Przygody Alicji w lustrzanej antymaterii. Kiedy skutek poprzedza przyczynę…


Alicja po drugiej stronie lustra, fizyka kwantowa, Alicja w Krainie Czarów, Lewis Carroll

 

„Alicja po drugiej stronie lustra” to podobnie jak „Alicja w Krainie Czarów” książka z zakresu fizyki kwantowej, co postaram się wam dzisiaj wykazać. Tym razem zostawimy już w spokoju czarne dziury (na tyle, na ile to możliwe) i przyjrzymy się bliżej lustru, przez które Alicja dostała się do lustrzanego domu, gdzie spotkała lustrzane owady…

Kiedy skończyłam dla was nagrywać pierwszy film z serii („Alicja w Krainie Czarów. Galaktyczny przewodnik po innych wymiarach„), niechcący odkryłam w internecie książkę Roberta Gilmore’a pt. „Alicja w Krainie Kwantów. Alegoria mechaniki kwantowej”. I nie ukrywam, że zmartwiłam się trochę, bo byłam przekonana, że dokonałam wielkiego, może nie przełomowego, ale jednak znaczącego odkrycia, a tymczasem temat zdaje się już być odkryty lata temu. Nie udało mi się zdobyć polskiego tłumaczenia, ale jak najszybciej nabyłam wydanie angielskie, wiedziona głównie ciekawością na ile nasze wnioski będą się pokrywały i czego jeszcze sama nie odkryłam. Tymczasem książka okazała się przewodnikiem po fizyce kwantowej z kategorii for dummies, wykorzystującym jedynie postać Alicji do roli narratorki. Także z jednej strony odetchnęłam z ulgą, bo nikt tematu przede mną jednak nie zgłębił, a z drugiej strony westchnęłam z zawodem, bo i do moich studiów nad Alicją nic nowego to nie wniosło. Niemniej jednak dzielę się informacją, że dzieło takie powstało. Może ktoś zechce skorzystać.

Problem pomiaru i kwantowa superpozycja

Według teorii kwantowej, możliwe jest realizowanie wielu scenariuszy równocześnie… ale tylko do momentu wykonania pomiaru! Przypomina to teorię równolegle rozgrywających się wariantów rzeczywistości Vadima Zelanda.

Kiedy na szybę pada strumień światła, to część tego strumienia przejdzie przez szybę, a część zostanie odbita lub pochłonięta. Ale skoro wszystkie fotony są identyczne to co decyduje o tym, jak zachowa się konkretny foton? Otóż foton zachowuje się w sposób zupełnie nieprzewidywalny i losowy, a sam proces padania na szkło w żaden sposób go nie determinuje.

Ale jeśli zastosujemy układ szkiełek i luster, dzięki czemu najpierw podzielimy wiązkę światła na pół na kawałku szkła, a następnie na drodze dwóch powstałych wiązek postawimy lustra, które pokierują owe wiązki na kolejne szkiełko, a na końcu umieścimy dwa detektory mierzące natężenie światła, to zaobserwujemy coś dziwnego. Detektory wcale nie zarejestrują po połowie natężenia padającej wiązki, albowiem obie wiązki są przecież falami i po ponownym nałożeniu na drugim szkiełku będą ze sobą interferować (czyli się wzajemnie wzmacniać lub wygaszać).

Co więcej, to samo stanie się jeśli zamiast wiązki światła wpuścimy do układu szkieł i luster (czyli interferometru) tylko jeden foton, który przecież nie może się podzielić na dwa bo jest niepodzielny i nie może interferować sam ze sobą. Foton zachowuje się tak, jakby podróżował dwiema drogami równocześnie. Jeśli znów użyjemy detektorów (tym razem umiejscowionych tuż za pierwszą płytką), aby sprawdzić czy foton oby na pewno się nie rozdwoi, to zawsze kliknie tylko jeden z nich, nigdy oba. Zupełnie jakby foton zarejestrował fakt, że jest obserwowany! Ale kiedy nikt nie patrzy, foton znów zachowuje się jakby podróżował obiema drogami naraz. Czyli to sam akt pomiaru sprawia, że foton jest TU albo TAM. Przed pomiarem położenie fotonu nie jest wcale dobrze określone. Kiedy foton podróżuje jednocześnie górną i dolną drogą to mamy stan superponowany czy też kwantową superpozycję dwóch, wykluczających się alternatyw.

