Czytuję do poduszki „Duch w atomie” P.C.W. Daviesa i J.R. Browna, o paradoksach mechaniki kwantowej. Książka archaiczna, po polsku 1996, oryginał 10 lat starszy: 1986; teksty wywiadów z ówczesnymi prominentami fizyki zapewne z około 1980, czyli równy jeden pełny cykl Saturna do Plutona temu. Nowością było wtedy słynne doświadczenie Alana Aspecta, który wykazał, że einsteinowskie założenie „lokalnego realizmu” obiektów kwantowych nie zachodzi, zatem splątane obiekty pozostają jedną całością, a więc paradoks EPR (Einsteina, Rosena i Podolskiego) nie jest żadnym paradoksem, tylko faktem i świat tak po prostu się zachowuje, a nierówność Bella nie obowiązuje obiektów kwantowych. Dla lepszego wyobrażenia, o co tutaj chodzi, polecamy jakiś nowszy tekst, np. „Spląta(nie) rzeczywistości” z 2013 r.

W rozważaniach nt. kwantów, tych i innych, pojawia się Kot Schrödingera. Wiemy, jasne, co to, ale przypomnijmy sobie. Zamknięty jest w pomieszczeniu, w którym zainstalowano truciznę, która go zabije, gdy tylko spust zabójczego urządzenia zostanie wyzwolony przez pojedyncze zdarzanie kwantowe, np. rozpad 1 promieniotwórczego jądra. Jądro pozostaje w stanie „całe + rozpadłe”, jego stan kwantowy jest superpozycją jądra całego i jądra rozpadłego. Gdy jądro jest całe, kot żyje, gdy jądro jest w stanie rozpadłym, kot nie żyje, bo spust uwolnił truciznę. Zatem kot przebywa również w stanie superpozycji kota żywego i kota martwego. W mechanice kwantowej przyjmuje się (lub przyjmowano w czasie, gdy Schrödinger napisał swoje myślowe doświadczenie, 1938 r.), że tym, co sprawdza obiekt kwantowy, jest pomiar. Przed pomiarem obiekt kwantowy jest w superpozycji wielu stanów, a pomiar niejako „sprowadza go na ziemię”, powodując wybranie jednego ze stanów, co nazywa się też redukcją stanu lub redukcją funkcji falowej.

Rysunek z: Kot Schrödingera – jednocześnie żywy i martwy,
autor: Piotr Stanisławski, Crazynauka.pl, 28/06/2013

Kiedy dzieje się pomiar (to dalszy ciąg rozumowania...), coś jest mierzone przez kogoś. Pewien ludzki (zapewne...) badacz przykłada pomiarowe urządzenie do fragmentu kwantowego świata. I w tym miejscu do tego zagadnienia w dyskusjach przykleiła się świadomość! Zaczęto myśleć, że do skompletowania pomiaru konieczna jest świadomość badacza, która jakoś „wydobywa z kwantowego pół-niebytu” tamten fragment świata. Żeby pomiar dokonał się, musi go podsumować czyjś świadomy umysł. (Muszę dojść, kto pierwszy na ten pomysł wpadł i kto uruchomił tę lawinę... czego? … nieporozumień.) Głosem w dyskusji był tamten artykuł Schrödingera i jego pomysł z kotem. Bo istota jego myślowego doświadczenia z kotem jest taka, że to nie trucizna zabija kota, tylko to, że ktoś – badacz uzbrojony w świadomy umysł – odsłoniwszy skrzynkę, swoim spojrzeniem i swoją konstatacją faktu przeprowadzi kota ze zmieszanego stanu żywo-martwego w stan jednoznacznie martwy lub jednoznacznie żywy.

Ale może – tu niektórych ogarnęła wątpliwość – świadomość człowieka nie wystarczy do tego? Bo przecież i na przykład, kwantowe redukcje stanu dokonują się nieustannie w nieprzeliczonych liczbach również tam, gdzie żaden człowiek ich nie „mierzy”, ani nie widzi. Więc może... jednak... Bóg? Pojawienie się figury Kwantowego Boga było najbardziej zdumiewającą konsekwencją mechaniki kwantowej. Pewna kategoria ludzi łapczywie rzuciła się na ten pomysł.

