Liniowość fundamentalnego równania mechaniki kwantowej pociąga za sobą zasadę superpozycji stanów kwantowych. Jednak, jeżeli tę zasadę zastosujemy na poziomie makroskopowym, to możemy stanąć przed koniecznością przyjęcia ontologii świata- najłagodniej pisząc- dziwnej, na co zwrócił uwagę już w 1935 roku Erwin Schroedinger, twórca mechaniki kwantowej [1].W eksperymencie pomyślanym ( o nazwie zastosowanej później : “Kot Schroedingera”), kot zamknięty w stalowym pomieszczeniu z urządzeniem wydzielającym truciznę , pod wpływem prawdopodobnego rozpadu jąder atomowych substancji promieniotwórczej, jest w superpozycji dwóch stanów : jednocześnie jest żywy i umarły , gdyż nie wiemy, czy rozpad promieniotwórczy nastąpił. Dopóki nie ma obserwacji, kot jest w paradoksalnym współistnieniu :jest w 50 % żywy i w 50 % martwy (Newmann,1949).Ażeby zdobyć wiedzę o tym, co dzieje się z kotem, musimy otworzyć pomieszczenie i zobaczyć. Ten akt obserwacji (pomiaru) powoduje kolaps (redukcję ) funkcji falowej kota i superpozycja stanów natychmiast znika, pojawia się jeden stan: kot żywy albo kot umarły.Kopenhaska interpretacja mechaniki kwantowej ( swej radykalnej wersji istniejącej po dziś dzień np. w ujęciu Zeilingera i jego szkoły) wyjaśnia fakt, polegający na tym, że obserwacja (pomiar) dokonuje takiej nagłej przemiany superpozycji stanów, do jednego stanu, przez zakwestionowanie istnienia obiektywnej rzeczywistości na poziomie mikro, i przypisanie aktowi pomiaru(obserwacji) funkcji sprawczej. Czytamy: *Do jakiego stopnia świat atomowy jest fikcją? Przypomina fikcję literacką w tym sensie, że jest swobodnym tworem ludzkiego umysłu."(J.Bell, [2]). * prezentuję tutaj pogląd, że realność kwarków jest rezultatem działalności fizyków, a nie na odwrót” (A.Pickering, [3]) W latach 1935-1955 pojawiło się szereg eksperymentów pomyślanych ,będących wariantami eksperymentu z “ Kotem Schroedingera” , a następnie pojawiły się eksperymenty pomyślane o wspólnej nazwie – eksperymenty typu EPR (Einstein- Podolsky- Rosen). Pierwszy eksperyment pochodził z roku 1936 [4] i był zaproponowany przez tych trzech fizyków.Cała seria eksperymentów pomyślanych typu EPR, stanowiła trzon namiętnej i długotrwałej dyskusji Einstein-Bohr na temat ontologii fizyki kwantowej [5].Eksperymenty typu” kot Schroedingera”, przy głębszej analizie odsłaniają przerażającą istotę twierdzenia o superpozycji stanów układu kwantowego.Otóż aparat pomiarowy powodujący redukcję funkcji falowej w akcie pomiaru ( obserwacji) z racji swej wewnętrznej budowy ( atomowej), sam może być w stanie będącym superpozycją dwóch stanów ! czyli w stanie nieokreślonym ,podobnie jak elektrony lub fotony ,które ma badać. Wobec tego należy zmusić go do podjęcia decyzji (redukcja funkcji falowej aparatu !),przez pomiar nad nim dokonany przez drugi aparat itd.. W ten sposób kwantowa superpozycja stanów może objąć całe laboratorium i znacznie więcej.John von Neumann przedstawił matematyczny [6] model nieskończonego ciągu aparatów pomiarowych, w którym każdy aparat następny mierzy stan aparatu poprzedniego, ale informacja o wyniku nie jest przekazana do eksperymentatora, czyli żaden akt pomiaru w tym nieskończonym łańcuchu nie powoduje redukcji funkcji falowej.Ciąg ten jednak musi zakończyć się na świadomym obserwatorze, jeśli ktoś chce mieć wiedzę o wynikach poszczególnych aktów pomiarowych. I wtedy jednak następuje łańcuch aktów kolapsu (redukcji)paczek falowych, wydarzeń ściśle przypadkowych, indeterministycznych i nieodwracalnych.W roku 1957 ,doktorant J.Wheelera- Hugh Everett zaproponował teorię wielu światów, jako model aktów pomiarowych w mechanice kwantowej, bez procesu kolapsu (redukcji) paczki falowej obiektu kwantowego i bez roli obserwatora[7].W teorii tej zakłada się ,że za każdym razem, kiedy obserwator musi dokonać kwantowego wyboru, cały wszechświat rozszczepia