Polsko-austriacki zespół fizyków dowiódł, że realny świat nie jest tym, czy się nam do tej pory wydawało. Rzeczywistość, którą obserwujemy za pomocą zmysłów, jest mocno ograniczona. Z przeprowadzonego przez nich eksperymentu, opisanego w kwietniowym numerze pisma „Nature”, jasno wynika – klasyczny realizm należy odrzucić.

NOWA FIZYKA

Zamieszczony, w tym najbardziej prestiżowym wydawnictwie naukowym na świecie, artykuł dotyczy podstaw mechaniki kwantowej i jej możliwych interpretacji.

„Wiemy już, że niemożliwe jest zrozumienie przewidywań kwantowo-mechanicznych w oparciu o klasyczny światopogląd głoszący, że obiekty fizyczne mają dobrze określone właściwości, niezależnie od tego czy są one obserwowane, czy też nie (realizm), oraz że odległe obiekty są od siebie niezależne (lokalność, wynikająca w teorii względności Einsteina)” – tłumaczy współautor artykułu, prof. Marek Żukowski, kierownik Instytutu Fizyki Teoretycznej i Astrofizyku Uniwersytetu Gdańskiego.

Powstaje zatem pytanie, jak interpretować mechanikę kwantową? Które z wymienionych założeń są nieprawdziwe? „Duża cześć fizyków obstawia, że to lokalność zawodzi – mówi Żukowski. - Często słyszy się słowa +mechanika kwantowa jest nielokalna+”.

TEORIA KWANTÓW

Mechanika kwantowa narodziła się na początku XX wieku i obaliła dotychczasowe postrzeganie świata przez fizyków. Okazało się bowiem, że to, co rejestrują nasze zmysły jest jedynie wąskim wycinkiem istniejącej rzeczywistości. Mechanikę kwantową, zwaną inaczej teorią kwantów, najoględniej można nazwać teorią praw ruchu obiektów świata mikroskopowego. Opisuje ona przede wszystkim przedmioty o bardzo małych masach i rozmiarach, jak atomy i cząstki elementarne, dla których przewidywania klasycznej mechaniki nie sprawdziły się.

Za twórców tej „nowej fizyki” uważa się (niezależnie od siebie) Wernera Heisenberga i Erwina Schrodingera. W kolejnych latach rozwijali ją tacy geniusze, jak Max Born, Paul Dirac, Niels Bohr czy Richard Feynman.

ŚWIAT JEST NIEREALNY

„W naszej pracy uogólniliśmy nierówność Leggetta (za którą w 2003 ten brytyjski naukowiec otrzymał Nagrodę Nobla), którą spełniają niektóre teorie zarówno nielokalne, jak i realistyczne. Następnie, wraz ze słynną grupą fizyków z Wiednia pod kierunkiem Antona Zeilingera, przeprowadziliśmy bardzo precyzyjny eksperyment, w którym wyprowadzona nierówność została złamana, potwierdziły się natomiast przewidywania kwantowe”.

„Oznacza to – tłumaczy naukowiec - że omawiana klasa alternatywnych teorii nie nadaje się do wyjaśniania zjawisk kwantowych. W szerszym kontekście wyniki te stawiają założenie realizmu pod dużym znakiem zapytania, ponieważ musiałby on mieć postać bardzo wynaturzonej teorii nielokalnej”.

REALIZM FIZYCZNY

Realizm to pogląd głoszący, że obiekty fizyczne niosą ze sobą informację o wszystkich pomiarach, które możemy na nich wykonać. „Powiedzmy, że mój rozmówca nie wie, ile pieniędzy mam w lewej kieszeni spodni – wyjaśnia prof. Żukowski. - Wie jednak, że jakaś ich ilość na pewno tam jest, powiedzmy od zera do miliarda złotych. I to jest właśnie spojrzenie realistyczne – w każdej chwili, niezależnie od tego czy to sprawdzamy (mierzymy), czy też nie, w mojej kieszeni jest tyle pieniędzy, ile jest”. Natomiast słowem „lokalny” realizm określamy wówczas, gdy jest on w zgodzie z teorią względności, a więc spełnia założenie, że żadne oddziaływanie nie rozchodzi się z prędkością większą niż prędkość światła.

Mechanika kwantowa obala takie realistyczno-lokalne spojrzenie na świat. „Nasz eksperyment wzmacnia pogląd, że natura nie wyznacza obiektywnych własności cząstek kwantowych”.

DYSKUSJA Z EINSTEINEM

Genialny Albert Einstein nie zgadzał się z teorią kwantów. Uważał bowiem, że wynika z niej, jakoby obiekt fizyczny, na który akurat nie patrzymy, w ogóle nie istnieje, gdyż nie możemy przypisać mu żadnej cechy.

Austriacko-polskie badania udowodniły, że nawet geniusz może się mylić. „Pomiar jest wynikiem oddziaływania z mierzonym obiektem kwantowym – tłumaczy Żukowski. - To oddziaływanie ma naturę fizyczną. Aby więc zobaczyć cząstkę, nie wystarczy patrzeć. Trzeba ją jeszcze oświetlić, czyli zmusić do oddziaływania ze światłem. Cząstki nieoświetlonej nie widzimy!”

