Świat to tylko wrażenie

Piotr Cieśliński, Tekst pochodzi z portalu Gazeta.pl, 4/20/2007

Zdrowy rozsądek mówi, że istnieje obiektywna rzeczywistość, którą naukowcy usiłują zgłębić. Nic z tego - piszą fizycy w dzisiejszym "Nature". Dowodzą oni, że w mikroświecie nic nie jest określone, dopóki tego nie zobaczymy


Wiara w realność świata była podstawą nauki od czasów Newtona po Einsteina. Ich teorie opierały się na założeniu, że planety poruszają się po swych orbitach, jabłka spadają z drzew, a fale rozbijają się o brzegi morza bez względu na to, czy i w jaki sposób ktoś je obserwuje. Zadaniem nauki miało być precyzyjne ustalenie, według jakich praw ten zewnętrzny świat się kręci.

Tym prostym obrazem zachwiała mechanika kwantowa - teoria, którą wymyślono w pierwszych dekadach zeszłego wieku, żeby wyjaśnić zjawiska zachodzące w mikroświecie. Klasyczne teorie świetnie radziły sobie z opisem dużych obiektów, takich jak wahadła czy planety, ale zawodziły w obliczu cząstek, atomów i molekuł. Dopiero dzięki fizyce kwantowej stały się zrozumiałe m.in. związki chemiczne, własności elektryczne i magnetyczne substancji, zjawiska topnienia i krzepnięcia. Na jej podstawie zbudowano lasery, tranzystory, całą współczesną elektronikę.

Zupełnie nie na zdrowy rozum

W swej warstwie pojęciowej jest sprzeczna z intuicją. Przede wszystkim nakłada ograniczenia na nasze możliwości poznawcze. W fizyce klasycznej nic nie zabraniało jednoczesnego pomiaru zarówno położenia cząstki, jak i jej prędkości. A w kwantowym mikroświecie obowiązuje zasada Heisenberga - albo precyzyjnie zmierzymy prędkość, albo położenie. Jednego i drugiego naraz się nie da. Podobnie jest z innymi mierzalnymi wielkościami, np. czasem i energią.

Co więcej, teoria mówi, że każda cząstka może przebywać w wielu stanach (położenia, prędkości, energii) jednocześnie. Rozdwaja się? Nie. Jest jednocześnie i tu, i tam. Choć kiedy ustalamy jej położenie za pomocą kliszy fotograficznej lub innego detektora, to ujawnia się tylko w jednym punkcie, jak zdrowy rozsądek nakazuje. Tyle że nie wiemy z góry, gdzie to nastąpi. Możemy tylko wyliczyć prawdopodobieństwo, że pojawi się tu lub tam.

Inną niezwykłą konsekwencją kwantowej teorii są związki, jakie mogą istnieć między dwiema cząstkami, które choć raz się ze sobą zetknęły. Mogą one potem oddalić się w przeciwne krańce Wszechświata, ale wyniki wykonywanych na nich pomiarów są tajemniczo powiązane, choć z powodu oddalenia nie powinno być między nimi żadnego fizycznego kontaktu. Poza tym każdy pomiar - jak to w mechanice kwantowej - jest obarczony niepewnością. A mimo to tuż po zmierzeniu jednej z cząstek (np. jej pędu, polaryzacji), możemy obstawiać w ciemno, jaki wynik da taki sam pomiar dla drugiej, choć ta może być w tym momencie na Marsie.

Ktoś mógłby zauważyć, że to da się wyjaśnić. Kiedy te cząstki się stykały, to coś mogły między sobą uzgodnić. Jakieś wewnętrzne parametry, o których fizyka kwantowa milczy, a fizycy nic jeszcze nie wiedzą. I dlatego zachowują się jak bliźniaki.

Do istnienia takich "parametrów ukrytych" przychylał się sam Albert Einstein, któremu fizyka kwantowa była nie w smak. Uważał ją za przybliżoną teorię, która zostanie zastąpiona kiedyś przez dokładniejszą. A na razie trzeba się zadowolić jej niepewnością niczym prognozą pogody, jej ledwie "statystycznymi" przewidywaniami.

Od fizyki do filozofii

Nadzieje Einsteina podkopał jednak irlandzki fizyk John Bell, który w latach 60. wymyślił test na wykrycie "parametrów ukrytych". Okazało się, że żadne "parametry ukryte" nie istnieją. Koncepcja Einsteina upadła, a mechanika kwantowa wyszła z tej próby zwycięsko.