się na tyle kopii samego siebie( łącznie z obserwatorem w każdej), ile potrzeba, by zrealizować każdy możliwy wynik składowy superpozycji.W eksperymencie z kotem Schroedingera ,wszechświat dzieli się na dwie kopie z dwoma identycznymi obserwatorami. W jednej kopii wszechświata, obserwator po otwarciu pomieszczenia, widzi kota żywego , w drugiej- drugi obserwator widzi kota martwego. Według tej teorii, przed obserwacją, kot był albo żywy, albo martwy, a nie w superpozycji stanów “żywy/martwy”, a podczas aktu obserwacji nie było również żadnej redukcji funkcji falowej. Każdy obserwator sądzi, że zamieszkuje jedyny wszechświat, i nie istnieje łączność między obserwatorami z różnych wszechświatów.Formalizm matematyczny teorii wielu światów opiera się na pojęciu funkcji falowej całości wszystkiego co istnieje ( R.Penrose proponuje nazwę na tę całość: “ omnium”,[8]), podlegającej superpozycji nieskończonej liczby stanów-wszechświatów kopii w superprzestrzeni.Teoria wielu światów Everetta nie wzbudziła wielkiego zainteresowania, przypuszczalnie z powodu horrendalnej ontologii, polegającej na “produkcji” nieskończonego multiświata(“multiverse”), ale kilkanaście lat później utalentowany fizyk Bryce DeWitt z Uniwersytetu Północnej Karoliny, ze swym doktorantem Neillaem Grahamem nadał jej bardziej przejrzystą matematyczną formę [9].Zgodnie z nią, wszechświat stale rozszczepia się na ogromną liczbę gałęzi, gdyż przejścia kwantowe zachodzą w każdej chwili na każdej gwieździe i w każdej galaktyce. Kolejne kopie rozpadają się na dalsze, ale skoro wszechświat jest skończony (według OTW Einsteina), tak co do ilości materii, jak i objętości czasoprzestrzeni, to liczba gałęzi (tj. wszechświatów równoległych zwanych przez DeWittea- “maverick worlds”) musi być skończona i jest rzędu 10E100.W latach 80-tych oraz 90 -tych ub.wieku, teoria wielu światów Everetta – DeWitta doczekała się bardzo poważnych uzupełnień i wzmocnień, szczególnie w pracach Davida Deutscha [10] oraz Wojciecha Żurka, absolwenta krakowskiej AGH, pracującego wówczas w Los Alamos National Laboratory [11].Według Deutscha, liczba wszechświatów jest wielka ale skończona i podczas wyboru kwantowego dzielą się na dwie grupy a z biegiem czasu ich złożoność wewnętrzna wzrasta. Wszechświaty oddziaływują ze sobą (na poziomie mikroskopowym) ,mogą się np. łączyć i ta hipoteza (łączenia) wyjaśnia doświadczenie Younga.W momencie gdy foton staje przed wyborem jednej z dwóch szczelin, ”omnium “ dzieli się na dwie kopie i w jednej kopii foton wybiera jedną szczelinę a w drugiej, druga kopia fotonu wybiera drugą szczelinę. Następnie, w przestrzeni pomiędzy szczelinami a detektorem ,obie kopie ponownie łączą się ,interferują i dają obraz interferencyjny. Niektórzy oceniają ,że taka wersja interpretacyjna jest podobna do sumowania po trajektoriach R.Feynmana.Multiwszechświat nie posiada zewnętrznego obserwatora i tym samym znikają wszystkie paradoksy pomiaru oraz fenomen decydującej roli świadomości, o którym mówi kopenhaska interpretacja QED.W wersji Deutscha teorii wielu światów, przedstawiony jest projekt eksperymentalnego sprawdzenia teorii za pomocą kwantowej interferencji w “mózgu” sztucznej inteligencji (jeżeli takowa będzie zbudowana)[12].W wariancie teorii wielu światów Deutscha, występuje natychmiastowa zmiana stanu całego wszechświata, co zmusiło autora do przemyślenia na nowo czasu kosmologicznego i takich pojęć jak początek “omnium”(Bing Bang), przeszłość i przyszłość. W cytowanej pracy, Deutsch neguje istnienie procesu “płynięcia’ czasu ,”strzałki czasu” i interpretuje przeszłość oraz przyszłość, jako szczególne przypadki wielu światów Everetta-DeWitta.Interpretacja filozoficzna głównych paradoksów QED (superpozycji stanów, procesów U oraz R) zaprezentowana przez Wojciecha Żurka [11] jest właściwie zmodyfikowaną i rozbudowaną wersją teorii wielu