Na początek przypomnę paradoks Schrödingera, aby upewnić się, że każdy czytający będzie rozumiał, o co w nim chodzi, bo z tym bywa różnie. Schrödinger co do zasady był bardzo dużym sceptykiem teorii mechaniki kwantowej, dostrzegał w niej w wiele elementów, które na "chłopski rozum" nie miały za grosz sensu. W wyniku jednego z rozważań nad tematem superpozycji powstał właśnie "kot Schrödingera", czyli eksperyment myślowy, który próbował zracjonalizować jak zachowania, które postuluje teoria mechaniki kwantowej, będą wyglądać w otaczającej nas rzeczywistości. Schrödinger zaproponował więc pudełko, w którym umieścimy 5 rzeczy: kota, fiolkę z trującym gazem, młotek, licznik Geigera oraz cząstkę promieniotwórczą, która ma 50% szansy na emisję kwantu promieniowania jonizującego. Mechanizm działania wygląda tak, że cząstka w wyniku połowicznego rozpadu wypromieniuje kwant energii lub tego nie zrobi. Jeżeli dojdzie do emisji, to miernik wykryję tę sytuację, zwolni blokadę młotka, który rozbije fiolkę z trującym gazem, a od jego stężenia kot umrze. Jeżeli do emisji jednak nie dojdzie, to cały proces nie zostanie uruchomiony, a kot będzie żył. W klasycznym rozumowaniu po czasie połowicznego rozpadu możemy powiedzieć, że kot miał 50% szans na przeżycie. Ma jasno zdefiniowany stan i teraz w pudełku kot jest żywy lub martwy. Jednak w rozumieniu mechaniki kwantowej, dopóki nie dokonamy obserwacji poprzez zajrzenie do pudełka, kot znajduje się w superpozycji, czyli przyjmuje wszystkie możliwe stany jednocześnie wraz z odpowiadającymi im prawdopodobieństwami (w tym przypadku 50:50), a więc jednocześnie żyje i nie żyje, do czasu otwarcia kartonu.

Choć może dla kota brzmi to bezsensu (bo i takie jest), liczne eksperymenty potwierdziły doświadczalnie dokładnie takie zachowanie kwantów, a wśród nich chyba najbardziej znany eksperyment Younga z podwójną szczeliną. Tutaj muszę się zatrzymać nad dygresją, gdyż ze szkolnych lekcji fizyki, w większości z tego, co pamiętam, eksperyment ten przedstawia się w ujęciu z początków 19 wieku, co potwierdzało, że strumień światła zachowuje się jak fala. Jednak w późniejszym czasie, gdy technologia pozwoliła emitować pojedyncze cząstki (najpierw elektrony, a potem fotony), eksperyment ten był powtarzany. Okazało się, że nawet w takim podejściu po wyemitowaniu dużej liczby cząstek, ale pojedynczo, przyjmują one kształt na ekranie, którego oczekiwalibyśmy od fali, czyli kilku pionowych pasków. Ewidentnie widać, gdzie są wzmocnienia, a gdzie wyciszenia na skutek nakładania się fal:
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/bf/Electron_buildup_movie_from_%22Controlled_double-slit_electron_diffraction%22_Roger_Bach_et_al_2013_New_J._Phys._15_033018.gif

Okazało się więc, że nie tylko strumień cząstek zachowuje się jak fala, ale pojedyncza cząstka też podlega zjawiskom dyfrakcji oraz interferencji. Kolejne eksperymenty pokazały też, że w istocie cząstki przechodzą na raz przez obie szczeliny, co potwierdzało superpozycję, gdyż taka sytuacja jest możliwa, jeżeli cząstka przemieszcza się równolegle po wielu trajektoriach oraz co jeszcze ciekawsze, że załamanie funkcji falowej poprzez obserwację cząstek to też fakt. Do szczelin zamocowano detektory cząstek, aby ustalić, którą szczeliną przemieszcza się cząstka. Jednak gdy je włączono (wystarczyło włączyć go na chociaż jednej ze szczelin) wzorzec dyfrakcyjny znikał i jego miejsce zastępował obraz z dwoma paskami, którego spodziewalibyśmy się od makroskopowej rzeczywistości (np. gdyby szczeliną rzucać piłki): https://i.sstatic.net/KsBd6.gif
Sam fakt obserwacji wystarczył, aby załamać funkcję falową, a cząstki przyjęły określony stan. Dokładnie jak (nieco prześmiewczo) przewidział Schrödinger z otwarciem pudełka. Jako bonusową ciekawostkę dodam, że skoro nawet cząstki mogą podlegać dyfrakcji, zaczęto się też zastanawiać czy inne obiekty są do tego zdolne. Okazuje się, że hipotetycznie tak. Dlaczego hipotetycznie? Długość fali maleje wraz ze wzrostem masy obiektu. Dla obiektu wielkości i masy przeciętnego człowieka szacuje się, że długość fali wynosi około 10^-36m. Byłaby więc potrzebna szczelina kilkanaście rzędów węższa niż średnica atomu, a przeciśnięcie przez nią tak dużego obiektu nie byłoby możliwe.

