Tim James. Dlaczego Schrodinger wybrał kota

W miarę jak przybywało obserwacji (chodzi o pomiary cząstek, ich pędu, energii, spinu i położenia – red.) i utrwalały się równania, pojawiły się dwa obozy, każdy z własnym poglądem. W jednym obozie byli filozofowie, którzy chcieli zrozumieć prawdziwą naturę mechaniki kwantowej. Uczeni tacy jak Einstein, Schrodinger i de Broglie. W drugim obozie znaleźli się analitycy, tacy jak Bohr i Heisenberg, obaj pracujący w Kopenhadze, którzy chcieli korzystać z mechaniki kwantowej, nie martwiąc się o filozoficzne znaczenie tego wszystkiego.

W 1930 roku Heisenberg napisał książkę zatytułowaną „Physikalische Prinzipien der Quantentheorie" (Fizyczne zasady teorii kwantów), podsumowując w niej stanowisko, które on i Bohr wypracowywali latami. Mówił o ich wizji „das Kopenhagen Geist", co dosłownie można przełożyć jako: „duch kopenhaski", mimo że słowa takie jak dusza czy charakter są bardziej zgodne z jego własnym poglądem. Obawiam się, że mechanika kwantowa nie udowadnia, iż duchy są prawdziwe, chociaż podaje całkiem niezły przykład nieumarłych (czekajcie dalszych informacji).

„Kopenhaska interpretacja" mechaniki kwantowej jest podejściem pragmatycznym, które mówi, że głębokie prawa fizyki są zbyt niedostępne dla ludzkiego doświadczenia, nigdy więc ich nie zrozumiemy. Utrzymuje ona, że tak jak kolory, mieszając się, tworzą biel, własności cząstek można zmieszać, wytwarzając „stan superpozycji", w którym nie ma ona spinu w górę lub w dół ani nie przebywa tu ani tam. I jest to jednocześnie wszystko, a zarazem nic. Według słów Heisenberga: „Same cząstki nie są prawdziwe; tworzą one raczej świat możliwości, a nie jeden z obiektów lub fakty".

Cząstki nie dbają o to, czy mają dla nas sens, i nie dostosowują się do naszych ludzkich ograniczeń, zatem nie mamy innego wyboru, niż tylko wziąć je takie, jakie są. Albo zakochujesz się w tym, co widzisz, albo uciekasz z krzykiem. Funkcje falowe istnieją częściowo realnie, częściowo w sposób urojony, pomiar je zmienia i w tej sprawie nie ma już do powiedzenia nic więcej. Koniec dyskusji.

To irytujące, że Bohr i Heisenberg nigdy w pełni nie określili wszystkich szczegółów swego podejścia do mechaniki kwantowej. Czasami można je skonkretyzować w określonych przypadkach, ale podobnie jak robią to same cząstki kwantowe, utrzymywali wszystko w stanie nieokreśloności, zamiast pomóc go rozwikłać. Jednak teraz ogólnie naszkicujemy to, w co oni wierzyli.

Natura, gdy nie jest mierzona, istnieje w mnogości stanów (lub ich braku) nazywanej superpozycją, ale kiedy dokonujemy pomiaru, rozgniatamy tę superpozycję jak muchę packą na suficie, zmuszając naturę, by określiła się w jednym stanie.

Równanie Schrodingera mówi nam o prawdopodobnym wyniku pomiaru, ale nic nie zostaje rozstrzygnięte dopóty, dopóki się go nie dokona, wówczas zaś mówimy, że superpozycja, jak pękający bąbelek, doznaje „kolapsu" do jednego stanu. To, co pozostaje, jest zwykłą wersją cząstki i nazywane jest często stanem własnym cząstki. I jest to to, z czym mamy do czynienia w fizyce klasycznej, tyle że w odróżnieniu od fizyki klasycznej, zanim dokonamy pomiaru, musimy posłużyć się falami prawdopodobieństwa.

Nie da się też powiedzieć, w który stan własny funkcja falowa cząstki dozna kolapsu, ponieważ sam Wszechświat nie zdecydował. Po prostu dokonujemy pomiaru i patrzymy na to, co się stanie. Taki właśnie mechanizm przyśnił się w nocy Bohrowi i Heisenbergowi.

Interpretacja kopenhaska jest dla wielu fizyków obrzydliwym oszustwem. Nic nie wyjaśnia i każe ci po prostu zadowolić się niewiedzą. Krytycy nazywają ją podejściem typu „zamknij się i licz", ponieważ obchodzi ona szerokim łukiem intuicję i wprost zaleca używanie równań na oślep, co nie wydaje się właściwym rozwiązaniem. (...)

