Choose fontsize:
Witamy, Gość. Zaloguj się lub zarejestruj.
 
Strony: 1   Do dołu
  Drukuj  
Autor Wątek: "Paradoksy kwantowe - kot Schrödingera i kot Hawkinga"  (Przeczytany 5974 razy)
0 użytkowników i 1 Gość przegląda ten wątek.
Michał-Anioł
Moderator Globalny
Ekspert
*****
Wiadomości: 669


Nauka jest tworem mistycznym i irracjonalnym


Zobacz profil
« : Grudzień 06, 2009, 12:02:25 »

"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
Zapisane

Wierzę w sens eksploracji i poznawania życia, kolekcjonowania wrażeń, wiedzy i doświadczeń. Tylko otwarty i swobodny umysł jest w stanie odnowić świat
Michał-Anioł
Moderator Globalny
Ekspert
*****
Wiadomości: 669


Nauka jest tworem mistycznym i irracjonalnym


Zobacz profil
« Odpowiedz #1 : Styczeń 09, 2010, 17:08:58 »

Mechanika kwantowa. Teoria wbrew zdrowemu rozsądkowi

O praktycznych korzyściach wynikających z teorii kwantowej, o strzelaniu z fotonowej dubeltówki z prof. Czesławem Radzewiczem, fizykiem, szefem jedynego w Polsce zespołu, który para się doświadczalną informatyką kwantową.
W swym najsłynniejszym eksperymencie Erwin Schrödinger (1887–1961), austriacki współtwórca mechaniki kwantowej (czyli teorii fizycznej odnoszącej się do zjawisk zachodzących w świecie bardzo małych obiektów, których nie sposób opisać poprawnie za pomocą mechaniki klasycznej), zamknął kota w pudełku wraz z trucizną uwalnianą przez rozpad atomu pierwiastka promieniotwórczego. Ale ponieważ atom ten zgodnie z prawami fizyki kwantowej znajdował się w stanie, który był mieszaniną stanu przed rozpadem i po rozpadzie, nieszczęsny ssak, aż do chwili otwarcia pudełka był zarazem żywy i martwy.

Eksperyment oczywiście miał charakter czysto myślowy. Żaden kot nie ucierpiał, ale udręczeni zostali fizycy. Mechanika kwantowa, której kot Schrödingera stał się symbolem, przez dziesiątki lat doprowadzała do szewskiej pasji zarówno jej twórców, jak ich następców, wymagała bowiem (i wciąż wymaga) zawieszenia zdroworozsądkowych zasad poznania rzeczywistości. Irytowała aż do chwili, gdy zgodnie z hasłem judoków „ustąp, aby zwyciężyć”, uczeni zaczęli wykorzystywać jej zadziwiające własności.

Karol Jałochowski: – Żałuję, że miałem kiedyś cokolwiek wspólnego z teorią kwantową – mawiał ponoć Schrödinger. Wszystko przez tego paradoksalnego kota?

Czesław Radzewicz: – Schrödinger nie był jedynym uczonym, który miał kłopoty z wynikami własnej pracy. Starszym przykładem jest Max Planck, który ułożył pierwszą cegiełkę w budynku mechaniki kwantowej i który do śmierci nie mógł się pogodzić z tym, że jest tak, jak mówiła nowa teoria. Owszem, wypisał bardzo eleganckie i, co ważniejsze, poprawne równanie promieniowania ciała doskonale czarnego (jedna z kluczowych zagadek nauki przełomu XIX i XX w., niewytłumaczalna metodami fizyki klasycznej – red.), po czym przez kolejnych kilkadziesiąt lat szukał lepszego wyjaśnienia. Takiego, które by bardziej pasowało do jego wyobrażenia na temat rzeczywistości. Bezskutecznie zresztą.

Schrödinger, który wspaniale zasłużył się dla mechaniki kwantowej, w pewnym momencie zauważył, że teoria, którą rozwijał razem z wieloma innymi uczonymi, prowadzi do rozmaitych paradoksów. Przykładem może być wspomniany przez pana kot, który jest równocześnie i żywy, i martwy. Co wcale nie znaczy, że to jest chory kot, który za chwilę wyzionie ducha. I to Schrödingera bardzo gryzło. Starał się z tym paradoksem uporać, ale tak na dobrą sprawę do dzisiaj nie mamy dobrego obrazu tej sytuacji. Pojawiają się bardzo egzotyczne pojęcia, na przykład – używając żargonu fizyków – kolaps funkcji falowej. Ale tak naprawdę nikt nie wie, co to znaczy. To bardzo typowy dla ludzi sposób postępowania – kiedy czegoś nie rozumiemy, przynajmniej nadajmy temu nazwę.