A to oznaczało, że trzeba zmienić nasze klasyczne pojęcie realności, przynajmniej wobec mikroświata. Przykładowo, nie powinniśmy wyobrażać sobie, że przed pomiarem położenia elektronu ta cząstka w ogóle gdzieś się znajduje. - Obiekt, którego położenia nie możemy w żaden sposób ustalić, z którym nie oddziałujemy, nie ma położenia. Ono się objawia i realizuje tylko w akcie pomiaru - mówi prof. Marek Żukowski, fizyk z Uniwersytetu Gdańskiego. W ten sam sposób interpretował mechanikę kwantową jeden z jej twórców Niels Bohr.

Część fizyków wciąż jednak kręciła nosem na tak daleko idące filozoficzne konsekwencje. Żeby powrócić do poprzedniego, bardziej intuicyjnego obrazu świata, byli gotowi zrezygnować z tzw. postulatu lokalności. To fundamentalne w fizyce założenie, że na zachowanie cząstek ma wpływ tylko to, co się dzieje w ich bezpośrednim otoczeniu; że nie ma żadnego natychmiastowego kontaktu między odseparowanymi od siebie cząstkami. Jeśli natura dopuszcza jednak tajemniczy wpływ na odległość, to możliwe, że "parametry ukryte" istnieją. Istnieje też niezależna od naszych obserwacji realność, lecz jest to świat "nielokalny", w którym to, co się dzieje w jednym miejscu, może mieć natychmiastowy wpływ na zjawisko oddalone o tysiące kilometrów.

Filiżanka istnieje, bo na nią patrzę

Jednak w najnowszym "Nature" grupa fizyków z Austrii i współpracujący z nimi prof. Żukowski z Gdańska opisują eksperyment z parami splątanych fotonów, który wyklucza taką "nielokalność" świata. - A zatem klasyczny realizm chyba należy odrzucić - komentuje prof. Żukowski.

- Nie wszystko, co obserwujemy, istnieje niezależnie od naszych obserwacji - dodaje prof. Anton Zeilinger z Uniwersytetu w Wiedniu.

- A filiżanka z kawą na moim biurku istnieje wtedy, gdy na nią nie patrzę? - upewniam się.

- Żeby być w stanie kwantowym, nieokreślonym, trzeba być izolowanym od zewnętrznych zaburzeń, wpływów, m.in. światła, które pada na filiżankę.

- Gdyby więc udało się ją odizolować w jakimś pudełku, to...

- ...otwieramy pudełko i widzimy, że ona stoi z uszkiem skierowanym na północ. Fizyka klasyczna zapewnia, że mógłbym się założyć, że ona tak stała, zanim jeszcze tam zajrzeliśmy. Ale nasz eksperyment udowadnia, że to rozumowanie jest błędem. Wcześniej bowiem filiżanka "istniała" we wszystkich możliwych orientacjach, możliwych stanach. Kiedy patrzymy na nią, dostajemy tylko jedną z możliwych odpowiedzi. Założenie, że to, co widzimy, istniało przed obserwacją i niezależnie od niej, jest więc błędne.

- Co pan rozumie przez obserwację?


- Pewien przepływ informacji z obserwowanego obiektu na zewnątrz. Ta informacja może być wykorzystana (np. stworzyć obraz na siatkówce oka) lub też nie. Co ciekawe, kiedy niezależny obserwator nie wykorzysta tej informacji, to można ją zniszczyć. Wtedy filiżanka wraca znowu do stanu kwantowego. Wciąż jeszcze w pełni tego nie rozumiemy. Wielu fizyków jednak nie dba o filozoficzne aspekty mechaniki kwantowej. Wystarcza im, że daje poprawne wyniki dla eksperymentów.

Nic dziwnego, że Niels Bohr mawiał: "Gdy ktoś powiada, że może rozmyślać o mechanice kwantowej bez zawrotów głowy, to znaczy, że jeszcze nic z niej nie zrozumiał".

