#18 Superpozycja, czyli najgorszy pasażer świata

0. Wstępniak Okolicznościowo/Naukowy.

Wyobraźcie sobie, że elektron wsiada do tramwaju. To znaczy, że ma rozmiary człowieka, ale właściwości cząstki kwantowej. Siada, ale zajmuje dwa miejsca jednocześnie... Jest i na siedzeniu dla kobiety ciężarnej i kobiety o lasce. Gdyby elektrony miały rozmiary ludzi, tak właśnie by się zachowywały. Najgorsi pasażerowie świata.

Chociaż, z drugiej strony...

Gdybyś, Czytelniku, był elektronem (a jeszcze lepiej fotonem, bo one nie doświadczają czasu - swoiste cząstki 'forever young'), mógłbyś obudzić się o szóstej (najlepiej rano, bo po południu to trochę za późno), umyć zęby, zjeść śniadanie, ubrać się (niekoniecznie w tej kolejności ;)) i wyjść do pracy. Potem odwalać swoje w biurze, za kółkiem, za ladą, przy koparce przedsiębierno-zasięrzutnej (czyli po prostu łopacie), a jednocześnie... smacznie spać w łóżku! Boże mój, Boże, dlaczego efekty kwantowe nie działają w skali makro?! (na to pytanie postaram się kiedyś, przy okazji, odpowiedzieć, ale nie z boskiej perspektywy, oczywiście ;)).

Efekty kwantowe w skali makro wyglądają absurdalnie, ale właśnie takimi prawami rządzą się cząstki elementarne. To świat czystej magii, jeśli nie brać pod uwagę faktu, że nauka zajmuje się nie do końca wyjaśnionymi kwestiami. Nie potrafi odpowiedzieć na wszystkie pytania, dlatego często niewiedzę uzupełniamy magią albo np. boską ingerencją. Ale przejdźmy do rzeczy.

1. Szaleństwo superpozycji - małe jest piękne.

Obiekty mikroskopowe, kiedy, na przykład, przemieszczają się z punktu A do punktu B, mogą wybrać dwie drogi do miejsca docelowego jednocześnie. Max Bron, Erwin Schrodinger i Werner Heisenberg, fizycy, którzy stworzyli mechanikę kwantową prawie sto lat temu, odkryli, że obiekty w świecie kwantowym już nie poruszają się według dobrze zdefiniowanej, jednej ścieżki. Mogą za to jednocześnie obierać różne drogi do tego samego celu i kończyć swoją podróż w jednym miejscu.

Właściwie mógłbym skończyć w tym miejscu i post byłby wystarczająco szalony. Jak to możliwe, że w naszym świecie, z pozoru tak przewidywalnym i logicznym, cząstki poruszają się jak ze świata z inną, nieracjonalną fizyką, tylko dlatego, że są małe?

To tak zwana superpozycja.

Na poziomie atomów, obiekty naprawdę przestrzegają innych praw - praw mechaniki kwantowej. Przez długie lata eksperymenty potwierdzały zwariowane zachowanie cząstek mikroskopowych (i nie mówię tu o muszce owocówce obserwowanej przez mikroskop na lekcji biologii) - mechanika kwantowa naprawdę działa. Dlaczego obiekty z naszego Kingsajzu nie zachowują się podobnie?

Dr. Andrea Alberti z Instytutu Fizyki Stosowanej na Uniwersytecie w Bonn tłumaczy (na język Laika i Tłuka): 'Istnieją dwie interpretacje. Mechanika kwantowa pozwala na superpozycję obiektów makroskopowych, ale ich stany kwantowe są bardzo delikatne. Nawet obserwując np. piłkę do kosza lecącą nieuchronnie w stronę obręczy zaburzamy i w zasadzie niszczymy superpozycję i sprawiamy, że podążą ona jednym, określonym torem.' Chwila! Czyżby samo patrzenie na cząstkę, obiekt, sprawiało, że zaburza się jej stan? A tak. pomiar układu powoduje, że następuje dekoherencja, tzw. kolaps funkcji falowej. Foton lub elektron, który wylatuje z mikroskopu w stronę obserwowanej cząstki odbija się od niej i wraca do naszego oka. Tak, w dużym skrócie, przebiega proces obserwacji. Skoro jeden atom (w stanie superpozycji) jest zakłócony przez nawet jeden elektron, to przy dużych obiektach i dużej ilości fotonów/elektronów, pozwalających nam na patrzenie na coś, dekoherencja jest nieunikniona - jest fizycznie bardzo trudno wyizolować taką piłkę od wszystkich fotonów 'obserwatora'.

