Kot Schrödingera trochę przytył. Fizycy przesuwają granice świata kwantowego

Zacznijmy od wyjaśnienia, z jakiego typu nowinką mamy do czynienia. Eksperymenty, których wyniki 21 stycznia opublikowała grupa fizyków z Uniwersytetu Wiedeńskiego pod przewodnictwem Sebastiana Pedalino, same w sobie nie otwierają żadnych nowych drzwi. Nie jest to jeden z tych przypadków, gdy zaobserwowaliśmy zupełnie nowy typ cząstki, stan materii czy gatunek szympansa, albo tajemnicze zjawisko, które nie mieści się w naszych teoriach kosmosu. Mówiąc wprost: to doświadczenie, które w ciągu ostatnich stu lat udało się już miliony razy tysiącom grup na całym świecie, a teraz zostało przeprowadzone przy użyciu odrobinę większego obiektu.

Czym się więc ekscytować? Poznajmy najpierw nieco dokładniej dramatis personae, a zwłaszcza głównego bohatera tego dnia – nanoklaster sodu. To nasz kot Schrödingera.

Wyobraźmy sobie spore pomieszczenie, klimatycznie oświetlone na trupi błękit, pośrodku którego z półmroku wyłania się beczułkowata, kilkumetrowa komora, wyglądająca jak skrzyżowanie starej łodzi podwodnej i superkomputera. Do beczułkowatej komory, solidnie skręconej setkami śrub, podpięte są liczne węże, którymi buczące kompresory odpompowują najdrobniejsze ślady powietrza, aby w środku panowała niemal doskonała próżnia.

Z jednej strony podpięty jest do niej generator nanoklastrów sodu. To kolejna komora, w której z podgrzanej do 400 st. C próbki sodu odparowują pojedyncze atomy tego pierwiastka. Chmurkę sodowych oparów schładzamy następnie do -196 st. C w ochronnej atmosferze argono-helowej, dzięki czemu powstają klastry: mikroskopijne drobinki zbudowane wyłącznie ze zlepionych ze sobą atomów sodu. Na wizualizacjach wyglądają jak jeżyny.

W tym konkretnym eksperymencie wytwarzane klastry liczyły od 5 do 10 tys. atomów. Tego typu klaster ma średnicę około 10 nanometrów (stąd „nanoklaster”) i można o nim pomyśleć jako o olbrzymiej cząsteczce chemicznej, ale również – chyba lepiej – po prostu jako o bardzo małej grudce sodu.

W pewnym momencie nanoklastry wyrzucane są do głównej części komory, jeden po drugim, z dość umiarkowaną (jak na laboratoria szalonych naukowców, rzecz jasna) prędkością ok. 160 metrów na sekundę. Na końcu komory znajduje się detektor, pracowicie mierzący, gdzie konkretnie wylądował dany klaster.

Cały dowcip tego eksperymentu kryje się jednak w tym, co oddziela źródło od detektora – a jest to szereg przeszkód w postaci specjalnie uformowanych promieni laserowych zawierających regularnie rozmieszczone „rozrzedzenia” – miejsca, przez które strumień cząstek może swobodnie przelecieć – i „zagęszczenia” stanowiące dla nanoklastrów przeszkodę nie do pokonania. Odległość pomiędzy owymi rozrzedzonymi „okienkami” to 133 nanometry.

Naiwny, „klasyczny” obraz byłby więc taki: strzelamy brudnymi 10-centymetrowymi piłkami w białą ścianę, ale po drodze znajduje się przegroda, w której co 133 centymetry rozmieszczone są okienka. Jaki wzór zabrudzeń powstanie na ścianie?

O tego typu eksperymentach w ciągu ostatnich stu lat opowiadały setki fizyków i popularyzatorów nauki, usilnie próbując wyjaśnić, o co w tym wszystkim „tak naprawdę” chodzi.