światów, przez wprowadzenie trzech fundamentalnych pojęć : dekoherencji, teorii wielu historii oraz koherentnych(spójnych) historii.Zachowanie klasyczne dowolnego układu fizycznego występuje wówczas, gdy wzrasta nasza niewiedza o tym układzie, czyli gdy jest do pominięcia funkcja falowa “psi”..W doświadczeniu Younga, gdy sprawdzamy przez którą szczelinę przechodzi foton, pomijamy istnienie drugiej szczeliny i układ zaczyna zachowywać się klasycznie. gdy pozwalamy by dwie szczeliny były czynne wykorzystujemy całą dostępną informację o układzie i układ zaczyna się zachowywać nie klasycznie, rządzi nim funkcja falowa “psi”.Matematycznie, dekoherencja polega na wyznaczeniu wpływu otoczenia na ewolucję funkcji “psi”, który to wpływ, powoduje zanik koherencji(spójności) składowych stanów i kot Schroedingera jest albo żywy albo martwy, a nie w stanie mieszanym. Czynnik zewnętrzny nawet minimalnej wartości , według niemieckiego fizyka Dietricha Zeha (1970), powoduje zniekształcenie funkcji falowej i to wystarcza do tego, by znikła idealna superpozycja stanów “kot żywy + kot martwy”.Gdy przejdziemy do opisu całego wszechświata ,rozmiar naszej niewiedzy ogromnie wzrasta(dekoherencja funkcji falowej “omnium”),i wszechświat jako całość zachowuje się klasycznie.Następnie W.Żurek przechodzi do ewolucji wszechświata i formułuje model” “wielu historii” a w nim pojęcie “ spójnych “ historii”.Kwantowa kosmologia dopuszcza nieskończenie wiele możliwych kwantowych stanów wszechświata ( wektorów stanu “psi” omnium), począwszy od momentu Wielkiego Wybuchu.Jednak największe prawdopodobieństwo na przeżycie, mają stany klasyczne ,najłatwiej przewidywalne. Ten proces selekcji stanów w ewolucji “ omnium” Żurek nazywa “sitem przewidywalności”. Sito wybiera stany klasyczne, a ich historia jest spójna (koherentna), ponieważ odznacza się korelacją pomiędzy naszą pamięcią, a zapisem przeszłych wydarzeń.Zgodnie z tym, to co obserwuje obserwator, nie jest funkcją falową całego wszechświata lecz zbiorem kilkunastu cech gałęzi omnium (lub wiązki gałęzi),które są spójne z jego pamięcią oraz z zapisami przeszłych wydarzeń.Istnieje projekt eksperymentu pomyślanego autorstwa Paza i Mahlera [13], sprawdzający czy historie stanów istnieją obiektywnie czy wyłącznie w pamięci obserwatora. Sprawdzenie ma się odbyć za pomocą tzw. czasowej wersji nierówności Bella.Jak wiadomo, w rzeczywistych eksperymentach Aspecta i jego zespołu( powtarzanych przez zespół Zeilingera) wykazano, że obiekty kwantowe zachowują się tak, jakby nie istniała między nimi przestrzeń. W projektowanym eksperymencie Paza-Mahlera, być może sprawdzone zostanie, czy obiekty kwantowe zachowują się tak, jakby między nimi nie istniał upływ czasu. Literatura[1] E.Schroedinger,Collected Papers on Wave Mechanics,N Y,1978[2]J.Bell,Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics,Cambridge,1987[3]A.Pickering,Constructing Quarks,Edinburgh,1984[4] Physical Review,tom 47,s 777-780,1936[5] M.Born,The Born-Einstein Letters,London,1971[6]J.v.Neumann,Mathematical Foundations of Quantum Mechanics,Princeton,N Y,1955[] Reviews of Modern Physics,tom 29,s.454,1957[6] Physics Today,tom 23,nr.9,s.30,1970[7] B.S.DeWitt,N.Graham, The Many-Worlds Interpretation of Quantum Mechanics,Princeton,N Y,1973[8]R.Penrose, Makroświat, mikroświat i ludzki umysł,Warszawa,1997,[9]B.S.DeWitt,N.Graham, The Many-World Interpretation of Quantum Mechanics,Princeton,N Y. 1973[10] D.Deutsch,The Fabric of Reality,London,1995[11] J. A. Wheeler and W. H. Żurek, eds., Quantum Theory and Measurement ,Princeton ,N Y, 1983[12] P.Davies,J.Brown , Duch w atomie,Warszawa,1996,s.118-120[13] G.Mahler, Experimental Demonstration of Coherent Quantum Feedback,Monachium,2002
No modern scientist comes close to Einstein's moral as well as scientific stature (John Horgan)
Nowości od blogera
Inne tematy w dziale Kultura