Nazwane, a zatem oswojone?

Chodzi prawdopodobnie o poczucie bezpieczeństwa. Bo nie wiadomo, co oznacza kolaps funkcji falowej. To jest arcyważny problem w przypadku kota Schrödingera. W którym momencie dowiadujemy się, jaki jest wynik pomiaru? Kiedy to następuje – czy w chwili włączenia aparatu pomiarowego, czy w momencie, gdy przeczytamy wynik pomiaru? Nie jest wcale oczywiste, czy procedura wymaga udziału świadomości. Być może, gdyby nie było istoty świadomej, to ten wynik byłby inny albo by nie istniał. To są pytania raczej filozoficzne.

My, fizycy doświadczalni, jeżeli bierzemy się za pomiar, staramy się zazwyczaj dotrwać do jego końca i odczytać wynik. Co nie zawsze jest łatwe, bo niektóre doświadczenia są bardzo długotrwałe.

Krążą plotki, że koty Schrödingera są powoływane do życia w laboratoriach...

Tak, ale są to nieco inne byty. Paradoks kota Schrödingera jest oparty na tym, że z jednej strony mamy bardzo mały układ fizyczny opisywany przez mechanikę kwantową, a z drugiej mamy układ niezwykle duży – kota. Potrafimy dziś budować analogi kota Schrödingera dla małych układów fizycznych. Przykładem jest umieszczony w specjalnej pułapce jon, który znajduje się jednocześnie w dwóch miejscach. I dopóki nie dokonamy pomiaru, nie wiemy, gdzie on rzeczywiście jest. Przy czym, niestety, ta analogia jest ułomna, bo mamy do czynienia z układem, dla którego potrafimy napisać równanie ruchu, rozwiązać je i zaraz otrzymamy wynik.

Kwantowa mechanika bardzo źle stosuje się do układów dużych. W zasadzie można powiedzieć, że gdybyśmy byli sprawni matematycznie, to moglibyśmy napisać równanie kwantowo-mechaniczne opisujące ewolucję w czasie tego stołu, przy którym siedzimy. Tyle tylko, że zabrakłoby papieru na świecie, żeby to równanie wypisać i nie wiadomo, jak je rozwiązać.

Powstał więc pomysł, by robić doświadczenia z kotami Schrödingera na coraz większych układach. Podąża w tym kierunku wielu badaczy w nadziei, że kiedyś może uda się wreszcie wyznaczyć granicę między światem kwantowym a klasycznym.

Ważne to?

Ja nie wiem, czy to jest ważne z praktycznego punktu widzenia. Przypuszczam, że nie. Natomiast nie zawsze to, co się opłaca, jest najważniejsze; może to jest równie ważne jak budowanie komputera kwantowego, na który jest wyraźnie zapotrzebowanie. Gdyby armii rosyjskiej zaproponować takie urządzenie, zapłaciłaby każde pieniądze, bo jest ważne zastosowanie – łamanie kodów. Kot Schrödingera zapewne nie znalazłby wielu nabywców.

Elegancja doświadczenia

Myśl Schrödingera wyprzedziła eksperyment. Kto dziś dostarcza więcej bodźców do badań nad fizyką kwantową – teoretycy czy doświadczalnicy?

Na początku XX w., kiedy powstawała teoria kwantowa, sprawa była jasna. Mieliśmy wyniki doświadczeń sprawdzonych, wielokrotnie powtórzonych, których nie sposób było wyjaśnić za pomocą istniejących teorii fizycznych. Sytuacja była wyraźnie asymetryczna. Doświadczenie wyraźnie wyprzedzało modele teoretyczne. Teoretycy musieli wziąć się do roboty. W tej chwili sytuacja jest chyba bardziej symetryczna. Czasami szala przechyla się wręcz na stronę teoretyków.