Dlaczego? Otóż, aby mówić o istnieniu cząstki musimy wykryć ją za pomocą, dostępnych człowiekowi, detektorów. Oddziaływanie grawitacyjne pojedynczej cząstki jest natomiast za słabe, aby mieć wpływ na takie detektory. Zatem dzięki samej grawitacji „nie zobaczymy” danej cząstki. Musimy zadziałać na nią w jakiś inny sposób, czyli „oświetlić” innym oddziaływaniem, np. elektromagnetycznym. „Jeżeli tego nie zrobimy to jej nie zauważymy. Można więc powiedzieć, że cząstką, z którą nie oddziałujemy, w ogóle dla nas nie istnieje. Objawia się tylko w momencie oddziaływania z naszym detektorem”.

Założenie to, potwierdzone właśnie przez polsko-austriackich badaczy, obala teorię realizmu – obiekt, którego położenia nie możemy w żaden sposób ustalić (czyli obiekt, z którym nie oddziałujemy), nie ma tego położenia. Ono się objawia i realizuje tylko w akcie oddziaływania.

Realizm zakładał natomiast, że cząstki zawsze mają określone położenie lub parametry ruchu, które dokładnie to położenie wyznaczają, bez względu na to, czy oddziałujemy z nimi, czy nie. „Nasz eksperyment postuluje zatem całkowite odrzucenie realizmu w opisie zjawisk kwantowych” – podsumowuje Żukowski.

„Wszystkie cząstki mogą wykazywać korelacje (tzw. korelacje Einsteina-Podoskiego-Rosena), zupełnie niezrozumiałe z punktu widzenia zdrowego rozsądku i fizyki klasycznej. Takie właśnie korelacje obserwowaliśmy w naszym eksperymencie. Jakakolwiek próba ich opisu na sposób klasyczny (realistyczny), prowadzi do konieczności wprowadzenia nielokalnych, sprzecznych z teorią względności oddziaływań”.

Czemu konkretnie zaprzecza nowatorski eksperyment? „Nasze odkrycie obala poglądy, podkreślam poglądy, Einsteina na fizykę kwantową, ale nie jego wielkie dokonania w postaci teorii względności. Tę ostatnią bowiem nawet wzmacnia – wyjaśnia Żukowski. – My atakujemy, podejmowane przez niektórych fizyków, próby wyjaśnienia paradoksów kwantowych przy pomocy teorii, sprzecznych z teorią względności. Pokazujemy, że muszą prowadzić do całkiem nieprawdziwych, wręcz +zwariowanych+ teorii. Bo te +rozsądne+ zostały obalone przez otrzymane przez nas dane pomiarowe”.

OWOCNA WSPÓŁPRACA

Współpraca prof. Żukowskiego z Austriakami trwa nieprzerwanie od 1990 r. „Razem zaproponowaliśmy schematy eksperymentalne, które prowadzą do zjawisk interferencyjnych dla cząstek światła, emitowanych przez co najmniej dwa niezależne źródła światła”. Dzięki tej technice w 1997 r. grupa profesora Zeilingera dokonała pierwszej teleportacji kwantowej. Później zajmowaliśmy się relacją pomiędzy teoriami klasycznymi (lokalnymi i realistycznymi) a mechanika kwantową, co zaowocowało kilkoma pracami teoretycznymi, obalającymi pewne mity. Obecnie zajmujemy się komunikacją kwantową – niesłychanymi możliwościami jakie otwiera przed nami świat kwantów w dziedzinie przesyłu i szyfrowania informacji.

W październiku ubiegłego roku prof. Anton Zeilinger otrzymał tytuł Doktora Honoris Causa Uniwersytetu Gdańskiego.

W badaniach brał także udział Tomasz Paterek, doktorant z Instytutu Fizyki Teoretycznej i Astrofizyki Uniwersytetu Gdańskiego.

PAP – Nauka w Polsce, Katarzyna Pawłowska

"Paradoksy kwantowe - kot Schrödingera i kot Hawkinga"
wybrane fragmenty artykułu naukowego o mechanice kwantowej (autorzy: Marek A. Abramowicz, Marcus J. Percival)

W końcu dziewiętnastego wieku fizycy sądzili, że wszystkie podstawowe prawa przyrody zostały już odkryte, a przyszłym pokoleniom pozostaje jedynie prawa te objaśniać i nieco poprawiać. A jednak odkrycia dokonane w pierwszych kilku latach dwudziestego wieku obaliły ten pogląd i całkowicie zmieniły sposób widzenia przyrody przez fizyków.

W roku 1900 Max Planck uznał za możliwe, że energia światła może być wysyłana i pochłaniana wyłącznie małymi porcjami, które dziś nazywamy kwantami. Był to ważny krok w kierunku zrozumienia, że nic w przyrodzie nie może być dzielone ad infinitum na coraz to mniejsze części, materia zaś i energia składa się z niepodzielnych kwantów. Kwanty te są niewiarygodnie małe, tak małe, że w codziennym życiu nie ma znaczenia, iż ich rozmiar jest większy od zera. A jednak dla przyrody to ma znaczenie.

W roku 1905 hipoteza kwantów światła została użyta przez Alberta Einsteina do olśniewającego wyjaśnienia zjawiska fotoelektrycznego. Einstein nazwał kwanty światła fotonami. W roku 1913 Niels Bohr skorzystał z pojęcia fotonów, aby wyjaśnić układ linii widmowych światła wysyłanego przez atom wodoru. W taki sposób narodziła się mechanika kwantowa. W roku 1905 Einstein dokonał jeszcze jednego odkrycia, zbierając swe poglądy na czas, przestrzeń i ruch w monumentalnym dziele - szczególnej teorii względności (STW). STW i mechanika kwantowa zostały mocno powiązane w ramach relatywistycznej mechaniki kwantowej w pracach Wofganga Pauliego, Paula Diraca, Wernera Heisenberga i innych.