I fotony nie są wcale tu wyjątkiem! Identycznie będą się zachowywać wszystkie inne cząstki, każy jeden elektron, proton czy neutron, z których jesteśmy zbudowani. One również znajdują się w nieskończenie wielu miejscach naraz. Cząstki te są jakby rozmyte w przestrzeni, dopóki ich położenie nie zostanie zmierzone. A oto i krótki fragment ze spotkania Alicji z Czarną Królową:

– Kiedy ty będziesz sobie odpoczywać – powiedziała Królowa – ja zdejmę miarę.
Wyjęła z kieszeni taśmę krawiecką z zaznaczonymi calami i zaczęła mierzyć ziemię, wtykając tu i ówdzie małe kołki.
– Jak się skończą dwa jardy – mówiła, umieszczając w ziemi mały kołek – powiem ci, co masz robić. (…) Jak się skończą TRZY jardy, powtórzę ci wszystkie wskazówki, na wypadek, gdybyś zapomniała, co masz robić. A jak się skończą CZTERY, powiem ci „do widzenia”. Jak się skończy PIĄTY, to sobie pójdę!

Einstein zwykł ten paradoks związany z problemem pomiaru kwitować słowami: Księżyc nie istnieje tylko dlatego, że patrzy na niego mysz. Ale czy faktycznie tak jest?

– A wiesz, że ja też zawsze myślałam, że Jednorożce to stworzenia, które istnieją tylko w bajkach! Nigdy w życiu żadnego nie widziałam!
– No to teraz już się ZOBACZYLIŚMY – powiedział Jednorożec. – Jeśli ty uwierzysz we mnie, to ja uwierzę w ciebie. Czy to uczciwa transakcja?

Problem pomiaru stawia nas przed pytaniem, w którym momencie przestaje obowiązywać zachowanie kwantowe, dopuszczające występowanie wszystkich stanów równocześnie, i można dokonać jednoznacznych obserwacji. Są rozmaite „rozwiązania” problemu pomiaru, ale żadne z nich nie zostało powszechnie przyjęte i znane przez naukę.

To świadomy umysł panuje nad materią? Wszystko dzieje się w umyśle. Opis stanów fizycznych za pomocą amplitud i superpozycja tych amplitud, kiedy jest więcej niż jeden możliwy stan, wszystkie te prawa, które rządzą układami kwantowymi, stosują się do każdej materialnej rzeczy na świecie. Takiej superpozycji nie doświadcza świadomy umysł. Świat fizyczny rządzony jest na każdym etapie przez zachowanie kwantowe i jakikolwiek czysto materialny układ, duży czy mały, zawsze opisany będzie kombinacją stanów i zawsze występować będzie amplituda dla wszystkiego, co może lub mogło się wydarzyć. Wybór dokonywany jest tylko wtedy, gdy sytuacja staje się przedmiotem uwagi świadomego umysłu. Dzieje się tak dlatego, że umysł jest czymś znajdującym się poza lub – w naszym przypadku – ponad prawami świata kwantowego. Nie mamy obowiązku robienia wszystkiego, co może być zrobione; wolno nam dokonywać wyboru. Kiedy coś obserwujemy, ta rzecz jest obserwowana; wie ona o tym, że ją obserwowaliśmy, Wszechświat wie o tym, że ją obserwowaliśmy, i od tego czasu pozostaje już ona w stanie, w którym ją zaobserwowaliśmy. To właśnie nasz akt obserwacji nadaje światu jednoznacznie określoną formę. Nie musimy mieć możliwości wybierania tego, co zobaczymy, ale wszystko, cokolwiek zaobserwujemy, staje się z tą chwilą jednoznacznie rzeczywiste. Cały świat materialny jest rządzony przez prawa mechaniki kwantowej, ale umysł ludzki wykracza poza świat materialny i nie ma jego ograniczeń. Jesteśmy zdolni do widzenia rzeczy w sposób jednoznaczny. Nie możemy wybierać tego, co zobaczymy, ale to, co widzimy, staje się rzeczywistością w świecie materialnym, przynajmniej wtedy, kiedy na to patrzymy. Gdy przestaniemy obserwować, wtedy, oczywiście, świat może ponownie wejść w swój charakterystyczny zbiór stanów mieszanych.