Realne koty, a także myszy, muchy, roztocza i bakterie nie wykazują jednak kwantowych właściwości. Nie widać, żeby tworzyły superpozycje, żeby ich funkcje falowe interferowały ze sobą, ani żeby łączyły się w stany splątane. Nie obserwuje się widocznej nieoznaczoności żadnych ich parametrów. (Rupert Sheldrake w pewnej rozmowie rzucił pomysł, że istnieje „pole łabędzie”, którego te ptaki są kwantami. Lecz chociaż słowa swan i quant po angielsku brzmią podobnie, to mylił się podstawowo.) Dlaczego? Roger Penrose w którejś ze swoich książek wyjaśnia: bo wszystkie one – od łabędzia i kota po mikroorganizmy – są za ciężkie i za ciepłe. To, że są „za ciężkie” naprowadza na Penrose'owską ideę, że to pole grawitacyjne (a nie oglądająca świadomość fizyka lub boga) jest tym, co niszczy kwantowe superpozycje. To zaś, że są „zbyt ciepłe”, naprowadza na związek kwantowej redukcji stanu, a więc i pomiaru, z termodynamiką.

Pomiar, ten kwantowy, jest nieodwracalny. Przykłady pomiarów: absorpcja fotonu przez kryształ soli srebra, czego skutkiem jest wydzielenie ziarna metalu, co człowiek-badacz widzi jako czarną kropkę na błonie fotograficznej. Odparowanie cieczy skutkiem absorpcji fotonu wysłanego przez rozpraszającą swoją energię naładowaną cząstkę, np. przez wysokoenergetyczny elektron: taka jest przyczyna pojawiania się śladów cząstek w komorach pęcherzykowych. Rozpad niestabilnego czyli promieniotwórczego jądra. Nie obserwuje się zdarzeń odwrotnych: ani błona fotograficzna nie świeci i nie wysyła fotonów, które złożą się na nowo w sfotografowany kiedyś obraz. Ani bańki gazu nie kurczą się, zasilając energią elektron, który by skutkiem tego wracał do jakiegoś atomu, a ten odsyłał kwant gamma z powrotem do odległego pulsara, z którego tamten był przybył. Trwałe jądra ołowiu nie pobierają z przestrzeni cząstek alfa (i gdzie by je znalazły, skoro przeważnie ich nie ma?) z dodatkiem wysokoenergetycznych fotonów, żeby obrócić się w radioaktywny polon 210. Kwantowe pomiary są zjawiskami nieodwracalnymi podobnie, jak nieodwracalne jest stłuczenie szklanki lub usmażenie jaja. Ścięte białko nie wróci do postaci „żywej”. Skorupy szkła nie złożą się w przedmiot, ani nie wyssą ciepła z podłogi i nie zmienią go w energię kinetyczna, aby przyfrunąć na stolik, z którego szklankę strącono.

We wszystkich tych przypadkach, zarówno tych z kwantowego mikroświata jak i tych z naszego makroświata, natykamy się na nieodwracalność zdarzeń w czasie, na jednokierunkowy jego bieg i zarazem na wzrost entropii, czyli na ewolucję od stanów mniej do bardziej prawdopodobnych. Czy ktoś na to patrzy, czy miesza się do tego czyjaś świadomość, czyjś umysł, nic to nie ma do rzeczy.

Układy kwantowe zachowują się na dwa sposoby: zachodzi w nich unitarna ewolucja, czyli działa równanie Schrödingera (tego samego S.!) – albo zachodzi redukcja stanu. Podczas unitarnej ewolucji entropia nie zmienia się, zresztą wynosi zero, a czas jest odwracalny, tzn. proces z przeciwnie skierowanym czasem jest równie możliwy. W istocie unitarna ewolucja jest wyrafinowanym przypadkiem spoczynku, braku zmiany!* Redukcja stanu przeciwnie, jest nieodwracalna, tzn. odwrotny proces jest wybitnie nieprawdopodobny, a entropia wzrasta. „Koty są zbyt ciepłe”, tzn. to, co się w nich dzieje, jest w zbyt dużym stopniu zaangażowane w nieodwracalne procesy termodynamiczne z rosnącą entropią, żeby taki układ (kot) mógł mieć swoją funkcję falową i swój wariant równania Schrödingera.

Zacząłem od tego, że książka, którą czytam, pochodzi sprzed trzydziestu paru lat. W fizyce tymczasem dokonano kolejnego postępu, że nie użyję zużytego terminu: „rewolucji”. Wypracowano pętlową kwantową teorię grawitacji.** W trwającym od ponad stu lat sporze o to, czy bardziej podstawowa jest grawitacja czy kwanty, wygrały kwanty: grawitacja okazała się zaledwie pobocznym, uśrednionym efektem skwantowanej przestrzeni. Jak to wpłynie na interpretacje mechaniki kwantowej, na pomysły z kotem opisanym superpozycją żywego i martwego, z rolą świadomości i z kwantowym bogiem – jeszcze nie wiemy.

Żeby zakończyć patetycznie i literacko:

Kwantową pętlową grawitacją zajmują się teraz Fachowcy. Na razie wciąż słabo rozumieją ją Popularyzatorzy. Nic jeszcze (chyba) nie wiedzą o niej ani Ideolodzy, ani – czy te dwie kategorie nie pokrywają się? – Idioci.