Zapoczątkowało to proces intelektualny, który zdominował rozwój fizyki w naszym stuleciu, a mianowicie wielką unifikację w poglądach fizyków na całą przyrodę. Wielu fizyków wierzy, że obecnie, u końca tego wieku, unifikacja ta jest prawie zupełna, a od ostatecznego sukcesu dzieli nas tylko krok. Tylko grawitacja nie została jeszcze połączona z ideami kwantowymi, a przez to z resztą fizyki. Klasyczne (tutaj znaczy to: jeszcze nie kwantowe) zrozumienie grawitacji opiera się na innym epokowym osiągnięciu Alberta Einsteina - na ogólnej teorii względności (OTW). Teorię kwantowej grawitacji trzeba jeszcze odkryć.

Mechanika kwantowa

W przeszłości uczeni często wyrażali odmienne opinie co do natury światła. Jedni, idąc za poglądem dobitnie wyrażanym przez Izaaka Newtona, uznawali, że światło składa się z cząstek, inni zaś akceptowali pogląd Christiaana Huygensa, który opowiadał się za falami. Dzisiaj wiemy, że w rzeczywistości jest tak, iż światło może być zarówno falą, jak i zbiorem cząstek. Ta charakterystyczna dla światła dualność jest uznawana przez mechanikę kwantową za jedną z podstawowych własności przyrody. Przy czym, dzięki Louisowi de Broglie, wiadomo, że ta schizofreniczna własność dotyczy nie tylko światła, lecz wszelkiej materii.

A więc elektrony i inne cząstki elementarne zachowują się w określonych doświadczeniach jak fale. Ale jeśli elektron jest falą, to nie może zajmować określonego miejsca w danej chwili, lecz musi być w pewnej mierze wszędzie, jak to fale mają w zwyczaju. Gdzie więc tak naprawdę jest elektron? Według mechaniki kwantowej nie możemy jednoznacznie powiedzieć, gdzie jest elektron, lecz możemy obliczyć, ile wynosi prawdopodobieństwo, że elektron w określonej chwili znajdzie się w określonym miejscu.

Równanie rządzące tym rozkładem prawdopodobieństwa zostało wprowadzone przez Erwina Schrödingera. Matematycznie rozwiązania tego równania opisują superpozycję fal, zwanych stanami własnymi. Różne stany własne odpowiadają różnym możliwościom tego, co może się z elektronem wydarzyć. A więc istota rzeczy opisanej przez stany własne równania Schrödingera jest w jakiejś mierze niepewna, ponieważ znamy jedynie superpozycję możliwości, nie wiedząc przy tym, która z nich istotnie zachodzi. Także doświadczenia nie mogą dać jednoznacznego wyniku. Niepewności ich wyniku nie można uczynić mniejszej, niż wynika to ze słynnej zasady nieoznaczoności Wernera Heisenberga.

Większość fizyków sądzi, że stany własne równania falowego Schrödingera mogą opisać wszystkie istotne aspekty fizycznej rzeczywistości. O tej rzeczywistości uzyskujemy wiedzę, wykonując doświadczenia. Zanim nie dokonamy pomiaru, nie możemy być pewni tych aspektów rzeczywistości, które ma określić ten pomiar - istnieje więc wtedy jednocześnie wiele możliwości odpowiadających rozmaitym stanom własnym. Ale gdy pomiar jest już przeprowadzony, to jesteśmy pewni jego wyniku - czyli pomiar usuwa nasz brak wiedzy o stanie rzeczy. Odpowiednio, fala Schrödingera musi ulec redukcji - nie może wszak już odpowiadać zbiorowisku wszelkich możliwych stanów własnych, lecz musi odpowiadać temu szczególnemu stanowi własnemu, który opisuje wynik pomiaru. Rzeczy są takie, za jakie je mamy, ale dopiero po dokonaniu obserwacji.

Doświadczenie z kotem Schrödingera

Bohr, de Broglie, Dirac, Heisenberg i Pauli, gdy dokonywali swych najważniejszych dla fizyki kwantowej odkryć, byli ludźmi zdecydowanie młodymi, powiedzmy sobie - chłopcami - w wieku dwudziestu kilku lat. Mechanika kwantowa była ich wspaniałą zabawą, a o chłopcach wiadomo, że uwielbiają bawić się i eksperymentować z kotami. Schrödinger, który jako jedyny przekroczył wtedy trzydzieści lat, wyobraził sobie kota zamkniętego w pudełku. Pudełko to zawierało śmiercionośne urządzenie - kapsułkę z trującym gazem. Porcja gazu była wdmuchiwana do pudełka zawsze wtedy, gdy rozpadał się atom substancji radioaktywnej, która też była umieszczona w pudełku. Porcja ta wystarczała do natychmiastowego zabicia kota, po czym gaz stawał się nieszkodliwy. Tak wyglądał pomysł tej zabawy.

Według mechaniki kwantowej niemożliwe jest dokładne określenie chwili, w której następuje rozpad radioaktywny. Ale możemy tak dobrać ilość substancji, że w ciągu np. jednej godziny prawdopodobieństwo tego, że nastąpił dokładnie jeden rozpad, wynosi 50%. Po upływie jednej godziny od czasu zamknięcia kota w pudełku stawiamy pytanie, czy kot jest żywy, czy martwy. Zanim nie otworzymy pudełka, rozwiązanie równania Schrödingera jest superpozycją dwóch możliwych stanów własnych:

1. atom się nie rozpadł, kot jest żywy >
+
2. atom się rozpadł, kot jest martwy >.