Praojcem tego doświadczenia jest tzw. eksperyment z dwiema szczelinami, w którym występują tylko dwa „okienka”. Gdy Thomas Young wykonał je po raz pierwszy w 1801 r., posługując się strumieniem światła, otrzymany wynik można było dość łatwo zinterpretować. Światło rozprzestrzenia się w stronę przesłony, przeciska się jednocześnie przez obie dostępne mu szczelinki, a za nimi rozchodzi się radialnie, nakładając się na siebie jak fale na wodzie pozostawione przez dwa kajaki. W rezultacie detektor wykrywa prążki, typowe dla zjawisk falowych.

Gdy w 1927 r. po raz pierwszy wykonano to samo doświadczenie z czymś, co powinno być małą kuleczką – w tamtym przypadku elektronem – i po raz pierwszy „wyszły prążki”, rozpoczęła się trwająca już od stu lat tradycja drapania się po głowie z konsternacją. Kuleczki powinny przelecieć przez lewą albo prawą szczelinę, a na „ścianie” powinniśmy zobaczyć dwie osobne plamki, a nie dziesiątki prążków, jak gdyby przez pokój przefruwała „fala elektronowa”! Problem staje się tym bardziej kłopotliwy, im bardziej to coś, czym strzelamy przez przegrodę, kojarzy nam się z kulkami.

W ostatnich dekadach eksperyment ten przeprowadzono z coraz większymi obiektami, najpierw pojedynczymi atomami, później całymi cząsteczkami chemicznymi – teraz zaś z maleńkim kawałkiem sodu. Nie zmieniła się jednak sama istota tego zdziwienia, no i dojmującej trudności z wyjaśnieniem, co tu się dzieje.

Aby wytłumaczyć, dlaczego na końcu komory próżniowej w wiedeńskim laboratorium pojawiły się prążki, musimy przyjąć, że składające się z 10 tys. atomów klastry sodu pokonały drogę od źródła do detektora w stanie „zdelokalizowanym”, jak gdyby „wyczuwając” spory fragment przestrzeni wokół siebie i „biorąc pod uwagę” istnienie oddalonych o 133 nanometry okienek.

Same zaś mają przecież średnicę 10 nanometrów i powinny, na zdrowy rozum, zachowywać się tak, jak gdyby cały świat ograniczał się do tego, co są w stanie namacać w bezpośrednim otoczeniu swojej trasy źródło–detektor. Skąd klaster, przelatujący przez któreś z „rozrzedzeń”, miałby w ogóle „wiedzieć”, że 133 nanometry dalej znajduje się kolejne rozrzedzenie?!

Dzisiaj, 100 lat po pierwotnej rewolucji kwantowej, widzimy jak na dłoni powiązania tej konkretnej „dziwności” z wieloma innymi dziwnościami i pojęciami fizyki kwantowej. Stąd zresztą ten kot. Erwin Schrödinger, próbując wyjaśnić, jak dziwnym pomysłem jest cząstka będąca jak gdyby „jednocześnie A i nie-A”, opisał kota, którego życie uzależnione jest od stanu takiej właśnie kwantowej cząstki.

Jasne, możemy jeszcze założyć, że gdzieś w niewyobrażalnych głębinach nanometrowego świata jakaś cząstka przelatuje jednocześnie przez lewą i przez prawą szczelinkę, ale nikt nigdy nie zaobserwował kota, który jest jednocześnie żywy i martwy, prawda?

Obecnym rekordem wielkości kota, który jest jednocześnie taki i nie taki, stały się właśnie nanoklastry sodu, które jednocześnie przelatują przez wszystkie dostępne im „okienka” w promieniu lasera. Na stan taki, będący „sumą” dwóch lub większej liczby stanów, które wydają się ze sobą logicznie sprzeczne, mówimy też „superpozycja”.

Słowami autorów artykułu: „W naszym przypadku położenie klastrów zbudowanych z ponad 7000 atomów staje się zdelokalizowane na odległości przekraczającej średnicę tych cząstek o ponad rząd wielkości. Ten stan kwantowy jest analogiczny do kota Schrödingera: makroskopowego przedmiotu, który łamie nasze intuicje, ponieważ stanowi superpozycję trajektorii, które klasycznie powinny być odrębne od siebie”.