Nie ma najmniejszego znaczenia, czy obserwatorem jest żywa i świadoma istota, czy jest to tylko detektor. Wynik pomiaru w ogóle od tego nie zależy. To z kolei stawiałoby pod znakiem zapytania filozofię związaną z prawem przyciągania. Bo jeśli sprawczość wynika z faktu skierowania uwagi na dany element, ale obserwator nie musi być wcale świadomą istotą, to oznacza że byle lustro (czy to będzie prawdziwe lustro, czy tylko lustro wody, byle by odbijało obraz), ale też soczewka (równie dobrze soczeka naszego oka jak i soczewka wykoanana przez optyka)… każdy z tych elementów może kształtować naszą rzeczywistość! Oczywiście prawda ta, podobnie zresztą jak i cała optyka nie mogła być Carrollowi obca, gdyż jak pamiętacie, pasjonował się on oprócz matematyki także fotografią.

Wszyscy jesteśmy obywatelami wielu światów? Fotony, elektrony, neutrony, protony, czy jakiekolwiek inne cząstki, jesli nie są obserwowane to zachowują się, jakby były w wielu miejscach naraz. Każdy dowolny obiekt kwantowy, jeśli nie jest obserwowany, a mógłby ewoluować na kilka możliwych sposobów, to zrealizuje on je wszystkie równocześnie. W większości realnych sytuacji, każda cząstka jest nie tylko w dwóch, lecz w nieskończenie wielu miejscach jednocześnie, jakby rozmyta w przestrzeni.

Według poprzedniej hipotezy, reguły kwantowe stosują się do całego świata z wyjątkiem umysłów ludzi. Według tej hipotezy stosują się one do całego świata i wszystkiego co istnieje. Nie ma żadnego ograniczenia zasady superpozycji stanów. Jeśli obserwator patrzy na superpozycję stanów kwantowych, to należy oczekiwać, że on lub ona widzą wszystkie efekty właściwe dla występującego zbioru stanów. A oto, co się dzieje: jeden obserwator widzi wszystkie wyniki albo, mówiąc inaczej, obserwator również znajduje się w superpozycji różnych stanów, przy czym każdy stan obserwatora widział wynik odpowiadający jednemu ze stanów z początkowej mieszaniny stanów. Po prostu każdy ze stanów układu zostaje rozszerzony – opisuje również obserwatora w akcie patrzenia na ten konkretny stan. To trochę inaczej, niż nam się wydawało, ale wynika to stąd, że różne stany obserwatora nie wiedzą o sobie nawzajem. Gdy elektron przechodzi przez ekran z dwiema szczelinami, może przejść przez szczelinę po lewej lub po prawej stronie. Jest kwestią przypadku, którą sytuację zaobserwujecie. Możecie zobaczyć, że elektron przedostał się po lewej stronie, ale inne wasze ja będzie widziało elektron przechodzący z prawej. W momencie kiedy obserwujecie elektron, rozdzielacie się na dwie wersje samych siebie, z których każda rejestruje jeden z możliwych wyników. Jeśli te dwie wersje nigdy więcej się nie spotkają, to każda z nich pozostanie w całkowitej nieświadomości co do istnienia drugiej. Świat rozszczepił się na dwa światy z nieznacznie różniącymi się wariantami waszego ja. Oczywiście, ponieważ te dwie odmiany waszego ja będą później rozmawiać z innymi ludźmi, również dla nich potrzebujecie odmiennych wersji. W efekcie cały Wszechświat ulega rozszczepieniu. W tym przypadku na dwie części, ale gdy obserwacje będą bardziej złożone, rozszczepi się na więcej wersji.