Nie ma sposobu odseparowania tych stanów, gdy pudełko jest zamknięte. Więc jeśli się zgodzimy, że równanie Schrödingera opisuje wszystkie istotne elementy rzeczywistości w zaistniałej sytuacji, to musimy się zgodzić również z tym, że kot w pudełku żyje, a jednocześnie jest martwy!

Ktoś może teraz zaprotestować: "Stop, czy nie jest oczywiste, że jeśli zamknę kota w pudełku i potem nie oglądam go przez chwilę, to tak czy owak nie będę umiał powiedzieć, czy kot jeszcze jest żywy, czy już martwy. Po co mieszać do tego mechanikę kwantową, równanie Schrödingera i tajemnicze stany własne?".

Odpowiedź na tę wątpliwość jest taka, że sprawa z kotem nie dotyczy prawdopodobieństw, ale jego rzeczywistego stanu. Mechanika kwantowa nie mówi, że "istnieje 50% szans, iż kot jest żywy, i 50% szans, że jest martwy", ale że w istocie dwa różne stany nakładają się.

Czy to nie jest nonsens, który świadczy o tym, że cała mechanika kwantowa wpadła w pułapkę; bo przecież Einstein zwykł mawiać: Der Herr Gott würfelt nicht - Pan Bóg nie gra w kości. Czy też znaczy to, że - jak zasugerował Hugh Everett III - kwantowe niepewności rozszczepiają prawdziwą istotę bytów na wiele niezależnie istniejących bytów odpowiadających rozmaitym stanom własnym; wtedy w połowie z tych niezależnie istniejących wielu światów kot byłby żywy, a w drugiej połowie byłby martwy.

A może jest tak, że całe złożone otoczenie pudełka powoduje niespójność kwantowych stanów własnych - pogląd taki przedstawił Wojtek Żurek. Nikt nie jest pewny, jak powinna wyglądać właściwa odpowiedź, a cała ta sprawa irytuje wielkich fizyków o poglądach pragmatycznych; np. Stephen Hawking mówi: "Gdy słyszę o kocie Schrödingera, odbezpieczam rewolwer". Większość fizyków uważa obecnie, że ponieważ konwencjonalna interpretacja mechaniki kwantowej została sprawdzona w licznych doświadczeniach z wysoką dokładnością, to powinniśmy traktować poważnie jej wskazania. Ale musimy przy tym pamiętać, że historia dowodzi, iż większość często się myli. Przyjmując konwencjonalną interpretację doświadczenia z kotem Schrödingera, dochodzimy do wniosku, że dwa stany własne są istotnie nałożone.

Czarne dziury: supermasywne, gwiazdowe, mini i wirtualne

OTW była godnym uwagi osiągnięciem geniuszu Einsteina i zabrała mu dziesięć lat ciężkiej pracy. Jest to teoria geometryczna, która wyjaśnia grawitację jako przejaw krzywizny czasoprzestrzeni. Jednym z jej zdumiewających wskazań jest istnienie czarnych dziur. Dopiero od niedawna możemy mówić z dużą wiarygodnością, że czarne dziury rzeczywiście istnieją. To bowiem w ostatnich latach astronomowie znaleźli na niebie obiekty wysokoenergetyczne, które nie mogą być niczym innym niż czarnymi dziurami. Wniosek ten uzyskano stosunkowo niedawno, gdyż przedtem nie dysponowano dostatecznie zaawansowanym technologicznie sprzętem, który pozwoliłby na zebranie istotnych danych obserwacyjnych. Obecnie sprzęt taki istnieje: satelity zbierające dane o źródłach promieni X, teleskop kosmiczny Hubble'a i kilka wielkich radioteleskopów na Ziemi. Energia promieniowana przez obiekty astronomiczne zawierające czarne dziury z pewnością nie powstaje w czarnych dziurach. Pochodzi ona z energii grawitacyjnej uwalnianej w procesie spadania materii na czarną dziurę.

Astronomowie obserwują kandydatki na czarne dziury w dwóch przedziałach mas. Mówią w związku z tym albo o czarnych dziurach o masie gwiazdowej, tj. takich, których masy w przybliżeniu są dziesięć razy większe od masy Słońca, lub o supermasywnych czarnych dziurach, których masy są miliony do miliardów razy większe od masy Słońca. Jest możliwe, że istnieję mini czarne dziury - o masach mniejszych od masy Słońca, lecz odkrycie ich jest raczej niemożliwe za pomocą obecnie istniejącej technologii. Z tego powodu nie ma obserwacyjnych argumentów ani za ich istnieniem, ani przeciw.

Czarne dziury o masach gwiazdowych znaleziono w kilku układach podwójnych w naszej własnej Galaktyce. Należą one do najsilniejszych źródeł promieni X na niebie. Typowy rozmiar takiej czarnej dziury wynosi około 30 km. Supermasywne czarne dziury są rozmieszczone w niektórych odległych galaktykach. Grają one rolę centralnych silników kwazarów i innych aktywnych jąder galaktyk, będących najsilniejszymi źródłami energii we Wszechświecie. Ich typowe rozmiary wahają się od 106 km do 109 km. Dla porównania, odległość Ziemi od Słońca wynosi 1,5 x 108 km.

