Kot Schroedingera to chyba najbardziej znany przykład, który obrazowo przedstawia pewne stwierdzenia mechaniki kwantowej. Teoria kwantowomechanicznej to niezły orzech do zgryzenia, trudno cokolwiek zrozumieć z wywodów naukowców, a już historia kota wydaje się absurdalna.

Wielki austriacki fizyk, Erwin Schroedinger, biorący udział w tworzeniu nowej dziedziny fizyki na początku XX wieku, chciał zilustrować w ten sposób wyraźny konflikt, jaki istnieje pomiędzy kwantowymi a klasycznymi opisami świata. Wyobraził więc sobie sytuację, w której był sobie kot, zamknięty w pudle, z malutkim zbiorniczkiem trucizny, który pękłby gdyby cząstka kwantowa była w jednym stanie, natomiast nic by się nie stało, gdyby była w innym. Wszystko dotąd jak najbardziej zrozumiałe – choć okrutne z pewnością dla biednego kota – jednak problem pojawia się w wtedy, gdy sytuację trzeba opisać zgodnie z mechaniką kwantową. Teoria powiada, że taka cząstka może istnieć w tzw. “superpozycji” stanów, czyli innymi słowy mówiąc znajduje się równocześnie w obu stanach, do momentu wykonania obserwacji, kiedy to superpozycja (używa się też stwierdzenia fala prawdpodobieństwa) kolapsuje w jeden z możliwych stanów. Schroedinger chciał w ten sposób zobrazować coś zgoła niepojętego – zgodnie z fizyką kwantów kot jest równocześnie i martwy, i żywy.

Trudno się z tym pogodzić, oczywiście. Jednak rzeczywistość Wszechświata zdaje się funkcjonować właśnie zgodnie z takimi szalonymi zasadami. Wszystko to jednak odbywa się w skalach subatomowych, gdyż w naszym “zwykłym” świecie nie zauważamy niczego takiego. Paradoks związany z przykładem kota rozwiązywany jest zazwyczaj na podstawie tzw. “dekoherencji”: superpozycja kwantowa niszczona jest w momencie oddziaływania cząstki z otoczeniem. Im więcej cząstek w układzie, tym mniejsza szansa na uniknięcie dekoherencji właśnie. Więc gdzieś na nieokreślonej granicy pomiędzy cząstką a jej grupą pojawia się dekoherencja i niszczy stan superpozycji.

Ale skoro takie dziwaczne rzeczy dzieją się z cząstkami (z których składamy się my i wszystko dokoła nas), czemu tego nie widzimy, nawet biorąc pod uwagę dekoherencję? Dwóch austriackich fizyków odrzuca wyjaśnienie z podręczników fizyki (różnica skal): powiadają, iż doświadczamy szaleństwa kwantów cały czas.

Johannes Kofler oraz Caslav Brukner z Universitaet Wien oraz Institut fuer Quantenoptik und Quanteninformation (obie instytucje w Wiedniu) dowodzą, iż prawidłowość praw klasycznych w “dużym” świecie nie wynika z różnicy skali – twierdzą, że gdybyśmy potrafili wykonywać pomiary z taką precyzją, jakiej by chcieliśmy, okazałoby się, że świat “klasyczny” w ogóle nie istnieje.

Zdaniem Koflera oraz Bruknera dekoherencja to sytuacja typowa. Ale nie wymuszona – nie musi tak być z zasady. Udowodnili, że stan kwantowy może być na tyle “duży”, na ile tego pragniemy. Rozważali oni układ podobny do igły kompasu umieszczonej w polu magnetycznym. W naszym, klasycznym świecie, igła obraca się płynnie, i ruch ten można doskonale opisać prawami Newtona. Jednakże w świecie kwantowym, igła mogłaby znajdować się w superpozycji wielu stanów, i przeskakiwałaby nieciągle od pojedycznego do kolejnego, co można by zmierzyć. Więc – ponawiamy pytanie – dlaczego nie widzimy takich skoków kwantowych? Naukowcy pokazali, że zależy to od precyzji pomiaru. Jeśli nasz pomiar nie jest wystarczająco dokładny, nie zmierzymy skoków, lecz wyraźnie płynny ruch igły w duch praw klasycznych. Kofler i Brukner pokazali, iż gdy wprowadza się pewien stopień niewyrazistości do zmierzonych pomiarów, równania kwantowe opisujące zachowanie obiektu zamieniają się w klasyczne. Dzieje się tak niezależnie od tego, czy występuje dekoherencja wywołana interakcją z otoczeniem.

Problem, jaki pojawia się tutaj przed nami, jest natury obliczeniowej – by móc mierzyć takie skoki kwantowe pomiędzy kotem martwym a żywym, musielibyśmy zmierzyć niezmierzoną prawie liczbę stanów kwantowych. Dla kota, który składa się z 10 do 20 potęgi cząstek musielibyśmy znać różnicę pomiędzy 10 do 10 potęgi stanów. Sporo.

Zgodnie z poglądami austriackich naukowców powinniśmy jednak już mieć na tyle dobry sprzęt badawczy, by się takimi pomiarami zająć dla mniejszych kotów: obiektów złożonych z małej liczby cząstek.

Wpisy o podobnej tematyce:

• Życie w wieloświecie
• Dorastanie galaktyk w młodym Wszechświecie
• Podróże międzygalaktyczne w ekspandującym Wszechświecie
• Kwarki w kawałkach
• Rychły koniec ery wahadłowców