Superpozycja stanów sprawdza się przy niewielkiej ilości cząstek naraz, ale zupełnie nie funkcjonuje w przypadku obiektów bardziej złożonych. Superpozycja różnych stanów zachodzi jedynie w stosunkowo małych układach, zawierających zaledwie kilka elektronów lub atomów i opisywanych jako mieszanina stanów, ponieważ zachodzi interferencja. Jeden stan nie miałby z czym interferować. Tak naprawdę nie ma dowodów na to, że interferencja zachodzi dla przedmiotów zawierających wiele cząstek. Ludzie wiedzą, że interferencja – a zatem superpozycja stanów – może zachodzić dla grup złożonych z niewielu cząstek, myślą więc, iż to samo musi dotyczyć także rzeczy bardziej skomplikowanych, złożonych z wielu atomów, ale aby jakiekolwiek stany mogły interferować, wszystkie atomy w każdym z oddzielnych stanów muszą dokładnie połączyć się z odpowiednim atomem w innych stanach. Atomów jest tyle, że jest to mało prawdopodobne. Wszelkie efekty ulegną uśrednieniu i ostatecznie pozostaną niezauważalne.

Interferencja spowodowana jest przez zmienne ukryte! Elektrony i inne cząstki zachowują się w zupełnie racjonalny i w istocie klasyczny sposób. Jedyna różnica polega na tym, że tutaj oprócz zwykłych sił działa na cząstki także specjalna siła kwantowa lub inaczej fala pilotująca. To wywołuje te dziwne zjawiska, które interpretujemy jako skutek interferencji. Każdy elektron rzeczywiście przechodzi przez jedną lub drugą szczelinę, porusza się potem w zupełnie przewidywalny sposób. Wszelka przypadkowość w układzie wynika z różnicy kierunków i wartości prędkości początkowych elektronów. Gdy elektrony przechodzą przez zagłębienia w potencjale kwantowym, wtedy siła kwantowa odchyli je, zupełnie jak koło rowerowe zaklinowane w szynie tramwajowej, większość elektronów ląduje więc w stosikach. W rezultacie otrzymujemy to, co nazywamy efektami interferencyjnymi.

Czas i równoczesność są iluzją…

Einstein napisał kiedyś, że różnica między przeszłością, teraźniejszością i przyszłością jest złudzeniem, ale trzeba przyznać, że jest to złudzenie uporczywe. W różnych kręgach duchowych przyjęło się uważać, że przeszłość nie istnieje bo już przeminęła, przyszłość nie istnieje bo jeszcze się nie wydarzyła, istnieje tylko TERAZ, które w dodatku nigdy się nie kończy. I przeróżni nauczyciele duchowi namawiają nas do praktykowania bycia TU I TERAZ. Oczywiście praktyka taka ma swoje dobre strony i nie mam zamiaru nikogo do niej zniechęcać, niemniej jednak chciałam zwrócić waszą uwagę, że również pojęcie TERAZ traci swój sens w kontekście teorii względności. Mogłabym się przykładowo zastanawiać, co teraz robią kosmici na innej planecie. Ale pojęcie równoczesności zależy od ruchu obserwatora. Więc jeśli ich planeta oddala się od nas z pewną prędkością, to dla nich np. papieżem wciąż może być Jan Paweł II. Jeśli zaś ich planeta przybliża się do nas, to na ich chwilę obecną już papież Franciszek może już nie żyć. Co więcej, gdy wokół wspólnego środka ciężkości szybko wirują dwie czarne dziury to mamy do czynienia z silnymi polami grawitacyjnymi zmieniającymi się w czasie i pojęcie TERAZ w takiej sytuacji kompletnie traci sens, gdyż zsynchronizowanie zegarów w pobliżu takich dwóch czarnych dziur jest zwyczajnie niemożliwe. Pojęcia TERAZ oraz RÓWNOCZESNOŚCI to zatem kolejne iluzje, jak zresztą cały czas. W wyniku ruchu z dużą prędkością zegary i wszystkie inne obiekty starzeją się wolniej. Również pole grawitacyjne spowalnia upływ czasu na znajdujących się w nim zegarach. W ramach teorii względności także róznice w pojęciach CZASU i PRZESTRZENI zacierają się, gdyż mamy tu CZASOPRZESTRZEŃ, którą można hiperbolicznie obracać.