Trzy szczególne własności czarnych dziur będą istotne w naszej dyskusji:

(1) Zewnętrzny obserwator, obserwujący obiekt wpadający do czarnej dziury, nigdy nie doczeka się jego wpadnięcia, musiałby bowiem czekać na to nieskończony czas. Nikt nie ma aż tyle czasu na czekanie. Z drugiej strony obiektowi wpadającemu swobodnie (tzn. tylko pod wpływem grawitacji) do czarnej dziury zajmie to wpadanie skończony czas - tak wskażą zegary umieszczone na tym obiekcie. Przykładowo, w układzie planetarnym takim jak nasz, ze Słońcem zastąpionym Czarną Dziurą o jego masie, swobodne spadanie z Ziemi na Czarną Dziurę (start z zerową prędkością) zajęłoby - według zegara podróżnika - około roku. Według zaś zegarów ziemskich trwałoby to wieczność. Dla tych, którzy pożegnali podróżnika i pozostali na Ziemi, pozostawałby on w zasadzie zawsze widoczny na zewnątrz Czarnej Dziury.

(2) Każdy obiekt materialny (a zwłaszcza nasz podróżnik), który wpadł do czarnej dziury, po skończonym czasie według wskazań własnych zegarów będzie zupełnie zniszczony. Nie chodzi tu o to, że będzie uszkodzony, ale zupełnie zniszczony - jego istnienie dobiegnie końca. Nie pomoże nawet dziewięć żyć. I zajdzie to dość szybko: obiekt zakończy swe istnienie po około 10-4 s po wpadnięciu do czarnej dziury o masie gwiazdowej lub po czasie rzędu minut lub dni w przypadku supermasywnej czarnej dziury. Żaden obiekt, który wpadł do czarnej dziury, nie może się z niej wydostać.

(3) Wszystkie czarne dziury promieniują. Tego ważnego odkrycia dokonał Stephen Hawking, który na podstawie połączonych pojęć mechaniki kwantowej, OTW i termodynamiki głęboko uzasadnił, że efekty kwantowe zmuszają czarną dziurę do promieniowania. Wykazał on też, że im mniejsza (tj. mniej masywna) jest czarna dziura, tym szybciej promieniuje. Lecz to, że szybciej, wcale nie oznacza, że szybko; promieniowanie Hawkinga jest niewiarygodnie powolnym procesem dla astronomicznych czarnych dziur. Hipotetyczna mini czarna dziura o masie porównywalnej z masą dużej ziemskiej góry (w przybliżeniu miliard ton) potrzebuje całego czasu istnienia świata (od Wielkiego Wybuchu do chwili obecnej), aby zupełnie wypromieniować swą masę i przez to całkowicie zniknąć. Czas potrzebny na wyparowanie czarnej dziury jest proporcjonalny do trzeciej potęgi jej masy. Ponieważ czarne dziury o masach gwiazdowych są 1019 razy bardziej masywne od gór, wyparowywałyby one po czasie odpowiednio dłuższym: dokładnie (1019)3 = 1057 razy dłuższym niż obecny wiek Wszechświata. Rzecz jasna, jest to czas absurdalnie długi, a nauka płynąca z tych rachunków jest następująca: promieniowanie Hawkinga jest całkiem nieistotne dla czarnych dziur o masach gwiazdowych i supermasywnych. Astronomiczne czarne dziury są istotnie czarne, nie promieniują one w żaden zauważalny sposób. Ale dla hipotetycznych mini czarnych dziur o masie góry promieniowanie Hawkinga jest istotne. Mogłoby zatem być tak, że w przyrodzie jest pełno skrajnie małych wirtualnych czarnych dziur, dla których promieniowanie Hawkinga jest procesem przeważającym. Jeśli by tak było, to promieniowanie Hawkinga byłoby jednym z najbardziej podstawowych i powszechnych procesów w przyrodzie.

Próżnia współczesnej fizyki nie jest pusta

Zasada nieoznaczoności Heisenberga dopuszcza spontaniczne powstawanie w próżni cząstek. Zgodnie z tą zasadą im bardziej energetyczne (bardziej masywne) są te cząstki, tym krócej żyją. Wirtualne czarne dziury mogłyby także spontanicznie powstawać, a następnie ginąć. Najbardziej typową masą takiej wirtualnej czarnej dziury jest masa Plancka mPl = 2,2 x 10-8 kg. Odpowiednio, typowy ich rozmiar określa długość Plancka lPl = 1,6 x 10-35 m, a czas życia jest rzędu czasu Plancka tPl = 5,4 x 10-44 s. Mogłoby być tak, że na najbardziej podstawowym poziomie przyrody próżnia jest pełna tych wirtualnych czarnych dziur - nosi to nazwę piany czasoprzestrzennej. Piana ta nie wpływałaby na własności czasoprzestrzeni w skalach dużo większych od długości i czasu Plancka, lecz miałaby istotne znaczenie na poziomie sub-planckowskim. Hawking zasugerował w jednym ze swych ostatnich artykułów, że "duża" czarna dziura po wyparowaniu nie znika całkowicie. Zamiast tego jej rozmiar kurczy się do długości Plancka i w rezultacie staje się ona kroplą w oceanie wirtualnych czarnych dziur.

Można porównać pianę czasoprzestrzenną z morzem piłeczek pingpongowych. Gdy obserwuje się je z pewnej odległości, wydaje się ono gładką, sfalowaną powierzchnią. Fale w tej analogii odpowiadają wielkoskalowej krzywiźnie czasoprzestrzeni. Bliższe zbadanie morza pokazuje jednak, że jego powierzchnia wcale nie jest gładka, ale wyraźnie zakrzywiona w skali odpowiadającej promieniowi piłeczki.