Pozostaje tylko jedna kwestia, która może budzić wątpliwości. Skoro kwantowa rzeczywistość zachowuje się tak dziwnie, dlaczego tych "dziwnych" efektów nie obserwujemy w makroskali? Np. dlaczego ile razy nie upuszczę potłuczonej szklanki, wynikiem takiego działania raz na jakiś czas nie będzie szklanka "poskładana"? Dzieje się tak za sprawą tzw. uśrednienia stanu kwantowego na skutek ogromnej liczby kwantów. Widać to też na przykładzie eksperymentu z podwójną szczeliną. Jeżeli wyemitujemy na przykład 3 fotony, możliwe, że raz na jakiś czas żaden z nich nie trafi w bardziej "centralne prążki", tylko te na zewnątrz. Będzie to mało prawdopodobne, ale nie jest to niemożliwe. Jednak emitując ich wiele, za każdym razem będzie to coraz bardziej przypominać rozkład jak w ciągłym strumieniu, a efekt będzie tym bardziej podobny, im więcej będzie tych cząstek.
Można to trochę porównać do sytuacji, w której kwanty bez przerwy i w dużych ilościach rzucają kostką sześcienną. Wypadają liczby od 1 do 6, ale jedyne co możemy zaobserwować naszym wzrokiem to średnią z takich rzutów. Nawet jeśli jakieś z nich będą rzucać dość często np. 6, w średniej zatrze się to i jedyne co będziemy widzieć to 3.5 będące wartością oczekiwaną takich zdarzeń, pomimo że nawet nie ma takiej wartości na kostce. Ile razy nie powtórzymy tego eksperymentu, średnia zawsze będzie zawsze oscylować wokół 3.5 na skutek prawa wielkich liczb, które biorąc pod uwagę, ile fotonów emituje hipotetyczna żarówka na sekundę (https://zapytajfizyka.fuw.edu.pl/pytania/ile-fotonow-emituje-zarowka/), bardzo dobrze przybliża umowną nieskończoność zdarzeń losowych.

Wróćmy jednak do tematu przyjaciela. Fizyk Eugene Wigner, również sceptyk teorii kwantowej, zauważył jednak, że kot, który jest jednocześnie żywy i martwy, to najmniejszy problem w tym wszystkim. Postanowił on, by pójść dalej w swoich rozważaniach i zaproponował, aby wspomniany układ kota, pudełka i obserwatora zamknąć w pokoju z drzwiami, za którymi stoi kolejny obserwator (stąd przyjaciel). W tym wypadku dochodzimy do jeszcze większych niedorzeczności według zwykłego rozumu. Przede wszystkim dla zewnętrznego operatora (Z) układ w pokoju jest w superpozycji. Kot jednocześnie żyje i nie żyje, a obserwator wewnętrzny (W) otworzył i nie otworzył pudełka. Można też doprowadzić do częściowego załamania funkcji falowej. Umówiliśmy się, że obserwator (W) zasygnalizuje obserwatorowi (Z), że pudełko otworzył (nie mówiąc, co widzi). W tym momencie dla (Z) istnieją dwie rzeczywistości. Jedna wynika z częściowej superpozycji, gdyż nie otworzył drzwi, więc z tej perspektywy kot nadal żyje ORAZ nie żyje (jednocześnie), a z perspektywy otrzymanej informacji od (W) natomiast załamała się funkcja falowa co do stanu pudełka (na pewno jest otwarte). Tylko w takim razie musi z tego wynikać, że kot żyje ALBO nie żyje. Jednak jak wiadomo, w klasycznej logice matematycznej jednoczesne zachodzenie koniunkcji (AND) oraz alternatywy rozłącznej (XOR) nie jest możliwe. Co więcej (W) widzi kota w jakimś stanie (załóżmy, że żyje), to jeśli (Z) załamie funkcję falową przez otwarcie drzwi, konsekwentnie nic nie powinno stać na przeszkodzie, by w wyniku tego zdarzenia (Z) mógł zaobserwować, że kot nie żyje. Prowadzi to do irracjonalnych wniosków, że dwaj różni obserwatorzy mogą wtedy widzieć dokładnie tę samą rzeczywistość na dwa różne sposoby i nie jest możiwym stwierdzić, kto obiektywnie ma rację.