Przykład. Spora grupa niezwykle inteligentnych ludzi już od dziesiątków lat zajmuje się teorią strun (która opisuje fundamentalne zasady funkcjonowania Wszechświata, każąc myśleć o jego podstawowych cegiełkach, cząstkach elementarnych, jak o swoistych tonach wydawanych przez niezwykle małe jednowymiarowe obiekty zwane superstrunami – red.). Szanse jej sprawdzenia doświadczalnego są praktycznie równe zeru. Uczeni tworzą przepiękne, bardzo wyrafinowane matematycznie twory, których być może nigdy nie uda się zweryfikować.

W bardziej przyziemnych dziedzinach fizyki jest remis. Choć bilans zapewne ulegnie zmianie. To efekt, który ma niewiele wspólnego z filozofią nauki. Większość ludzi na Ziemi mieszka w bardzo biednych rejonach. W Indiach czy Chinach, które mają spore tradycje edukacji uniwersyteckiej, mieszka wielu inteligentnych ludzi, którzy chcieliby zajmować się fizyką. Tych krajów nie stać jednak na budowę laboratoriów i uczeni zwracają się ku teorii.

Przyrost liczby teoretyków i wyrafinowanych teorii jest funkcją przyrostu liczby ludności i ubożenia globu?

Dokładnie tak. A rodzaj harmonii między doświadczalną i teoretyczną metodą prowadzenia badań jest potrzebny. Każda z nich pozostawiona sama sobie będzie się degenerowała. Teoretycy będą dryfowali w kierunku matematyki, a doświadczalnicy w kierunku inżynierii. A tylko oddziaływanie między jednymi i drugimi tworzy nową jakość. Tak się składa, że część doświadczalna jest droga. To zabawa dla bogatych społeczeństw.

Wspomnianą teorię strun rozumie tylko kilka – a i to informacja niepotwierdzona – osób na Ziemi...

[śmiech] Ja do nich nie należę.

...i twierdzą one, że jest to wyjątkowo piękna teoria. Zwykło się uważać, że teoretyków motywuje do pracy zmysł estetyczny. Co w takim razie – oprócz solidnego budżetu – napędza fizyka doświadczalnego?

To jest dobre pytanie... co jest motorem... Jeden z czynników ma charakter sportowy. Proszę sobie wyobrazić, że są na świecie dwa lub trzy laboratoria, które zajmują się podobnym zagadnieniem. W naturalny sposób pojawi się konkurencja między nimi, zresztą bardzo pożądana. Z drugiej strony dla mnie najważniejsza jest jednak pewna elegancja eksperymentu. Chciałbym robić doświadczenia, które są proste i ważne. To mi się nie bardzo udaje, oczywiście.

Skąd ta oczywistość?

Bo to jest strasznie trudne. Trzeba pewnej dozy talentu. Dużo pracy.

Czynnik prostoty jest zatem ważny, ale zależny od dziedziny badań. Jeżeli ktoś zajmuje się cząstkami elementarnymi, jest skazany na olbrzymie międzynarodowe urządzenia. Ale w innych naukach, takich, w których pracuje się w zespołach trzy- lub pięcioosobowych, można wykonać ładne doświadczenie, właśnie – ładne doświadczenie – takie, które coś pokaże, będzie istotne i przy którym nie zarobię się na śmierć.

Tak, jednak elegancja jest czynnikiem motywującym. Być może wspólnym dla wszystkich, którzy tworzą coś nowego, nieistotne, czy to są stroje, czy teorie naukowe.
http://www.polityka.pl/spoleczenstwo/niezbednikinteligenta/193088,1,mechanika-kwantowa-teoria-wbrew-zdrowemu-rozsadkowi.read
 

Przyjemność eksperymentu

Po zaplanowaniu eksperymentu fizyk doświadczalny przystępuje do żmudnego, nawet wieloletniego procesu przygotowania aparatury, następujących po nim testów, poprawek, by potem otrzymać nie namacalny wynik, ale ciągi liczb, które należy dopiero poddać interpretacji. Czy w natłoku przyziemnych czynności – fizycznych, w pejoratywnym tego słowa znaczeniu – badacz traci zapał?