Doświadczenie z kotem Hawkinga

Wyobraźmy sobie dr. Hawkinga (jest to osoba fikcyjna, nie mająca nic wspólnego z kimkolwiek), który patrzy, jak jego kot skacze do czarnej dziury. Koty są niezwykle dociekliwe i często robią rzeczy tego typu. Z punktu widzenia dr. Hawkinga kot jest stale widoczny na zewnątrz czarnej dziury. Ale w końcowym efekcie wszystkie czarne dziury powinny wyparować na skutek promieniowania Hawkinga.

Nie jest tu istotne, że wyparowywanie to może trwać absurdalnie długo, ważne jest, iż trwać to będzie skończony czas - rozważamy wszak problem z punktu widzenia podstawowych zasad. Gdy ostatnia fala promieniowania Hawkinga mija dr. Hawkinga, sytuacja wydaje się bardzo prosta. Dr Hawking wciąż widzi kota, ale kot jest teraz w przestrzeni bez czarnej dziury i jej pola grawitacyjnego. Zatem dr Hawking może poprosić (np. za pomocą telefonu komórkowego) kota o powrót. Z punktu widzenia dr. Hawkinga nie istnieje żaden zasadniczy powód, dla którego kot miałby nie powrócić. Lecz kot opowiedziałby (jeśli martwy kot mógłby mówić) tę historię całkiem inaczej: on wpadł do czarnej dziury i został unicestwiony dokładnie minutę później. Zauważył to na swoim zegarze.

A więc według dr. Hawkinga kot żyje, według zaś samego kota - nie. Wypada zatem spytać, jak jest naprawdę: kot żyje, czy też nie? Chociaż pytanie to wygląda na podobne do pytania postawionego w przypadku doświadczenia z kotem Schrödingera, występuje tu istotna różnica: u podstaw doświadczenia z kotem Schrödingera leżą zjawiska kwantowe, a w przypadku kota Hawkinga - klasyczne.

W przypadku kota Hawkinga nie ma superpozycji stanów własnych rozwiązujących równanie Schrödingera typu 1. żywy kot Hawkinga > + 2. martwy kot Hawkinga >. Rozważania nasze dotyczą natomiast skomplikowanej sytuacji, wywołanej promieniowaniem czarnych dziur. Analizę przeprowadzamy w dwóch różnych układach odniesienia: za pierwszym razem w układzie dr. Hawkinga, za drugim razem w układzie kota.

Analizowanie tej samej sytuacji z punktu widzenia kilku układów odniesienia jest typowe zarówno w STW, jak i w OTW. Czasami prowadzi to do paradoksów. Spowodowane są one niepoprawnym rozumowaniem, opartym zazwyczaj na naszej nierelatywistycznej intuicji. Dobrze znanym przykładem jest tu paradoks bliźniąt. Z drugiej strony, paradoksy prawdziwie kwantowe - jak ten z kotem Schrödingera - odzwierciedlają prawdziwie głęboką i dziwną strukturę przyrody.

W przypadku doświadczenia z kotem Hawkinga prawidłowa jest analiza kota, analiza dr. Hawkinga taka nie jest. Kot dr. Hawkinga istotnie nie żyje. Poprawna analiza sytuacji jest dość złożona matematycznie i zależy od tego, czy wyparowująca czarna dziura znika całkowicie, czy też łączy się w skali Plancka z pianą wirtualnych czarnych dziur.

W pierwszym przypadku (łatwiejszym do przeanalizowania) można zastosować przemyślną metodę Rogera Penrose'a (zwaną diagramem Penrose'a), czyli narysować rodzaj mapy całej czasoprzestrzeni zawierającej wyparowującą czarną dziurę. Na mapie tej historie kota i jego właściciela, a także wszelkie promienie świetlne reprezentowane byłyby przez linie. Rozmiar parującej czarnej dziury zmniejsza się w pewnej chwili do punktu. Jest to ostatnie zdarzenie w historii czarnej dziury. Diagram Penrose'a pokazuje, że sygnał świetlny wysłany dokładnie z tego zdarzenia z pewnością dotrze do dr. Hawkinga. Oznacza to, że dr Hawking widzi, iż kot wchodzi do czarnej dziury dokładnie w ostatniej chwili jej istnienia. Czyli jest tak, jak być powinno: z punktu widzenia dr. Hawkinga kot nigdy nie wpadł do czarnej dziury, ale też nie jest w stanie powrócić. Dr Hawking zauważy, że kot znikł wraz z ostatnim rozbłyskiem promieniowania Hawkinga. Może nawet podejrzewać, że to promieniowanie Hawkinga zabiło kota.

Rozmaite wersje tego doświadczenia były dyskutowane w kilku uniwersytetach w późnych latach siedemdziesiątych, zwłaszcza zaś na Uniwersytecie Teksaskim w Austin przez Wojtka Żurka, Johna Archibalda Wheelera i Marka Abramowicza, który pierwszy odpowiedział poprawnie na pytanie "czy kot żyje, czy też nie?".

W roku 1992 wymyślił on fikcyjnego dr. Hawkinga i jego kota, będącego odpowiednikiem kota Schrödingera, w celu lepszego wyjaśnienia swej czternastoletniej córce Weronice różnicy między klasycznym a prawdziwie kwantowym paradoksem.