Gdzieś pomiędzy „światem kwantowym” a światem naszego codziennego doświadczenia następuje najwyraźniej „uklasycznienie” – i dzisiaj największą zagadką nie jest już sama dziwność kwantowa, do której trochę przywykliśmy, ale pytanie o to, dlaczego właściwie świat się „uklasycznia”?

Wiemy już tyle, że każde „poważniejsze” oddziaływanie z układem – np. związane z dokonywaniem pomiaru – zmusza układ kwantowy do „określenia się”, jak gdyby świat umiał „zrobić coś konkretnego” tylko wtedy, gdy względnie wyraźnie określi stan swoich składników. To stąd te wszystkie zaciemnione pomieszczenia, próżnie i schładzanie wszystkiego ciekłym azotem: chcemy wyeliminować wszelkie przypadkowe zakłócenia. W jaskrawo oświetlonym pomieszczeniu i w zwykłej pokojowej temperaturze superpozycje po prostu się nie ujawnią. Pytanie brzmi, jak duży układ, praktycznie i teoretycznie, dałoby się utrzymać w „stanie Schrödingera”?

Dzięki rozwojowi technologii takich jak nadprzewodnictwo, nanotechnologia czy krionika udaje się konstruować coraz większe układy zachowujące kwantowe superpozycje.

W 2023 r. opisano ważącą 16 mikrogramów płytkę, nazywaną technicznie rezonatorem HBAR, którą wprowadzono w drgania będące złożeniem (superpozycją) dwóch „przeciwnych” typów drgań: zupełnie jak gdyby jedna i ta sama struna drgała jednocześnie na dwa wykluczające się sposoby.

Marius Bild i jego ekipa z Uniwersytetu w Zurychu też powoływała się wówczas na kota: „Gdy rozważymy moment w czasie, gdy obie oscylacje są w swoich odpowiednich maksimach, to kot Schrödingera będący w superpozycji stanu żywego i martwego jest czymś analogicznym dla superpozycji atomów w rezonatorze HBAR będących w dwóch różnych miejscach w przestrzeni”. Cała idea komputerów kwantowych – które wytwarza się dziś już niemal rutynowo – również opiera się na przytrzymywaniu owych superpozycji tak długo, jak to tylko możliwe. Temat ma więc kolosalne znaczenie praktyczne.

Nie daje też jednak spokoju bardziej filozoficzne pytanie: jaki jest „tak naprawdę” świat kwantowy? Czy coś naprawdę może być jednocześnie A i nie-A? Eksperymenty typu wiedeńskiego wprowadzają go już do skali niemal namacalnej. Czy dałoby się więc, przykładowo, zobaczyć obiekt, który jednocześnie drga w dwa sprzeczne sposoby albo znajduje się w dwóch miejscach jednocześnie?!

Nanoklastry sodu są już rozmiarami zbliżone do niektórych wirusów. Łatwo mówić o fotonie przelatującym dwiema szczelinami naraz, ponieważ „foton” to coś na tyle tajemniczego i odległego od naszego życia codziennego, że możemy spokojnie wyobrażać go sobie jako świetlistą smugę rozmazującą się w przestrzeni i zapomnieć o temacie. Ale... wirus?!

Wirusy unoszą się w otaczającym nas powietrzu, przytulają do naszych błon komórkowych, namnażają się w naszych komórkach i wykasłujemy je na bliźnich. Czy ta sama cząstka wirusa może jednocześnie znajdować się w moich płucach i w płucach faceta stojącego obok w tramwaju?! W jakiej skali świat zamienia się z absurdalnego w normalny? Ile nanometrów potrzeba, aby zaczęła obowiązywać logika?

Jest kilka standardowych ścieżek – to tzw. interpretacje mechaniki kwantowej – gdy przychodzi do tłumaczenia z matematycznego języka fizyki teoretycznej i obserwacyjnej na zwykły język opisu rzeczywistości; gdy przestaje nas zadowalać fraza „zamknij się i licz” i próbujemy odpowiedzieć na pytanie, jaki jest świat, nie popadając zarazem w absurdy i sprzeczności.