2. Inna interpretacja braku efektów kwantowych - w twojej kuchni, na przykład.

Czy duże obiekty przestrzegają innych zasad?

Być może piłka zachowuje zupełnie inne zasady niż atomy/elektrony/fotony/inne małe kuleczki.

Mamy pewien makro-realistyczny obraz świata. Według tej interpretacji, piłka zawsze porusza się po określonej trajektorii (chyba, że rzucający jest na kacu albo ma rozregulowany celownik przez setkę czystej na wzmocnienie przed meczem - znam takich zawodników. Grałem z nimi i była to nieziemska radość - patrzenie na nich - kiedy kozłują puste powietrze, z piłką dwa metry dalej ;))

Ale która interpretacja jest prawidłowa? Czy lepiej pić przed meczem, czy nie? Żartuję, oczywiście -czy mechanika kwantowa stosuje się do makro, ale dekoherencja jest zbyt wysoko prawdopodobna? Czy po prostu dla krasnali istnieją inne prawa niż dla mieszkańców Kingsajzu? Kingsajz dla każdego - zakrzykniecie.

Czy duże obiekty poruszają się inaczej niż małe?

Ekipa z Bonn, we współpracy z dr Clivem Emarym z Uniwersytetu Hull w UK (UK to nie odgłos wydawany przez orangutana tylko Wielka Brytania ;)) zaproponowali pewne doświadczenie. Postanowiono podważyć drugie rozwiązanie, czyli zasady makro-realistycznego świata. Jednym słowem, spróbowano udowodnić, że wszystkie obiekty stosują się do praw mechaniki kwantowej!

3. Św. Tomasz Apostoł, czyli 'nie zobaczę, nie uwierzę', czyli doświadczenie prawdę ci powie.

Doświadczenie opisano w Physical Review X. Taka 'Wyborcza' dla fizyków. Przy pomocy tzw. pęset optycznych (taka pęseta, której używamy do wyciągania much z oka ;) żartuję. jest to fachowy sprzęt laboratoryjny) uchwycono jeden atom Cezu i pociągnięto go w dwóch przeciwnych kierunkach. W świecie makro-realistycznym atom znajdowałby się tylko w jednej z dwóch docelowych lokalizacji. Według praw mechaniki kwantowej natomiast, byłby w superpozycji dwóch stanów, czyli i tu i tam... jednocześnie.

'Postarano się, aby doświadczenie przebiegało najbardziej bezinwazyjnie, jak to tylko możliwe' ('hola, hola' - powie atom Cezu. 'Ciekawe co byście powiedzieli cwaniaki, gdyby was np. rozciągano końmi w przeciwnych kierunkach. Bezinwazyjnie, ta, jasne' ;)) - relacjonuje Carsten Robens, doktorant. 'Nawet tak mało ingerujący w stan systemu pomiar  znacząco zaburza wynik doświadczenia'.