Czy nowa fizyka potrzebuje nowych kotów?

Na początku naszego wieku fizycy zmienili swój sposób widzenia świata: z deterministycznego na kwantowy i z absolutnego na relatywistyczny. Ten punkt widzenia stał się obowiązującą prawdą przez cały wiek dwudziesty. Niektórzy fizycy są obecnie przekonani, podobnie jak byli przekonani ich poprzednicy u schyłku dziewiętnastego wieku (pozostając, rzecz jasna, w kręgu innych idei), że wystarczy tylko ustalić, czym jest kwantowa grawitacja - stosując teorię strun lub inny udany pomysł - i już będziemy mieli TEORIĘ WSZYSTKIEGO, a więc nic fundamentalnie ważnego w fizyce nie pozostanie już do odkrycia dla przyszłych pokoleń. Fizycy ci mogą mieć rację, lecz może też być tak, że świat w swojej istocie jest niewyobrażalnie bogatszy niż świat opisywany przez mechanikę kwantową i teorię względności: Istnieją rzeczy na niebie i na ziemi, o których nie śniło się naszym filozofom. Możliwe, że przyszłość przyniesie nam zadziwiające niespodzianki - idee, o których nie jesteśmy w stanie obecnie pomyśleć. Być może nowe pokolenia wspaniałych młodych ludzi znów stworzą własną chłopięcą fizykę - inną niż nasza. Czy znów narażą oni nowe pokolenia kotów na śmiertelne niebezpieczeństwo paradoksalnych doświadczeń?

tytuł oryginalny: Kot Hawkinga: żywy czy martwy?
autorzy: Marek A. Abramowicz, Marcus J. Percival
z angielskiego przetłumaczył W. K, "Delta" 06/1998

Prawie każda dziś książka poświęcona różnym aspektom mechaniki kwantowej nie może się obyć bez przypomnienia dwóch prawd. Pierwsza z nich głosi, że miniony i obecny wiek należy nazwać stuleciem informacji i komputerów. A druga powiada, że wkrótce powstaną komputery kwantowe o takiej mocy obliczeniowej, przy której najbardziej zaawansowane superkomputery klasyczne będzie można porównać do liczydeł. Nikt tylko nie mówi kiedy to dokładnie nastąpi.

Kiedy kwantowy komputer będzie można zwyczajnie kupić w sklepie? Może już nawet za 10-15 lat, powiada prof. Marek Kuś z Centrum Fizyki Teoretycznej PAN, choć od razu dodaje, że zalicza się w tej dziedzinie do optymistów. Zadecydują – jak mówi - uwarunkowania ekonomiczne. Na badania w tej dziedzinie przeznacza się stosunkowo dużo pieniędzy a to zawsze dobrze wróży badaniom. Obecnie na całym świecie nad kwantowym przetwarzaniem informacji pracuje kilka ośrodków uniwersyteckich. Kilka tego typu zaawansowanych projektów finansuje Unia Europejska w ramach V Programu Ramowego. W Polsce KBN finansuje duży zamówiony przez siebie program poświęcony spintronice. Jest to dosyć szeroki program badań doświadczalnych wykorzystujący do przetwarzania informacji stany spinowe elektronów w układach półprzewodnikowych. Pracuje nad tym kilka grup fizyków z Warszawy i z Poznania.

Polskie ośrodki dosyć wcześnie włączyły się w badania nad podstawami kwantowej informatyki. Przoduje Uniwersytet w Gdańsku, jest też kilka grup fizyków teoretyków w Krakowie, Wrocławiu, Poznaniu. Czynione są też próby stworzenia ogólnopolskiej sieci ośrodków zajmujących się fizycznymi podstawami przetwarzania informacji.


Pożytki z paradoksów kwantowych

Budujemy coraz bardziej zagęszczone i coraz wydajniejsze procesory. Zgodnie z empirycznym prawem Moore’a, jednego z twórców Intela, liczba elementarnych tranzystorów w procesorze podwaja się co półtora roku. Łatwo więc wyobrazić sobie moment, w którym budując kolejne procesory zaczniemy operować wielkościami zbliżonymi do wielkości jednego atomu. Czy prawa fizyki według których działa obecny komputer będą wtedy nadal obowiązywały? Otóż nie.

Na poziomie mikroświata musimy zacząć uwzględniać prawa mechaniki kwantowej. To nakłada na konstruktorów komputerów kwantowych pewne ograniczenia, ale w całkiem niespodziewany sposób jest też źródłem niebagatelnych korzyści. Prof. Kuś wyjaśnia to tak:

Jednym z najbardziej paradoksalnych zjawisk w mechanice kwantowej jest to, że obowiązuje tam inne prawo występowania układów w danym stanie niż jesteśmy do tego przyzwyczajeni na poziomie makroskopowym. Na poziomie makroskopowym wiadomo gdzie co jest. Na kwantowym – obiekty mikroświata mogą występować w wielu stanach równocześnie. Dopiero oddziaływanie ze światem zewnętrznym powoduje, że stan się ukonkretnia i wtedy mamy do czynienia z pomiarem określającym prędkość czy położenie cząstki.

Jak to będzie w przypadku komputera? Zwykle dajemy mu coś na wejście, przepuszczamy prąd elektryczny i otrzymujemy stan na wyjściu. W mechanice kwantowej zasada działania jest taka sama, ale możliwości inne. Tym razem już na wejściu możemy wprowadzić stan, który jest jakby sumą wszystkich możliwych stanów. Na przykład, w normalnym komputerze, żeby obliczyć wartość jakiejś funkcji dla n kolejnych liczb naturalnych musimy wykonać n procesów obliczeniowych. W komputerze kwantowym wystarczy zrobić to tylko raz, gdyż na wejściu możemy mieć stan, który niejako koduje wszystkie możliwe wejścia od jednego do n.

