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

wszyscy jesteśmy matematykami

miłość w czasach psychologii ewolucyjnej

Z notatnika marsjańskiego antropologa:

Dziewczyna, studentka pierwszych lat. Pobożna, czemu daje wyraz poprzez aktywne uczestnictwo w przykościelnych organizacjach młodzieżowych. Wraz ze swoim chłopakiem o podobnym spojrzeniu na świat, zdecydowała się także powstrzymywać od współżycia aż do ślubu. Na ich drodze pojawia się X. X wprowadza swoją osobą sporo zamętu do życia bohaterki. Na kilka dni (nocy) zawiesza ona swoje dotychczasowe przekonania. Zgodnie z jego wersją wydarzeń, X robi z nią rzeczy, jakich nigdy nie robił z nikim innym.

Jeśli wierzyć jego opowieści, nasi bohaterowie nadal są ze sobą i wciąż zachowują wstrzemięźliwość.

Latające owady potrafią poradzić sobie ze stabilizacją lotu przy pomocy kłębuszka neuronów w swojej głowie a wszystkie żyjące na tej planecie stworzenia potrafią "dokonywać obliczeń", których potrzebują do skutecznego funkcjonowania w świecie - dokonują tego utworzone przy pomocy doboru naturalnego mechanizmy, wykonujące określone (skuteczne w danej sytuacji) czynności wobec określonych bodźców, w określonych warunkach. Podobnie skomplikowanych obliczeń dokonujemy także i my utrzymując prawidłową postawę ciała, łapiąc lecące w naszą stronę przedmioty i kontrolując wszelki inne czynności motoryczne. Wiele wskazuje na to, że nie inaczej kalkulujemy wartość matrymonialną naszych potencjalnych partnerów. I tak na przykład altruiści wydają się niekiedy bardziej atrakcyjni, możliwe, że dlatego, iż zwiększają prawdopodobieństwo skutecznego odchowania potomstwa do wieku rozrodczego - będą dobrymi ojcami, którzy gotowi będą sporo zainwestować w wychowanie swojego potomka. Opłacalnym wydaje się zatrzymać przy sobie łagodnego fajnego_faceta, na ojca swoich dzieci wybierając zaś atrakcyjnego wysoce męskiego samca, (*koreluje z: niekoniecznie wiernego), który przekaże im dobre geny.
 
Co dwunasty polski mężczyzna wychowuje potomstwo innego mężczyzny.

grafika: Abstruse Goose

dziewczyna w czarnym płaszczu z drugiego roku

Po raz pierwszy usłyszałem o owej nieszczęsnej dziewczynie od ludzi, którzy twierdzili, że chyba ją znają, gdyż uczy się na ich wydziale (w grupie kolegi). Lektura komentarzy pod demotywatorami [1] [2] (w krótkim czasie dwa trafiły na główną; niczego nie insynuuję, ale gdybym pracował nad partyzanckim marketingiem adresowanym do młodych, postarałbym się o wyraźne zaistnienie w miejscach, które odwiedzają) pozwala przypuszczać, iż cała Polska ma swoją cuchnącą dziewczynę. Doniesienia o podobnych kartkach, pisanych odręcznie, napływały z całego kraju. Zrobił się buzz. Nieliczni zdawali się dostrzegać, iż na dole kartki znajduje się wyjaśnienie fenomenu spoconych dziewczyn.

Twórcom wirusowej kampanii reklamowej dezodorantu gratuluję sukcesu. Najpierw pozwolili nam samym przygotować grunt poprzez opowiadanie znajomym o tym, co ciekawego widzieliśmy na przystanku czy też w gablotce na uczelni, podnosząc tym samym zainteresowanie tematem (nie obyło się bez gotowych ogłoszeń do pobrania). Prawa memetyki były po ich stronie, podobnie jak w wypadku legend miejskich - ogłoszenia dotyczą bardzo kłopotliwej i wzbudzającej emocję kwestii tego, jak jesteśmy postrzegani. A przecież nikt z nas nie lubi źle wypadać w oczach innych ludzi; będąc gatunkiem małpy którego przetrwanie w dużej mierze zależy od współpracy z innymi, bardzo wiele wysiłku poświęcamy na autoprezentację i weryfikację naszego wizerunku. Myśl, iż to nas mogłaby dotyczyć wywieszka może wzbudzać negatywny stan emocjonalny, który każe nam zrobić wszystko, by uniknąć takiego upokorzenia.