W ubiegłym roku czasopismo „Nature” z okazji symbolicznego stulecia mechaniki kwantowej zebrało opinię ponad tysiąca fizyków z całego świata i – jak zawsze, gdy robione są tego typu ankiety – uzyskane wyniki można by najkrócej podsumować tak: nikt nic nie wie.

Najpopularniejszą odpowiedzią była tzw. interpretacja kopenhaska, która stanowi w pewnym sensie nie-odpowiedź: fizyka kwantowa to zestaw narzędzi matematycznych służących do przewidywania wyników eksperymentów, a wszelkie wypowiedzi na temat „tożsamości” tych narzędzi albo „prawdziwego” stanu świata pomiędzy obserwacjami są niepotrzebne: przecież, z definicji, i tak ich nigdy nie obserwujemy!

Trudno jednak powiedzieć, że taki jest właśnie głos „większości fizyków”: odpowiedzi takiej udzieliło 36 proc. ankietowanych, jednak tylko 5 proc. z „pewnością”, a 13 proc. ze „względną pewnością”. Ogółem tylko kilkanaście procent ankietowanych stwierdziło, że czuje pewność co do swojej odpowiedzi.

O tym, jak głęboki jest poziom zagubienia fizyków, najlepiej chyba świadczy fakt, że niezerowa część populacji opowiada się za interpretacjami tak odważnymi, jak „świadomość wywołuje kolaps” (to ludzka świadomość każe kwantom się lokalizować) lub „interpretacja wielu światów” (gdy cząstka zostaje zlokalizowana, wszechświat rozszczepia się na tyle kopii, ile było możliwych wyników eksperymentu – wydarzają się więc w istocie wszystkie ewentualności).

Nowe doświadczenia mogą jednak odrobinkę pomóc przyszłym pokoleniom fizyków i filozofów. Mniej więcej 4 proc. ankietowanych wskazało na tzw. teorie obiektywnego kolapsu, zgodnie z którymi „ściągnięcie się” zdelokalizowanego/„Schrödingerowskiego” stanu do postaci zlokalizowanej/określonej – zwane też „kolapsem” – jest faktycznym procesem wywoływanym przez jakieś realne zjawisko fizyczne.

Jeden ze zwolenników tej teorii, fizyk-noblista Roger Penrose, twierdzi, że to grawitacja od czasu do czasu „szturcha” cząstki, zmuszając je do kolapsu. Nie obserwujemy więc faktycznych kotów Schrödingera po prostu dlatego, że duże obiekty składają się z dużej liczby cząstek, istnieje więc przeważające prawdopodobieństwo, że zostały w ciągu ostatniego mikroułamka sekundy „szturchnięte”. Czysto teoretycznie koty Schrödingera byłyby jednak możliwe.

Tego typu teorie są zwykle wyposażone w „stałą szturchania”, od której zależy, powiedzmy, czy przeciętna pojedyncza cząstka zostanie szturchnięta średnio raz na milisekundę, godzinę czy tysiąc lat. Dla zwolenników takich teorii doświadczenie Wiedeńczyków dostarcza więc bardzo konkretnej wiedzy: oto udało się utrzymać 7000 atomów przez 1/30 sekundy w stanie zdelokalizowanym. Wyklucza to „stałe szturchania” powyżej pewnej wartości.

Zabawa trwa, a nowe eksperymenty bardzo skutecznie przypominają nam, że rzeczywistość jest być może dziwniejsza, niż jesteśmy w stanie to wyrazić słowami lub nawet sobie wyobrazić.

Prawdę mówiąc, wielu problemów interpretacyjnych można by uniknąć, gdyby tylko zgodzić się na jeszcze nieco bardziej odważną hipotezę, że rzeczywistość wcale nie „jest” taka czy owaka, a tylko czasem „bywa”, przy czym udzielona nam przez świat „odpowiedź” jest uzależniona od tego, jakiego typu pytanie jej zadamy. Niektórzy fizycy flirtują już dziś z tego typu poglądami. Świat ani nie gada po kwantowemu, ani po klasycznemu. Świat sam w sobie milczy – a próba przetłumaczenia milczenia na jakikolwiek język to…