'Taki pomiar wyklucza' - mówi, z kolei, Karl Popper (porządkowy w laboratorium; musicie wiedzieć, że na takich uniwersytetach nawet porządkowi mają stopień magistra fizyki i potrafią coś powiedzieć o doświadczeniu, kiedy po godzinach przecierają szmatką wszystkie te atomy i elektrony ;) żartuję, ale nie zwracajcie uwagi - czytajcie dalej), 'możliwość, że atomy Cezu zachowują się według zasad teorii makro-realistycznych' (nie zachowują się zgodnie z zasadami mechaniki klasycznej, naszego dużego świata). Zamiast tego, wyniki doświadczeń z Bonn wskazują, że interpretacja oparta na superpozycji stanów, ulegająca zniszczeniu nawet przy pośrednim pomiarze, jest prawidłowa. Wszystko, co możemy zrobić, to przyznać, że atom faktycznie obiera dwie ścieżki jednocześnie! Dlaczego? Jak? Nie wiemy, wiemy tylko, że to prawda.

'To jeszcze nie dowód, że mechanika kwantowa stosuje się do obiektów makroskopowych - przestrzega Alberti. 'Kolejnym krokiem będzie rozdzielenie atomu Cezu na odległość kilku milimetrów. Jeśli odniesiemy sukces i atom nadal będzie znajdował się w stanie superpozycji, teoria makro-realistyczna otrzyma kolejny cios'.

4. Słów kilka o superpozycji i już okienko się zamyka.

Może, poza opisem doświadczenia, dodam coś od siebie.

Odnośnie tych dwóch trajektorii piłki.

Wyobraźmy sobie, że puszczamy kulkę w małą rynienkę, pochyloną w dół tak, że kulka toczy się siłą ciążenia. Nagle nasza rynienka rozdwaja się na lewo i prawo. Wszystko jest tak równe, że kulka, kiedy ją puszczamy w dół, ma takie same szanse na rozwidleniu na stoczenie się prawym jak i lewym korytarzem. Rynienki kończą się jakiś metr niżej, w odległości od siebie około pół metra - lewa i prawa. Wiemy, że kulka musi wybrać którąś z dróg - w lewo, albo w prawo. I teraz mały trick - zamykamy oczy, i dopiero wtedy puszczamy kulkę.

Wiadomo, że kuleczka ma 50% szans na wybranie prawej rynny, oraz, tak samo, 50% na wybranie lewej. 

W świecie klasycznym wszystko jest jasne. Kulka poleciała albo w lewo, albo w prawo, i mamy 50% szans, że znajdziemy ją na dole po lewej stronie, oraz 50% szans na znalezienie jej po stronie prawej. Otwieramy oczy. Na pewno wybrała którąś z dróg. Jest na pewno albo po lewej, albo po prawej stronie.

Możemy nawet ułożyć sobie równanie matematyczne, że jest szansa jak jeden do dwóch, że kulka poleciała lewą rynną, o raz jeden do dwóch, że wybrała prawość. Ale to tylko równanie, wiemy, że w realnym świecie wybrała jedną z dwóch opcji. Na pewno.

Cały wic mechaniki kwantowej polega na tym, że w mikroświecie równanie matematyczne, rozkład prawdopodobieństwa 50%/50%, jest realny... Jeśli nie poddaliśmy obserwacji dróg w dół, cząstka elementarna przebyła drogę zarówno lewą, jak i prawą stroną i jest to faktyczny... fakt. Jeśli akt obserwacji nie zakłóci systemu kwantowego, zachodzi zjawisko superpozycji - jednoczesności.

Kulka makro otwiera ze zdziwienia oczy i nie wierzy, po prostu nie wierzy.

To, co świecie makro jest teorią, w nano-skali jest rzeczywistością.

Gdyby tak elektronem być... Gdyby pracować i smacznie spać jednocześnie. Móc z czystym sumieniem zajmować dwa miejsca w tramwaju. Świat może nie byłby prostszy, ale na pewno piękniejszy, gdyby mechanika kwantowa była naszą codziennością, nieprawdaż? :)

Aha, zapraszam na Patronite! To nie takie trudne założyć tam konto i wesprzeć klikanie w klawiaturę! :)

patronite/DiesPhys

Oraz na Facebook fanpage; więcej nas, jest ciaśniej ale weselej! ^_^

fanpage/DiesPhys