Potęga obliczeń kwantowych wynika z tego, że w stanach kwantowych możemy rozpatrywać znacznie więcej układów niż w stanach klasycznych. Obliczenia można też znacznie przyspieszyć (przydatne na przykład w procesach przewidywania pogody, zmian klimatycznych, zmian stanu środowiska).


Nowy komputer - nowe programy

Takich programów jest jak dotąd bardzo mało, co wynika oczywiście i z braku komputerów kwantowych, ale i z tego, że udało się zrobić dopiero kilka spektakularnych obliczeń, zajmujących czasowo astronomicznie wielkie skale czasowe przy komputerach klasycznych, a które dałoby się obliczać w czasie realnym w komputerach kwantowych.

Najbardziej spopularyzowanym algorytmem jest ten, który pokazuje jak znajdować czynniki pierwsze dużych liczb. Oto mamy bardzo dużą liczbę i trzeba ją rozłożyć na czynniki pierwsze. Łatwo policzyć, że jeżeli ta liczba jest kilkudziesięciocyfrowa to znalezienie przy obecnych możliwościach komputerów jej czynników pierwszych wymagałoby czasu przekraczającego życie ludzkie, a jeżeli się tę liczbę o kilka rzędów powiększy - to o szacowany czas istnienia Wszechświata. Znajdowaniem takich wielkich liczb pierwszych mogłyby się zajmować komputery kwantowe, a ten kto pierwszy pozna tak wielkie liczby będzie mógł na tej podstawie szyfrować dane.
Z drugiej strony, zastosowanie mechaniki kwantowej do przesyłania informacji pozwala na tworzenie zupełnie nowych sposobów zabezpieczania danych. Wykorzystuje się tu taką własność mechaniki kwantowej, że pomiar układu kwantowego w sposób nieodwracalny niszczy ten układ. Wynik tego pomiaru nie pozwala nam całkowicie odtworzyć stanu przed pomiarem, co pozwala np. kontrolować, czy przesyłana informacja była w jakiś sposób podsłuchiwania, zmieniana, czy były jakieś próby jej odczytania itp.


Kłopoty i nadzieje konstruktorów

Główną przeszkodą w skonstruowaniu komputera kwantowego jest to, że taki komputer zawsze jest poddany oddziaływaniu z zewnętrznym otoczeniem. Dla komputera kwantowego nie tylko zrzucenie ze stołu, ale nawet minimalne sprzężenie z otoczeniem można traktować w pewnym przybliżeniu jak pomiar, który ukonkretnia stan pewnego stanu kwantowego. Cały wysiłek inżynierów idzie więc w kierunku wymyślenia takiego układu fizycznego, który byłby bardzo odporny na wpływ otoczenia. Testuje się m.in. pomysł zmierzający do przetrzymywania atomów w pułapkach magnetycznych i sterowania nimi impulsami światła laserowego (podobnie jak to jest w przypadku magnetycznego rezonansu jądrowego), czy sterowania stanami spinowymi elektronów w przewodnikach. Tempo prowadzonych prac i postęp, jaki dokonał się w tej dziedzinie w ostatnich latach pozwalają wierzyć, że jeszcze za naszego życia pierwszy komputer kwantowy pojawi się w jakimś laboratorium. A z czasem może i na biurku...

text z http://www.sprawynauki.waw.pl/?section=article&art_id=449

"Julian Jaynes (Princeton): świadomość istnieje zaledwie 3-4 tysięcy lat.
Język początkowo był dosłowny, najpierw pojawiły się rzeczowniki, później asocjacje opisujące świat wewnętrzny.
Czasowniki abstrakcyjne pochodzą od konkretnych pojęć, np. w sanskrycie: "być" - "bhu", czyli rosnąć; "jestem" - "amsi", czyli oddychać (ang. "am", niem. "atmen").

Świadomość: synteza działania obu półkul mózgu. Cechy:

    * projekcja czaso-przestrzenna;
    * wybór sceny, modelu, treści umysłu;
    * projekcja personifikacji "ja" w przestrzeni i w czasie;
    * narracyjny wybór spójnych sekwencyjnych zdarzeń;
    * skojarzenia i asymilacja doświadczeń.

Do -1500 roku słowa mają tylko znaczenia konkretne (np. w Illiadzie).
Psyche = "oddech" a nie "dusza".
Niepełna integracja półkul mózgu?
Prawa zarządza głosami bogów, lewa wykonuje.
Stres: zamiast świadomości wyboru polecenie - głos autorytetu.

Halucynacje słuchowe w schizofrenii - często komentarze zdarzeń.
Drażnienie kory skroniowej: wywołuje głosy krytykujące, doradzające, nakazujące ...
M. Persinger: stymulacja lewego płata dolnoskroniowego wywołuje poczucie mistycznej obecności.
Wizje, brak poczucia czasu, rytm i muzyka, intuicja - sacrum, wynik halucynacji.

Rządy teokratyczne sprzed 10 tys. lat: władcy-bogowie (jeszcze do połowy XX wieku w Japonii!), "ślepe" posłuszeństwo.
Wieża Babel - ślad z okresu, gdy słyszano zbyt wiele głosów?
W greckich eposach