Piotr Cieśliński
-------------------------------------------------

1. O co chodziło w tych badaniach?

Artykuł dotyczy podstaw mechaniki kwantowej - jej możliwych
interpretacji. Wiemy juz, ze niemożliwe jest zrozumienie przewidywań kwantowo-
mechanicznych w oparciu o klasyczny światopogląd.
Jest to światopogląd, w którym (i) obiekty fizyczne mają dobrze
określone właściwości niezależnie od tego czy są one obserwowane czy
tez nie (realizm), oraz (ii) odległe obiekty (zdarzenia) są od siebie
niezależne (lokalność, wynikająca w teorii względności Einsteina).
Powstaje pytanie jak zatem można interpretować mechanikę kwantowa?
Które z wymienionych założeń są nieprawdziwe? Duża cześć fizyków obstawia, ze
to lokalność zawodzi. Często słyszy się słowa "mechanika kwantowa jest
nielokalna". W nowej pracy uogólniliśmy nierówność Leggetta (Nobel, 2003),
którą spełniają przewidywania pewnej "naturalnej" grupy teorii *nielokalnych* i realistycznych. Następnie przeprowadziliśmy, wraz ze słynną grupą Zeilingera
(Wiedeń) bardzo precyzyjny eksperyment, w którym wyprowadzona nierówność
została złamana zaś potwierdzono przewidywania kwantowe. Oznacza to, ze
omawiana klasa alternatywnych teorii nie może wyjaśniać zjawisk kwantowych. W
szerszym kontekście wyniki te stawiają założenie realizmu pod dużym znakiem
zapytania, poniważ musiał by mieć postać bardzo „wynaturzonej” teorii
nielokalnej

2. Czym jest realizm lokalny?

Realizm to pogląd, ze obiekty fizyczne niosą ze sobą informację o wszystkich
pomiarach które możemy na nich wykonać. Np nie wie pani ile mam pieniędzy w
lewej kieszeni moich spodni, ale wie pani ze jest tam jakaś ich ilość – od zera
do powiedzmy miliarda. To jest właśnie spojrzenie realistyczne – każdej chwili,
czy to sprawdzamy (mierzymy!) czy nie, w mojej kieszeni jest tyle pieniędzy ile
jest.
Teoria kwantów nie zakłada czegoś takiego – nasz eksperyment wzmacnia pogląd,
że także natura nie wyznacza obiektywnych własności cząstek kwantowych. Realizm
jest dodatkowo lokalny, gdy jest w zgodzie z teorią względności – gdy
zakładamy, że żadne oddziaływanie nie rozchodzi się z prędkością większą niż
prędkość światła.


3. Czy ten eksperyment obala teorie Einsteina?

Nasze odkrycie obala poglądy, podkreślam poglądy, Einsteina na fizykę kwantowa,
ale nie jego wielkie dokonania w postaci teorii względności, itd. Ba, nawet
wzmacnia tę ostatnią. Część fizyków usiłuje wyjaśnić kwantowe paradoksy przy
pomocy teorii sprzecznych z teorią względności. To właśnie atakujemy – nasz
eksperyment pokazuje, że takie próby musza prowadzić do strasznie zwariowanych
teorii – bo „rozsądne” zostały sfalsyfikowane przez otrzymane przez nas dane
pomiarowe.

4. Jak to możliwe, że coś czego nie widzimy nie istnieje?


Można by powiedzieć za Einsteinem, że z teorii kwantów wynika, że
„że kiedy nie patrzymy na obiekt fizyczny, to nie można mu
przypisać żadnej cechy" (Czy jest Księżyc gdy nań nie patrzymy?)
Tak mniej więcej powiedział Einstein. ale był niezbyt precyzyjny.
Pomiar jest wynikiem oddziaływania z mierzonym obiektem kwantowym. To
oddziaływanie ma naturę fizyczna. Wiec aby zobaczyć cząstkę, nie
wystarczy patrzeć - trzeba ja oświetlić – czyli zmusić do oddziaływania ze
światłem (natomiast cząstki światła, fotony, wykrywamy poprzez ich
oddziaływanie z atomami). Cząstki nieoświetlonej nie
widzimy! Ogólnie moglibyśmy ją zarejestrować poprzez jakieś inne
oddziaływania niż elektromagnetyczne (słabe, silne). Czyli w przenośni
oświetlić takim oddziaływaniem. Jeżeli tego nie zrobimy to jej
nie zauważymy. Natomiast oddziaływanie grawitacyjne pojedynczej cząstki jest za
słabe aby mieć wpływ na nasze detektory - czyli cząstki
„nie zobaczymy” dzięki samej grawitacji. Zatem jeżeli nie oddziałujemy z
cząstką to ona dla nas nie istnieje. Objawia się tylko w momencie oddziaływania
z naszym detektorem. Zatem odrzucenie realizmu działa na zasadzie brzytwy
Ockhama – obiekt którego położenia nie możemy w żaden sposób ustalić, czyli
obiekt z którym nie oddziałujemy, nie ma położenia. Ono się objawia i realizuje
tylko w akcie oddziaływania. Ale w tym momencie to juz nie jest obiekt
nie oddziałujący.