– Przypomniało mi to – powiedziała Biała Królowa, spoglądając w dół i nerwowo splatając i rozplatając dłonie – że mieliśmy tu STRASZNĄ burzę w ostatni wtorek… to znaczy w jeden z wtorków ubiegłego tygodnia.
Alicja była bardzo zaskoczona.
– W NASZEJ krainie – zauważyła – mamy tylko jeden dzień tygodnia naraz.
Odezwała się na to Czarna Królowa:
– To bardzo ubogie i wąskie rozwiązanie. My TUTAJ gromadzimy dni i noce w grupach, zazwyczaj po dwa lub trzy, ale zimą zbieramy razem nawet pięć nocy, oczywiście po to, żeby było cieplej.
– Czy pięć nocy razem daje więcej ciepła niż jedna noc? – odważyła się zapytać Alicja.
– Oczywiście: pięć razy więcej.
– Ale według tej zasady powinno być też pięć razy zimniej…
– I jest! – zawołała Czarna Królowa. – Pięć razy cieplej i pięć razy zimniej RÓWNOCZEŚNIE, tak jak ja jestem pięć razy bogatsza niż ty i RÓWNOCZEŚNIE pięć razy od ciebie mądrzejsza!

Ruch jest także względny

Kiedy Galileusz podróżował statkiem, towarzysząca mu papuga zdołała jakoś się wydostać z klatki i fruwała po całej kajucie. Galileusza zaskoczyło, że mimo iż statek poruszał się dość szybko, papuga bez problemu się przemieszczała. Uległ on nawet wrażeniu, że statek stoi w miejscu, mimo iż krajobraz za oknem mknął jak szalony, potwierdzając tym samym, że statek naprawdę musi szybko się przemieszczać. Stąd Galileusz wysnuł wniosek, że ruch absolutny, którego konsekwencje można by w jakikolwiek sposób wykryć, nie istnieje. Nie da się odróżnić, czy to rakieta porusza się ze stałą prędkością, a Ziemia spoczywa, czy też odwrotnie – czy to Ziemia porusza się ze stałą prędkością, a rakieta spoczywa. Zawieszone w pustej przestrzeni kosmicznej jabłko nie zacznie się poruszać bo w pustej przestrzeni żaden kierunek nie jest wyróżniony. Ciało może poruszać się ze stałą prędkością tylko względem pewnego punktu odniesienia. Czyli ruch jest zjawiskiem względnym. Kiedy mówimy, że coś się porusza, to posługujemy się skrótem myślowym. Nie można się poruszać! Można tylko i wyłącznie ruszać się względem czegoś – tak głosi zasada względności Galileusza.

Najdziwniejsze było jednak to, że ani drzewa, ani żadne inne rzeczy dookoła w ogóle się nie przesuwały. Po prostu stały w miejscu. Bez względu na to, jak szybko biegły, niczego nie mijały. „Ciekawa jestem, czy wszystkie te rzeczy biegną razem z nami?” – zastanawiała się biedna, zupełnie zagubiona Alicja.

