życie w czasach mechaniki kwantowej

o tym, co wydaje mi się, że zrozumiałem z tego, co usłyszałem o fizyce kwantowej

The 'paradox' is only a conflict between reality and your feeling of what reality ought to be

Richard Feynman

Dzięki takim eksperymentom sypie się nasz tradycyjny obraz świata. Być może przeprowadzałeś go na lekcji fizyki w szkole średniej.

Już w szkole uczy się, nas, iż światło ma naturę korpuskularno-falową. Co oznacza, iż w pewnych warunkach, przy użyciu określonego instrumentarium badawczego, możemy wykazać zarówno, iż składa się ono z cząstek, jak też, że jest ono falą (jak wtedy, gdy ulega dyfrakcji). W zależności od tego jakie doświadczenie przeprowadzamy, światło wydaje się być jednym lub drugim. Nieprawdopodobne? Jakie szczęście, że dotyczy to tylko światła? Otóż nie, wydaje się, że dotyczy to także materii - Ty także, Czytelniku, masz naturę korpuskularno-falową - co udało się już wykazać eksperymentalnie na fullerenach, cząsteczkach składających się z 60 atomów węgla, które trudno nazwać inaczej, niż materią. Każdy z nas ma swoją długość fali materii, jest ona jednak tak mała, iż nie da się jej zmierzyć i sprawia, że na co dzień nie przejawiamy efektów kwantowych, sprowadzających się niekiedy do łamania praw klasycznej fizyki. Co za ulga. Tym niemniej możemy przypuszczać, iż to co nazywamy materią, i co wydaje nam się synonimem czegoś realnie istniejącego - jest użyteczną nazwą na to, co dzieje się w momencie gdy fale materii wchodzą w kontakt z receptorami którymi posługuje się nasz mózg. Rzeczywistość jest więc brzęczeniem detektora.

* * *

To be, or not to be: that is the question

Wiliam Shakespeare, Hamlet, akt III

Mleko. Tylko czeka aż się odwrócisz, aby wykipieć.

Wyobraźmy sobie kota, w imię nauki zamkniętego w pudełku wraz z zabójczą dla niego trucizną. O wypuszczeniu trucizny decyduje licznik Geigera reagujący na rozpad znajdującego się wewnątrz promieniotwórczego izotopu. Izotop ten ma na starcie takie samo prawdopodobieństwo rozpadnięcia się jak też i nie. Atom istnieje w stanie superpozycji, w której obie możliwości są ze sobą wymieszane i równie prawdopodobne. Matematyczny model obu stanów opisuje tzw. funkcja falowa, która, tak długo jak nikt nie patrzy, zmienia się w czasie. W oczywisty sposób wzrasta prawdopodobieństwo zaistnienia stanu, w którym atomu ulega rozpadowi (na co reaguje licznik, co powoduje uwolnienie trucizny...). O atomie możemy powiedzieć, że istnieje w dwóch stanach jednocześnie, do momentu, kiedy ktoś wreszcie dokona obserwacji i jedno z prawdopodobieństw wyniesie 1 a drugie 0, dla atomu "wybrany" zostanie jeden ze stanów. Co przekłada się na kota jednocześnie żywego i martwego, tak długo jak nikt nie odważy się zajrzeć do pudełka.
Ten eksperyment myślowy znany jest jako kot Schrödingera, od Erwina Schrödingera, twórcy równania które każe nam zapomnieć o poukładanym świecie jaki znamy. Eksperyment, wybacz sformułowanie, intensywnie drze koty ze zdrowym rozsądkiem i wydawać by się mogło, że powinien mieć zastosowanie tylko do obiektów w skali mikro. Niestety. Podobne efekty zaobserwowano już w wypadku rzeczy dostrzegalnych.

Lolkot Schrödingera

Psychologia mówi nam, że pojawienie się obserwatora *wpływa na zachowanie ludzi. Facylitacja społeczna sprawia na przykład, że sportowcy osiągają lepsze wyniki przed publicznością (podobnie szybciej biegają karaluchy w obecności innych karaluchów). Z drugiej strony, pojawienie się kierownika na hali produkcyjnej błyskawicznie motywuje do pracy, ale szef-nad-biurkiem każe nam niekiedy rozpocząć pracę od początku, tak by nie pochwalić się jej rezultatami zbyt szybko. Nie inaczej (choć nieprawdopodobnie dziwniej) jest w skali mikro.

Zerknięcie na atom zmierzający ku rozpadowi i zastanie go nierozpadłym, w teorii i na papierze powoduje zresetowanie układu do stanu oznaczonego i wzrost funkcji ku rozpadowi od początku. W rezultacie, jeśli mierzyć odpowiednio często, teoretycznie atomowi nigdy nie uda się rozpaść (mimo, iż nadejdzie czas najwyższy). Paradoks ten nazywa się kwantowym paradoksem Zenona i... udało się już zaobserwować go eksperymentalnie na pojedynczym atomie. Inny efekt z wesołego świata fizyki kwantowej, nazwany poetycko kwantowym efektem Hamleta, polega na tym, że odpowiednia skomplikowana sekwencja pomiarów może sprawić, iż równania Schrödingera przestaną być stosowalne dla układu i w rezultacie w żaden sposób nie będziemy w stanie powiedzieć o nim czy jest, czy też nie jest (rozpadły).

* * * 

So close, no matter how far 
Couldn`t be much more from the heart

Metallica - Nothing Else Matters

Coś dla cierpiących z powodu rozłąki z bliską osobą. Splątanie kwantowe, czyli niewinnie brzmiące nielokalne połączenia kwantowe.

Okazuje się, że cząsteczki mogą być ze sobą połączone (tak, że zmiana stanu kwantowego jednej wpłynie na zmianę stanu kwantowego drugiej) mimo, iż nie będą miały ze sobą fizycznego kontaktu. Jakie to romantyczne. Wyobraźmy sobie atom któremu mierzymy spin (kręt, moment pędu; do momentu, kiedy dokonamy obserwacji, kręt pozostaje błogo niezdeterminowany, patrz kot Schrödingera). Wyniki zdają się być przypadkowe, raz uzyskujemy dodatni, raz ujemny - ich rozkład zbliża się do przewidywalnego równego podziału. Jeśli jednak zaczniemy dokonywać pomiarów cząsteczek nielokalnie splątanych kwantowo, okaże się, iż pomiar jednej pozwoli przewidzieć wynik pomiaru drugiej. Okaże się, iż są one skorelowane dodatnio (oba spiny będą dodatnie lub oba będą ujemne) lub ujemnie - spiny będą sobie przeciwne. Odległość będzie w tym wypadku bez znaczenia. Badania przeprowadzone w 2008 roku pokazały, że ewentualna informacja w tym wypadku porusza się z minimalną prędkością 10 000c - dziesięć tysięcy razy większą od prędkości światła, o której wiemy, że jest największą możliwą we wszechświecie i od której szybciej poruszać się zwyczajnie nie można.

Chociaż zgodnie z fizyką klasyczną i zdrowym rozsądkiem splątanie kwantowe nie ma prawa istnieć, jest ono szeroko stosowane w pracach nad informatyką kwantową - między innymi nad stworzeniem kwantowego komputera, co zdecydowanie przyśpieszy rozwój kwantowej kryptografii, dzięki której nasze ściśle tajne hasła przestaną mieć jakiekolwiek znaczenie. Podczas gdy w tradycyjnym komputerze bit ma wartość 0 lub 1, qubit ("bit kwantowy") ma obie te wartości jednocześnie. Klasyczny zapis w ośmiu bitach to wybór jednej z 256 możliwości, zapis w 8 qubitach to 256 możliwości naraz. Skomplikowane hasła, które kiedyś wydawały się nie do złamania w rozsądnym czasie, będą łamane wyliczeniami w superpozycji, co zajmie pewnie tylko chwilę.

O splątaniu uwielbiają także pisać zwolennicy prawdziwości zjawisk paranormalnych takich jak prekognicja, telepatia, jasnowidzenie czy synchroniczność. Jest ono jednym z głównych fundamentów kwantowego mistycyzmu, czyli rosnącej w siłę nowej wersji New Age.

* * * 

Co ciekawe, kolejny przykład wyniesienia fizyki kwantowej z laboratorium i notatek autorstwa szalonych umysłów żyje sobie od dawien dawna na tym świecie. Niektóre gatunki bakterii od dawien dawna korzystają bowiem z efektów kwantowych przy fotosyntezie. Niektórzy badacze postulują zaś kwantowe wyjaśnienie fenomenu ludzkiej świadomości i kwantową naturę naszego umysłu. Choć to już chyba zwyczajny znak (kwantowych) czasów...
Albo i nie.

wykłady dla odmiany wyjaśniające fizykę kwantową

na podstawie: Seven wonders of quantum world, New Scientist

grafiki:

dyfrakcja światła - szkic T. Younga, grafika w domenie publicznej, za WikiCommons

lolkot Schrödingera - icanhascheezburger.com