Internetowej części kampanii nadano ramy pożytecznej kampanii społecznej, co w jakimś stopniu niweluje negatywne skojarzenia związane z reklamami (jako sposobem na wciśnięciem nam czegoś) i obniża naszą czujność wobec prezentowanego przekazu, dzięki czemu stawiamy mu mniejszy opór. Następnie, twórcy bez większego wysiłku, niejako od niechcenia, wkroczyli ze swoim właściwym przekazem na zdobyte uprzednio w naszych umysłach terytorium:

Najprawdopodobniej wielu z nas, przynajmniej w najbliższym czasie i przy odrobinie szczęścia zwłaszcza w sezonie letnim (który w oczywisty sposób jest kluczowy dla rynku antyperspirantów), silnie kojarzyć będzie zagadnienie kłopotliwych zapachów spod pach z konkretną marką. I właśnie o to w tym wszystkim chodziło.

co zawdzięczamy depresji?

Na to śmiałe pytanie także próbuje odpowiedzieć ewolucyjne podejście w psychologii. Dlaczego właściwie się za to zabiera? Między innymi dlatego, że częstotliwość zachorowań na zaburzenia depresyjne stanowi pewien fenomen. Jest to bowiem jedna z najbardziej rozpowszechnionych dolegliwości - szacuje się niekiedy, że 10% populacji cierpi z jej powodu. Depresja dotyka ludzi w w na każdym etapie życia, od dzieci po osoby w podeszłym wieku, choć obserwuje się dwa szczyty zachorowań - pomiędzy 15 a 30 rokiem życia i około 60. Wydaje się to być zagadką o tyle, że nie wpisuje się w obserwowany wzrost dysfunkcji organizmu postępujący wraz z wiekiem (jako, że nie ma presji selekcyjnej na większą przeżywalność wysoko powyżej wieku reprodukcyjnego, nie ma też silnej presji selekcyjnej przeciwko niewydolności organów w tym wieku - innymi słowy, w młodszym przedziale wiekowym wygrywają ci, którzy dłużej zachowują sprawne ciała, później nie ma to już takiego znaczenia) - depresja, wydaje się być na tyle rozpowszechniona, że warto zastanowić się nad możliwością istnienia jakiegoś rodzaju wrodzonej podatności na depresję.

Najbardziej wyważone podejście do tematu to podejście zaproponowane przez D. Nettle'a (masz *déjà lu?). Zauważa on, iż niezwykle bogate mechanizmy emocjonalne funkcjonują u człowieka po to, by umożliwiać mu orientację przede wszystkim w niesłychanie zawiłym świecie interakcji społecznych. Pomagają one w tworzeniu i utrzymywaniu sojuszy, pozwalają na ustalanie własnej pozycji w zbiorowości i regulują naszą uwagę pod kątem tego, co dla nas (ewolucyjnie) dobre i nie. W dużym skrócie, emocje o znaku pozytywnym skłaniają nad do podtrzymywania aktywności a te z przeciwnego bieguna każą nam zająć się czymś innym. Jakkolwiek badania Ekmana pokazały pewną uniwersalność systemów stojących za interpretacją i wyrażaniem emocji (na co wskazywał już Darwin), istnieją pomiędzy nami różnice indywidualne w zakresie zdolności do reagowania na bodźce emocjonalne. Złożoność neurobiologicznych mechanizmów warunkujących zróżnicowanie naszej reaktywności prawdopodobnie długo pozostanie dla nas zagadką, podobnie jak stojące za nimi geny, jednakże tak jak w wypadku *cech osobowości, możemy przypuszczać, iż zróżnicowanie to rozkłada się populacji w sposób zbliżony do *rozkładu normalnego, co pozwalałoby spodziewać się niezwykłych wyników na ogonach krzywej. Największa wrażliwość mogłaby się w takiej sytuacji wiązać z podatnością na doświadczenie tego, co nazywamy depresją.

* * *

Najciekawszym z ujęć tematu jest moim zdaniem podejście skrajnie adapcjonistyczne, które to co my w swoim systemie wiedzy nazywamy jednobiegunowymi zaburzeniami nastroju i traktujemy jako zaburzenie prawidłowego funkcjonowania człowieka, postrzega po prostu jako funkcję ludzkiego umysłu pełniącą role adaptacyjną, której skutkiem ubocznym jest dyskomfort. Innymi słowy, na pewne sytuacje organizm po prostu reaguje stanem depresji, mającym swoje uzasadnienie (tak, jak swoje uzasadnienie ma gorączka), człowiek zaś nie powstał po to, by być szczęśliwym a po to, by zmaksymalizować swój sukces reprodukcyjny i od czasu do czasu najwyraźniej musi pocierpieć.

Po co właściwie? Jakie korzyści mogłyby płynąć z odczuwania stanu opisywanego jako dojmujące poczucie niezdolności do podjęcia jakiejkolwiek działalności, wszechogarniającej pustki i samotności?

Na przykład przerzucenie swojej uwagi z innych dziedzin życia na źródło problemu i zasygnalizowanie otoczeniu zwiększonej potrzeby pomocy, głosi hipoteza społecznej nawigacji (social navigation hypothesis, SNH). Mechanizm poszukiwania uwagi ze strony najbliższych po raz pierwszy zasugerowano wobec depresji poporodowej - doświadczające jej matki miałyby w ten sposób pozyskiwać pomoc potrzebną przy utrzymywaniu potomstwa na świecie ze strony swoich krewnych, spostrzegających, iż nieobojętna im osoba jest w danej sytuacji bezradna. Pomysł ten rozszerzono wkrótce na inne formy depresji, sugerując, iż jest ona adaptacyjnym mechanizmem aktywującym pomoc ze strony otoczenia w odpowiedzi na niesprzyjające warunki.

Chociaż depresja upośledza funkcje poznawcze (pamięć, zdolność uczenia się, koncentrację), wydaje się jednak, że nie dotyczy to zadań związanych z orientowaniem się w sytuacjach społecznych. Niektóre badania wskazują na lepszą zdolność osób w depresji do rozwiązywania problemów międzyludzkich i większą skuteczność sądów w niektórych dziedzinach (efekt depresyjnego realizmu (depressive realism)) - pacjenci z depresją w mniejszym stopniu ulegają np. podstawowemu błędowi atrybucji. Wszystko to ma znaczenie o tyle, że właśnie sfera relacji międzyludzkich jest najczęściej źródłem czynników wyzwalających depresję - utrata bliskiej osoby, konflikty z istotnymi osobami, zawody miłosne, niepowodzenia w ważnych dla danej jednostki dziedzinach (kwestia statusu), itd.

Z drugiej strony, obniżenia nastroju spowodowane przykrymi doświadczeniami często sprawiają, iż dana osoba nie jest w stanie skupić się na jakichkolwiek innych czynnościach i nie jest zdolna by myśleć o czymś innym niż źródło jej problemu, który roztrząsa bez ustanku (ruminacje) - wycofuje swoje zaangażowanie z innych dziedzin życia, dzięki czemu niejako siłą rzeczy wszystkie swoje zasoby intelektualne skupia na trapiącym ją problemie. Z kolei ograniczenie aktywności i brak zainteresowania czymkolwiek pozbawiają ją dystraktorów i pozostawiają dużo czasu, który może poświęcić analizowaniu swojej sytuacji.

Innym pomysłem jest postrzeganie obniżonego nastroju (nie zaś samej depresji która byłaby rozregulowaniem mechanizmu, patrz niżej) jako psychicznego odpowiednika bólu. Ból chroni nasze ciało poprzez zniechęcanie nas do ponownego podejmowania zagrażających mu czynności i unikanie jego źródeł. Podobnie "czucie się fatalnie" miałoby skłaniać nas do zmniejszenia inwestycji w źródło nieprzystosowania (jakie piękne słowo zastępujące powoli cierpienie, zło, itp.) i w miarę możliwości niepowtarzanie błędów.

* * *

Łagodniejszą wersją tego podejścia jest pojmowanie depresji jako skutku rozregulowania mechanizmów które, jeśli funkcjonują właściwie, są bardzo pożyteczne, choć z drugiej uciążliwe - tak, jak wymioty czy biegunka przy zatruciu pokarmowym lub też wspomniany ból związany z urazami. Depresja sama w sobie nie jest adaptacją a rezultatem błędów w działaniu, na przykład wtedy, gdy mechanizmy są zbyt czułe i aktywują się niepotrzebnie (patrz podejście pierwsze) lub też są aktywne nieustannie. Dlaczego? Być może dlatego, że środowisko w którym żyją nasze ciała tak bardzo *różni się od tego, do którego zdążyły się przystosować.


Źródła:

ALLEN, N., & BADCOCK, P. (2006). Darwinian models of depression: A review of evolutionary accounts of mood and mood disorders Progress in Neuro-Psychopharmacology and Biological Psychiatry, 30 (5), 815-826 DOI: 10.1016/j.pnpbp.2006.01.007

NETTLE, D. (2004). Evolutionary origins of depression: a review and reformulation Journal of Affective Disorders, 81 (2), 91-102 DOI: 10.1016/j.jad.2003.08.009