[bardzo głębokie westchnięcie] To jest dość trudne pytanie. Chyba nie potrafię na nie odpowiedzieć w niczyim innym imieniu niż tylko w swoim. Nie ukrywam, że często strona techniczna doświadczenia jest dla mnie bardziej intrygująca i pasjonująca niż interpretacja wyników. Odkryłem ten fakt z pewnym smutkiem jako młody początkujący badacz. Długo nie chciałem się z nim pogodzić, uważając, że jest to pewna ułomność. Bo przecież jeśli już pracuję w tym zawodzie, to powinienem zajmować się tym, co jest najważniejsze, co jest istotą fizyki, czyli rozwijaniem nowych koncepcji i podbojem nieznanych terytoriów. Ale po okresie kłopotów jakoś się ze sobą pogodziłem.

Od pewnego czasu prowokuję kolegów stwierdzeniem, że nieważne, co wyjdzie, ważne, żebyśmy zrobili piękne doświadczenie – na dobrym poziomie technicznym, poprawne; w którym użyjemy dobrych metod, a przy okazji skonstruujemy kawałek unikatowej aparatury. To się spotyka z różnymi reakcjami. Dlatego lubię pracować w zespołach, w których są ludzie przedkładający interpretację wyników nad samo doświadczenie.

Bywa, że pierwotne zamierzenie ulega rozmyciu?

Czy tracimy z pola widzenia pytanie o cel badań? Czasami tak.

Przygotowanie większego doświadczenia trwa dość długo. Szczególnie kiedy brakuje środków finansowych. Często w trakcie przygotowań pojawiają się nowe pomysły i trzeba zejść z zaplanowanej ścieżki. Może się też okazać, że ktoś nas już wyprzedził. Oczywiście, możemy powtórzyć jego doświadczenie i zweryfikować rezultat, ale to już nie jest to samo. To już nie jest ta sama przyjemność.

A prawdziwej przyjemności dostarcza eksperyment, jak już wspomnieliśmy...

...ładny.

Ładny, czyli jaki?

Proszę mi pozwolić na dygresję. Kilka lat temu kilku wydziałom fizyki rozmaitych polskich uczelni i placówkom PAN udało się stworzyć Krajowe Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej, zakotwiczone przy Uniwersytecie im. Mikołaja Kopernika. Zamiast rywalizować o ograniczone środki finansowe, stworzyliśmy konsorcjum.

Mam w Toruniu własny kącik – laboratorium optyki kwantowej czy też szerzej – informatyki kwantowej. Ale to jeszcze by było za mało. Muszę panu powiedzieć, że ja jeszcze mam w życiu szczęście. Otóż udało mi się trafić na kilku młodych wybitnych ludzi, którzy robią tam doświadczenia. Doświadczenia bardzo fajne.

Jedno z nich było dość zabawne. Chcieliśmy pokazać, że korzystanie z praw fizyki kwantowej może coś istotnego wnieść do przesyłania informacji. Zbudowaliśmy źródło emitujące pary (dwójki) fotonów. Powstają one w dziwnym stanie, który nazywamy splątanym. Informację kodowaliśmy za pomocą stanu polaryzacji światła. Umawialiśmy się, że – na przykład – foton spolaryzowany pionowo jest jedynką, a poziomo – zerem. I pytaliśmy, czy za pośrednictwem par splątanych, takich szczególnych stanów kwantowych, możemy przesyłać więcej informacji, czy też nie. Chce pan zgadywać?

Nie śmiem.

Odpowiedź brzmi: trzy. Jesteśmy w stanie przysyłać trzy razy więcej informacji w parach, które mają splątanie, niż w parach, które go nie mają. I to jest odpowiedź doświadczalna. Choć nie do końca to właśnie nam wyszło – otrzymaliśmy 2,8. Ale i tak jest to eleganckie, małe doświadczenie. Jestem bardzo z niego zadowolony.
Zapisane

Wierzę w sens eksploracji i poznawania życia, kolekcjonowania wrażeń, wiedzy i doświadczeń. Tylko otwarty i swobodny umysł jest w stanie odnowić świat
Strony: 1   Do góry
  Drukuj  
 
Skocz do:  

Powered by SMF 1.1.11 | SMF © 2006-2008, Simple Machines LLC | Sitemap
BlueSkies design by Bloc | XHTML | CSS

Polityka cookies
Darmowe Fora | Darmowe Forum

wwwstadodzikich articz polski-deliver-truck no mafia