieje się coś ciekawego – jeśli interpretacja Everetta jest poprawna, osoba powinna przeżyć każdorazowe naciśnięcie spustu. Zakładając, że nie istnieje życie pozagrobowe – nie jest możliwe dla eksperymentatora przeżycie własnej śmierci, tak też jedynym dostępnym dla niego doświadczeniem (i wszechświatem) jest to, w którym jest on żywy.

Kwantowa nieśmiertelność

Ponownie – jeśli interpretacja Everetta jest poprawna, kwantowe samobójstwo rodzi pytanie o kwantową nieśmiertelność. Czy, abstrahując od przypadków śmierci przy wykorzystaniu kwantowych gadżetów, istnieją wszechświaty, w których udaje nam się uniknąć przypadkowej śmierci pod kołami samochodu?

Powróćmy na chwilę do przykładu połowicznego czasu rozpadu cząstek radioaktywnych. Mówiliśmy o tym, że jeśli dysponujemy kilogramem izotopu, którego czas połowicznego rozpadu wynosi jedną sekundę, po owej sekundzie zostaniemy z połową tego kilograma, a reszta zostanie wypromieniowana. Jest to jednak tylko najbardziej prawdopodobny wynik i warto zauważyć, że istnieje nieprawdopodobnie małe, ale niezerowe prawdopodobieństwo zdarzeń skrajnych, że rozpadowi nie ulegnie żadna z cząstek bądź że rozpadowi ulegną wszystkie. Ponieważ każdy możliwy wynik w interpretacji Everetta rodzi nowy wszechświat, możliwe są wszechświaty, w których zaszły zdarzenia wielce nieprawdopodobne.

Czy jesteśmy kwantowo nieśmiertelni? Na to pytanie nauka nie odpowie łatwo. Być może jednak kiedyś, w wieku 200 lat przypomnisz sobie, że czytałeś/czytałaś artykuł na ten temat i zdasz sobie sprawę, że jesteś żywym dowodem wieloświatowej interpretacji mechaniki kwantowej Hugha Everetta.

Apendyks: mit o Titonosie

Titonos był synem króla trojańskiego, Laomedona oraz nimfy wodnej, Strymo, bratem Priama – późniejszego króla Troi, którego znamy z Iliady Homera. W śmiertelniku zakochała się Eos, tytanida, bogini i uosobienie zorzy porannej, brzasku i świtu, przemierzającej świat na lekkim rydwanie zaprzężonym w parę białych koni. Jak podają Hymny homeryckie, Eos poprosiła króla bogów, Zeusa, by obdarzył Titonosa nieśmiertelnością, lecz zapomniała prosić o wieczną młodość. Po wielu latach Titonos zaczął się starzeć, a czcigodna Eos poczęła stronić od łoża, choć wciąż się o niego troszczyła w swojej komnacie. Kiedy jednak starość poczęła dotkliwie go nękać, tak że nie mógł się dźwignąć, ni ruszyć ręką czy nogą, wtedy w jej sercu taka się myśl wydała najlepsza: w głębi domu go ukryła i drzwi wspaniałe zamknęła.

Obraz olejny na płótnie Francesca de Mury z XVIII w., Museo di Capodimonte w Neapolu w nagłówku artykułu przedstawia Titonosa oraz boginię Eos.

Zostaw komentarz: