Archiwum FiF
fahrenheit on-line - archiwum - archiwum szczegółowe - forum fahrenheita - napisz do nas
 
publicystyka

<|<strona 24>|>

W obronie Kota Schroedingera

 

 

Wielki artykuł w GW, ,,Decyzja należy do kota’’, wkurzył mnie niemiłosiernie. Przyczyna tego jest bardzo prosta: autor powinien się jednak kogoś zapytać, o co w tej mechanice kwantowej chodzi. A jak nie zrozumiał, to nie powinien pisać.

 

Sprawa superpozycji kota w ostatniej wersji nakarmionego i głodnego (teoretycy już dawno przestali rozpatrywać barbarzyńskie modele) jest dosyć dobrze określona, przynajmniej pod względem eksperymentalnym. Po pierwsze, by dać sobie radę z takim kotem, trzeba by najpierw schłodzić go do kondensatu Bosego-Einsteina. Nie bardzo ma sens zajmowanie się superpozycją normalnego kota. Z dosyć prostej przyczyny, o czym fizycy bardzo dobrze wiedzą: co prawda kot nie jest do końca określony, ale też stopień jego nieokreśloności jest naprawdę do zaniedbania. Kot jest średnio. Mówiąc kot, mamy na myśli obserwablę i jest to wynik pomiaru obiektu zwanego kotem. I widzimy, średnio rzecz biorąc, normalnego kota. Tak naprawdę z normalnym kotem nic szczególnego się nie da zrobić.

 

Kiedyś opisywałem całkiem inny eksperyment. Teoretycznie można by go przeprowadzić. Można przepuścić fortepian przez dwie szczeliny. Zachowując odpowiednie proporcje do rzeczywistych przyrządów fizycznych, droga fortepianu musiałaby biec przez cały znany nam wszechświat. Jednak ten przypadek daje się przynajmniej policzyć. Otóż fortepian jest wyrzucany w kierunku przesłony z dwoma szczelinami i za nią ląduje na ,,ekranie’’, na którym rejestruje się miejsce, gdzie upadł, robiąc na przykład znak farbą. Gdy przepuścimy przez naszą aparaturę 100, 200 fortepianów, to okaże się, że ślady układają się w charakterystyczne prążki interferencyjne. Pod warunkiem jednak, że nie podpatrujemy w żaden sposób, przez którą szczelinę przelatuje fortepian.

 

W tym sensie fortepian może się znajdować w dwu wzajemnie wykluczających się stanach: jednocześnie być w jednej i drugiej szczelinie. Jest to odpowiednik naszego kota, który może być jednocześnie nakarmiony i głodny (bardziej drastycznymi przypadkami się nie zajmujemy).

 

Jest wszak jeszcze jeden szkopuł. Ten fortepian musi być bardzo zimny. Jego atomy nie powinny prawie wcale drgać. Inaczej nici z całego eksperymentu, jeśli bowiem atomy drgają, to trzeba się zająć każdym z nich z osobna. Można rzecz nieco przybliżyć naszej wyobraźni: jeśli zamiast fortepianu, rzucamy garście śrutu. Otóż gdy uda się nam zrobić taką wyrzutnię, że prędkość każdej śruciny będzie taka sama, że wszystkie będą biegły idealnie równolegle, to możemy spodziewać się powstania interferencyjnego obrazu, powstałego na skutek rejestracji przejścia całej garści. Możemy precyzyjnie wyznaczyć miejsce upadku każdej kolejnej porcji. Jeśli śrut będzie miał różną prędkość, obraz interferencyjny rozmyje się. Dowcip polega na tym, że do iloczynu masy i prędkości, wielkości fizycznej zwanej pędem, przypisana jest tak zwana fala materii, której długość decyduje o rozstawie prążków. Jeśli śruciny będą miały różny pęd, pochodzące od nich prążki nałożą się na siebie, dając w rezultacie zamazany obraz.

 

Taki zamazany, a naprawdę uśredniony obraz świata widzimy na co dzień. To świat klasycznej fizyki. Dlatego Marsa z przykładu podanego w GW obserwujemy w konkretnym miejscu. Dlatego, aby nie zaobserwować uśrednionego po różnych pędach składowych atomów fortepianu, musimy dopilnować, aby był piekielnie zimny: musi on osiągnąć praktycznie zero bezwzględne z dokładnością miliardowych części stopnia. Dopiero wówczas drgania atomów zostaną zredukowane tak mocno, że długości fal de Broglie (fal materii) jego atomów nie będą się zbyt różnić i zobaczymy efekt interferencji.

 

Takie efekty obserwujemy w skali makro i już od dawna praktycznie je wykorzystujemy. To nadprzewodnictwo. Pisałem już kiedyś o nadciekłym helu, to doświadczenie z tej samej półki.

 

Mechanikę kwantową zazwyczaj opisuje się jako efekt odkrycia, że istnieje najmniejsza porcja energii i że jest to kwant. To kolejna banialuka, bardzo często powtarzana. Nieszczęście polega na tym, że jest to ,,prawie prawda’’. Jednak za pomocą takiej wiedzy niczego nie da się wyjaśnić. Jest inaczej: kwantowanie energii pojawia się w określonej sytuacji. Przykład: nasz fortepian ma zderzaki ze sprężyn i lata od ściany do ściany. Odbija się bezstratnie, ściany są idealnie sprężyste. W takiej sytuacji znajduje się elektron biegający wokół atomowego jądra. Generalnie coś, co ma energię mniejszą od tej, jaka jest potrzebna, by uciec w nieskończoność, może przyjąć tylko niektóre wartości energii, a ściślej chodzi o stan kwantowy, czy funkcję falową. Taka sytuacja ma odpowiednik w makroświecie w postaci struny rozpiętej pomiędzy dwoma sztywnymi uchwytami. Długość wzbudzanej w niej fali nie może być dowolna: musi być taka, żeby między mocowaniami zmieściła się całkowita liczba połówek. Z prostej geometrii wyskakuje nam tajemniczy warunek liczb całkowitych, w tym wypadku całkowite ,,porcje’’ długości fal.

 

Jeśliby chcieć zrealizować ów eksperyment z fortepianem, to najpierw musimy wybudować odpowiedni ,,laser fortepianowy’’. Trzeba wymyślić taki układ fizyczny, typu owego sztywnego pudła, w którym nasze instrumenty będą tłuc się pomiędzy ścianami. Wystarczy w jednej ścianie zrobić dziurę, przez którą będą wylatywały nietypowo potraktowane urządzenia do grania i już mamy zasadniczy element naszej aparatury pomiarowej.

 

Nie trzeba być specjalnie mądrym, by zauważyć, że znacznie łatwiej będzie z jednorodnymi gumowymi kulami: fortepian może się ustawić kantem, mogą mu zacząć drgać struny: zamiast ,,równo’’, każdy będzie biegał pomiędzy ścianami po swojemu. Inaczej mówiąc: im prostszy układ, na tym mniej sposobów może się zachowywać. Najlepiej wychodzi z cząstkami elementarnymi, na przykład fotonami, które można traktować tak jak punkty. Dlatego najpierw zbudowano lasery na światło, a z tymi na fortepiany – jak na razie trwają eksperymenty.

 

Poważnie. To cała dziedzina wiedzy i parę Nobli. Otrzymywanie kondensatów Bosego-Einsteina było tematem m.in. opowieści Andrzeja Drzewińskiego na III Spotkaniach z Frankesteinem.

 

Atom nie jest prostym układem mechanicznym, ale tak naprawdę nie ma za wiele mechanicznych możliwości. Atomy się przyciągają, tworząc same potrzebny nam układ, zwany czasami ,,studnią potencjału’’, w której to obiekty mogą przybierać tylko pewne, ściśle określone energie. Dokładniej chodzi nam o funkcję falową, która opisuje wszystkie własności fizyczne.

 

Atomy są bozonami, czyli czymś takim, co może mieć identyczne funkcje falowe: po ludzku mówiąc, wszystkie parametry fizyczne bozonów mogą być takie same. Z tej przyczyny mogą one odpowiednio schłodzone ,,spaść’’ na najniższy poziom, o ile je się tylko odpowiednio schłodzi. Można sobie także wyobrazić, że znajdą się one wszystkie na takim samym, jednak jakimś wyższym poziomie: ale nie mamy pomysłu technicznego, jak to zrobić. Tak więc wyziębimy wszystkie atomy do granicy fizycznych możliwości, stracą one całkowicie swą indywidualność. Taki obiekt idealnie nadaje się do demonstracji kwantowych właściwości materii.

 

Zbudowano już ,,lasery’’ atomowe. Całkiem spore kupki materii, wystrzelone z nich, ujawniły na przykład zdolność do interferencji. Jak na razie karkołomnym jest podejmowanie się odpowiedzenia na pytanie, czy da się ładnie zinterferować cały fortepian, bo jest zbudowany z bardzo różnych pierwiastków. Dobrze wychodzą kwantowe eksperymenty z atomami jednego pierwiastka. To jest właśnie strzelanie takim bardzo równym śrutem.

 

Taki kondensat dla obserwatora zachowuje się jak jedna wielka cząstka elementarna. Specjalnie dobieramy warunki eksperymentu w ten sposób, aby tak wyglądał. Nie można zobaczyć, jaki ma kształt, bo jeśli tylko padnie na niego odrobina światła, rozgrzeje się i zamiast kondensatu, będzie zwykła kupka materii.

 

Pretekstem do napisania tak naukowego artykułu w GW ma być nowa koncepcja, tycząca tego, dlaczego mianowicie klasyczne obiekty fizyczne zachowują się klasycznie, przedstawiona przez Rogera Penrose: powodem ma być grawitacja. Można powiedzieć, że w przypadku kota jest to bardzo dobrze wiadome i nie trzeba żadnej grawitacji. Fizycy, podając ten przykład, mają na myśli takie bardzo prostego kota, w którym stan kota głodnego, od stanu kota nakarmionego, wyraźnie się różni. W ogólności nawet mój kot, którego przeżarcie pozwala na bezpośrednie sprawdzanie Ogólnej Teorii Względności (wywołuje tak wielkie zakrzywienie przestrzeni, że tłuką się szklanki w pokoju, w którym kota na pewno nie ma), jest trochę kotem głodnym, ale tak bardzo mało, że nawet nie są do pomyślenia – poza samym kotem – urządzenia, które potrafiłyby to stwierdzić. Kot natomiast, od czasu do czasu lokalizuje się jako głodny i wrzeszczy, żeby ktoś wreszcie skoczył do sklepu po homary.

 

Otóż kot kwantowy, aby nadawał się do ilustracji wykładu, musi mieć bardzo prostą funkcję falową, a przynajmniej składową tyczącą jedzenia. Prostota kłóci się z samą ideą kota, z tego powodu powstaje ogromne zamieszanie. Teoretykom proponuję zastanowienie się, czy kot jest bozonem, czy fermionem, natomiast dla zrozumienia trzeba założyć, że mamy do czynienia z kwantowo-mechanicznym Garfieldem. Dopóki nie zapytamy, możemy domniemać, że nażarty, jak dokonamy lokalizacji jego stanu, będzie na pewno żądał czegoś, co chyba nie ma polskiej nazwy, a nazywa się lasagne. Dla ułatwienia filozoficznych dywagacji można dodać, że poza wektorem najedzenia, resztę przestrzeni stanu kwantowy kot może mieć całkiem normalną, to znaczy przymilnie drapać i gryźć właścicieli, rwać firanki i polować na muchy bez baczenia na sprzęty w mieszkaniu. Inna sprawa, czy technicznie da się cos takiego zrealizować.

 

Nie wiem, o co chodziło w oryginalnej pracy: dopadło mnie lenistwo i nie odszukałem jej. Nie sądzę natomiast, żeby chodziło o coś, co jest bardzo dobrze znane i nazywa się przejściem do mechaniki klasycznej. Nie jest to sprawa całkiem oczywista, ale do udowodnienia, że suma śladów, czy średni ślad dają to, czego oczekujemy w klasycznej mechanice. W mikroświecie nie ma sensu nawet mówić o torze cząstki. Pisałem o tym w pierwszym artykule do, wówczas jeszcze, Fantazinu. Tymczasem można swobodnie mówić o wiązce elektronów. Można swobodnie przewidzieć tor wiązki. Inaczej nie działałby kineskop monitora telewizora, mikroskop elektronowy i szereg innych sprytnych urządzeń. Bo obserwujemy bardzo wiele elektronów. Nawet ślad pojedynczej cząstki w jądrowej kliszy jest pewnym uśrednieniem: średnica linii, którą obserwujemy pod mikroskopem, jest ogromna w stosunku do samej cząstki.

 

Jak już kiedyś pisałem, mechanika kwantowa stanowi bardzo poważne wyzwanie dla wszelkiej maści humanistów. Sam na tej dziedzinie wiedzy zwyczajnie się nie znam. Potrafię tylko przewidywać wyniki eksperymentów. To jest pewnie zasadnicza sprawa: wspomniany artykuł w GW chce objaśniać świat, a nie uczyć, jak mierzyć. W ten sposób nigdy fizyki nie uda się chyba poprawnie wyłożyć. Co więcej, moim zdaniem to już nie fizyka, a filozofia. A przed filozofami Panie Boże broń, także wszystkie koty.

 

W    N U M E R Z E
Valid HTML 4.01 Transitional Valid CSS!

< 24 >