Einsteina i Bohra łączyły skomplikowane relacje osobiste. Szanowali nawzajem swe intelekty, ale gwałtownie nie zgadzali się w sprawach dotyczących mechaniki kwantowej. Na każdej konferencji, w której uczestniczyli, dochodziło do sporów, a potem pisali mnóstwo upublicznianych listów o tym, jak bardzo się mylił ten drugi. (...)

Sprzeciw Einsteina wobec interpretacji kopenhaskiej wynikał z tego, że jego zdaniem celem fizyki jest ustalenie, jak działa natura. Natura mówi nam coś przez mechanikę kwantową, a my musimy się dowiedzieć co. W jego mniemaniu Bohr poddawał się, gdy rzeczy przybierały interesujący obrót. (...)

Z perspektywy Bohra umysły ludzkie ewoluowały po to, aby usprawnić poszukiwania jagód na równinach Afryki, a nie po to, aby zajmować się zaawansowaną fizyką. Prędzej czy później musieliśmy się natknąć na jakiś mur. Istota ludzka próbująca zrozumieć mechanikę kwantową byłaby jak domowy termostat próbujący zrozumieć fabułę filmu „Quantum of Solace" z Jamesem Bondem. (...)

Obraz tych debat przenikający do publicznej świadomości ukazywał Einsteina jako uczonego, który ma najlepsze lata za sobą, a Bohra jako triumfującego. W pewnych relacjach Einstein jest nieżyczliwie przedstawiany jako człowiek niegdyś wielki, teraz niebędący już w awangardzie fizyki, perorujący o tym, jak to w jego czasach nauka była lepsza.

Prawdopodobnie niektórym daje to poczucie satysfakcji, ponieważ miło jest wiedzieć, że Einstein miał jakieś ograniczenia, ale w rzeczywistości doskonale uchwycił on mechanikę kwantową. Dlatego tak bardzo starał się znaleźć w niej błąd – wiedział bowiem, co nim naprawdę było.

Kości, w które według Einsteina grał Bóg, i skaczący Księżyc zostały zlekceważone przez Bohra jako zastrzeżenia podyktowane emocjami, które nie miały żadnego znaczenia dla faktów naukowych. Wówczas na walkę z kopenhaskim molochem zdecydował się Schrodinger. (...)

Postanowił on pójść inną drogą i zaatakował superpozycję, a nie pomiar. W listopadowym wydaniu „Naturwissenschaften" z 1935 roku opublikował pracę, która powinna, jak twierdził, zrujnować na zawsze interpretację kopenhaską. Przedstawił w niej to, co teraz znane jest jako paradoks kota Schrodingera.

Wyobraźmy sobie kota zamkniętego przez godzinę w stalowym pudle. Wewnątrz pudła umieszczony jest materiał radioaktywny, a obok niego licznik Geigera, który wykrywa, czy z materiału została wyemitowana jakaś cząstka, czy też nie. Nie da się przewidzieć, czy emisja nastąpi w ciągu godziny, ale możemy wybrać materiał, którego funkcja falowa daje 50 procent prawdopodobieństwa emisji po tym czasie.

50 procent wynosi prawdopodobieństwo tego, że cząstka znajduje się w jądrze, ale też 50 procent wynosi prawdopodobieństwo tego, że cząstka dzięki tunelowaniu wydostanie się z jądra i wpadnie do licznika. W tym miejscu robi się ciekawie. Licznik Geigera jest sprzężony z piekielnym urządzeniem, które spuszcza wówczas młotek i rozbija obok kota fiolkę kwasu cyjanowodorowego.

Interpretacja kopenhaska mówi, że cząstka wybiera obie opcje, w stanie superpozycji znajduje się wewnątrz jądra oraz na zewnątrz niego, zatem młotek jednocześnie opadł i nie opadł. Oznacza to, że fiolka z kwasem jest jednocześnie rozbita i nierozbita, a kot – jednocześnie martwy i żywy. Jeżeli poważnie traktuje się interpretację kopenhaską, to trzeba zaakceptować ten absurd. Superpozycja musi być błędna.

Nie wiem, dlaczego Schrodinger nie wymyślił czegoś działającego błyskawicznie, czegoś, co zabiłoby kota bezboleśnie, lecz zdecydował się mordować go w ciągu kilku minut za pomocą cyjanku. Schrodinger to był dziwny facet.

Nie jest również jasne, dlaczego wybrał kota. Był właścicielem psa wabiącego się Burschie i są tacy, którzy twierdzą, że miał kota Miltona, ale mogą być to informacje apokryficzne.

Być może pewnego ranka pisał swój artykuł, kiedy Milton uznał, że to dobra chwila, by mu zrobić kupę na biurku, a wtedy Schrodinger uwiecznił go po wsze czasy. Kto to wie?