Realizm zakłada, ze cząstki zawsze maja określone położenie, lub parametry
ruchu które dokładnie to położenie wyznaczają, bez względu czy
oddziałujemy z nimi czy nie.

Realizm mógł się utrzymać w postaci nielokalnej - nasz eksperyment
ogranicza takie teorie do klasy dość zwariowanych. Zatem postulujemy za
Bohrem ostateczne odrzucenie realizmu w opisie zjawisk kwantowych


5. Jak dwie odległe cząsteczki mogą na siebie oddziaływać?

Cząstki bardzo odległe nie mogą ze sobą oddziaływać. Fotony nawet blisko siebie
nie oddziałują ze sobą. Ale wszystkie cząstki mogą wykazywać korelacje (tzw.
korelacje Einsteina-Podoskiego-Rosena), zupełnie niezrozumiałe z punktu
widzenia zdrowego rozsądku i fizyki klasycznej. Takie właśnie korelacje
obserwowaliśmy w naszym eksperymencie.
Jakakolwiek próba opisu takich korelacji na sposób klasyczny (realistyczny)
prowadzi do konieczności wprowadzenia nielokalnych, sprzecznych z teoria
względności oddziaływań. Tych oddziaływań nie ma w teorii kwantów – są
natomiast paradoksalne korelacje.



-------------------------------------------------
Dla ciekawych przytoczę jeszcze tutaj wypowiedz prof. Wojciecha Zurka, ktory od
lat zajmuje się interpretacją mechaniki kwantowej (jest m.in. autorem dowodu na
to, że stanu kwantowego nie można sklonować). Niestety, nie byłem w stanie jej
wykorzystać w artykule (może kiedyś, przy innej okazji...):

When we set out to "find out something" about an object (for instance,
find out where it is), the very nature of this act presumes that this
"something" (for instance, its location) is real – that an object is
where it is independently of us. For familiar objects – chairs,
tables, coins, etc. – we can take this for granted. For instance, when
we toss a coin, we can find out later whether it landed "heads up".
How it landed is decided when it lands, not when we decide to find
out.

This is not so for in quantum theory. It predicts that properties of
atoms, photons, and electrons appear only when we measure them. They
will persist –measurement outcome will be the same -- only if we do
not ask any other (any different) question: Immediate re-measurement
of electron's position will confirm its location, but measurement of
something else (its velocity) will invalidate old position data.

This is weird, but quantum theory is only a theory – a very successful
theory, but still, a theory. Wise people (like Einstein) were
suspicious of it for precisely this reason. And chairs, tables, and
coins -- objects that inhabit our familiar world – are made out of
atoms, yet do not act strangely.

So it is fair to ask whether this "reality deficit" predicted by
quantum theory is indeed a feature of the building blocks of our
Universe, and (if the answer turns out to be affirmative) to wonder
how is it that large objects acquire "rights to own property" even if
they are made out of quantum pieces.

The experiment reported in NATURE extends answer established by
earlier experiments (based on incorrect but fruitful idea of Einstein)
by showing that pairs of photons cannot possess real properties. This
was demonstrated before individually for each photon in a pair.
Question remained as to whether a pair of photons can jointly own real
properties (after all, bank can make it hard for an individual to own
real estate, but say "yes" to a couple!).

The answer is still a resounding "no". Quantum prohibition on the
"right to own properties" extends also to properties that are
"nonlocal" – owned by pairs of photons. This outcome raises the
obvious question: How does reality of objects (such as coins) made out
of collections of quantum pieces (with no "property rights", no
"reality" even as a collection) arise in the world?

The key is the environment: In contrast to photons (where one can
apply quantum theory literally), coins, etc., are in contact with
their surroundings. Their environment in effect measures them, asking
the same question over an over all the time, and remembering the
answer. So the object simply gives – over and over -- the same answer.

Quantum theory not only allows it: This is its prediction. Human
observers – in contrast with laboratory experiments that test
"reality" -- never measure anything directly. We only intercept tiny
fraction of the photon environment with our eyes, and find out the
state of the system from these photons: You, the reader, are doing
precisely this while reading this page!

So, collectively, photon environment in effect "holds the deed" (in
multiple copies!) to properties of objects that scattered it. This
theory of quantum Darwinism is a natural extension of decoherence,
which explained why strange states (predicted by quantum theory) are
barred for large objects.

pozdrawiam
autor