Okazuje się jednak, że zdrowy rozsądek nie zawsze musi działać, a już na pewno nie w świecie kwantów. W 2019 roku Massimiliano Proietti z Heriot-Watt University w Edynburgu przeprowadził wraz z zespołem eksperyment, który zdaje się potwierdzać, że paradoks przyjaciela Wignera, może wcale nie być niemożliwy. Wykorzystał on teoretyczną metodę zaproponowaną przez innego naukowca, Caslava Bruknera, który wskazał, jak można sztucznie doprowadzić do związania cząstek na poziomie kwantowym w taki sposób, aby odtworzyć sytuację postulowaną przez Wignera.

Użyto 6 związanych kwantowo fotonów, aby stworzyć dwie alternatywne rzeczywistości. Jedną reprezentującą Wignera (obserwator zewnętrzny) oraz drugą reprezentującą jego przyjaciela (obserwator wewnętrzny). Obserwator wewnętrzny zmierzył polaryzację fotonów i zapisał wyniki. Następnie obserwator zewnętrzny przeprowadził pomiar interferencyjny, aby określić, czy poprzedni pomiar i fotony znajdują się w superpozycji.

Eksperyment ten dał jednoznaczny rezultat. Okazuje się, że obie rzeczywistości mogą współistnieć, mimo że dają wyniki nie do pogodzenia, tak jak przewidział Wigner.

Takie zachowanie niejako zmusza nas do ponownego rozważenia istoty tego, czym właściwie jest rzeczywistość. Zauważmy, że do tej pory ludzkość budowała wiedzę naukową jako kolektyw. Na przykład weźmy takie twierdzenie o swobodnym spadku Galileusza, który podważył panujące na tamten czas przeświadczenie, że cięższe przedmioty spadną szybciej. W klasycznej fizyce wystarczyło, że wejdzie na wysoką wieżę z dwiema kulami, jedną wykonaną z lekkiego stopu, a drugą z np. ołowiu i ile razy nie powtórzy eksperymentu z ich upuszczeniem, otrzyma dokładnie ten sam wynik. Nawet najbardziej nieprzekonane osoby będą w końcu musiały się ugiąć, bo same mogą zrobić dokładnie to samo i wynik, ani jego postrzeganie w żaden sposób się nie zmieni. Oczywiście czasem też możliwość doświadczalnego potwierdzenia może być oddalona w czasie przekraczającym życie autora (np. Einstein i fale grawitacyjne), ale mechanizm budowania samej wiedzy w zasadzie się nie zmienia, bo każdy obserwator może zaobserwować przy dostatecznie rozwiniętej technologii obiektywnie to samo, niezależnie, kiedy w przeszłości ktoś postulował teorię. Taka sytuacja jednak nie ma miejsca w mechanice kwantowej i nie wynika z braku technologii na dany moment, lecz jest konsekwencją samej natury kwantowego świata, w tym np. zasady niezonaczoności. Nie tylko jeden obserwator, powtarzając eksperyment, może ujrzeć różne wyniki, co było już dla nas raczej jasne od czasu eksperymentu z podwójną szczeliną, ale w odpowiednich warunkach splątania kwantowego dwaj obserwatorzy, dokonując pomiaru tego samego eksperymentu, mogą otrzymać sprzeczne obserwacje. Zatem jak stwierdzić, kto obiektywnie rzecz biorąc, ma rację?

Formalnie, abyśmy mogli mówić o obiektywnej rzeczywistości, potrzebne są trzy rzeczy:
1. Uniwersalne fakty istnieją i obserwatorzy mogą się na nie zgodzić
2. Obserwatorzy mają wolność w podejmowaniu decyzji odnośnie do tego, co chcą obserwować
3. Zasada lokalności, czyli wybory podejmowane przez jednego obserwatora nie mają wpływu na wybory innego obserwatora.

Jeżeli obiektywna rzeczywistość istnieje, muszą zachodzić wszystkie te trzy warunki. Jednak jak przewidywała teoria i poniekąd potwierdził to eksperyment, co najmniej jedno z tych założeń w świecie kwantów powinno być fałszywe. Oczywiście trzeba brać też pod uwagę możliwe błędy w eksperymencie, ale trzeba przyznać, że wizja świata naukowego bez obiektywnej prawdy jest... ujmując to eufemistycznie... dość ciekawa...
Nie trzeba się też oczywiście przejmować tym w naszej codziennej uśrednionej kwantowo makroskali, więc możliwy "brak obiektywnej rzeczywistości" pozbawiony tego kontekstu to taki quasi-klik bajt z mojej strony ;-)

Żródła:

@misterio
Jak będzie organizowana ZP fcbarca.com - masz mój głos :D

@misterio przeczytałem całe, bo lubię takie rzeczy, a o przyjacielu Wignera nie słyszałem. Na dowód, że przeczytałem wkleiłeś ten sam tekst pod koniec dwa razy :] ostatni post po mniej więcej 1/3 jest kopią.

@arasz1819 tak poprawiłem, bo wyłapałem. Kopiowanie na telefonie ssie :(