Ponieważ absolutny ruch jest fikcją, wprowadzono pojęcie inercjalnego układu odniesienia, który porusza się bez przyspieszeń i w którym nie odczuwa się żadnych przeciążeń. Każdy inny układ odniesienia, który porusza się ze stałą prędkością wobec niego, również jest inercjalny. W każdym z nich prawa fizyki są takie same.

Efekt Czerwonej Królowej

Kiedy ktoś się nie rozwija w żaden sposób, mówimy że stoi w miejscu. Problem jednak w tym, że nie da się stać w miejscu, podczas gdy świat galopuje w szalonym tempie do przodu. To oznaczałoby, że stojąc w miejscu nieustannie się cofamy. Więc żeby stać w miejscu trzeba biec. A żeby posuwać się do przodu trzeba biec jeszcze szybciej!

– Jak to? Okazuje się, że przez cały czas byłyśmy pod tym drzewem! Wszystko jest tak samo, jak było!
– Ależ oczywiście – powiedziała Królowa – a czego się spodziewałaś?
– No, w NASZEJ krainie – mówiła Alicja, wciąż trochę zdyszana – jeżeli biegniesz gdzieś szybko i długo, tak jak my, to zwykle dobiegasz gdzieś indziej.
– To jakiś wolny kraj! – odparła Królowa. – Bo widzisz, TUTAJ musisz biec tak szybko, jak tylko potrafisz, żeby zostać w tym samym miejscu. A jak chcesz dostać się w inne miejsce, musisz biec dwa razy szybciej, niż biegłyśmy.

W 1973 r. biolog-ewolucjonista Leigh Van Valen z uniwersytetu w Chicago, opracował hipotezę Czerwonej Królowej, w której założył, że silna konkurencja wymusza stałe zmiany ewolucyjne o charakterze kierunkowym. Jako jeden z przykładów podał „wyścig zbrojeń” pomiędzy drapieżnikami i ich ofiarami: drapieżniki są coraz szybsze i sprawniejsze i lepiej „uzbrojone” dlatego, że ich ofiary są coraz szybsze i sprawniejsze. Zasada Czerwonej Królowej ma swoje zastosowanie nie tylko w wojskowości i biznesie, ale również w codziennym życiu.

Uważam, że hipoteza Czerwonej Królowej jest niezwykle trafna i cenna, ale… nie wydaje mi się żeby to właśnie miał na myśli Lewis Carroll. Jak już pewnie zauważyliście, lubię się nie zgadzać z innymi i wysnuwać jakieś swoje, zupełnie nowe teorie. Otóż według mnie w szaleńczym biegu Czarnej Królowej (bo w książce jest ona Czarna, a nie Czerwona) i Alicji chodziło o przekroczenie prędkości światła, dzięki czemu skutki wcześniejszych zdarzeń mogą nastąpić przed poprzedzającą je przyczyną. Ortodoksyjna teoria względności dowodzi, że w poruszającym się układzie odniesienia, kolejność niektórych zdarzeń może zostać odwrócona czyli np. cowboy może zostać zastrzelony z łuku przez Indianina zanim ten zdąży wystrzelić strzałę, pod warunkiem że strzała ta będzie poruszała się szybciej od światła (czyli z prędkością nadświetlną). W miejsce Indianina i cowboya możecie sobie wstawić po prostu dwie identyczne cząstki emitujące i pochłaniające nadświetlny obiekt. A oto i fragment z książki, który to potwierdza:

– Marmolada jest pyszna – dodała Królowa.
– Cóż, w każdym razie NA RAZIE nie chcę.
– W żadnym RAZIE nie mogłabyś dostać, gdybyś chciała – oznajmiła Królowa. – Marmoladę z zasady dostajesz wczoraj i jutro, ale dziś NA RAZIE nie.
– Ale w takim razie w końcu musi przyjść takie dziś z marmoladą – zaprotestowała Alicja.
– To niemożliwe. Marmolada jest zawsze innego dnia, a NARAZIE nie ma. A dziś, jak wiesz, nigdy nie przypada innego dnia.
– Nic z tego nie rozumiem – powiedziała Alicja. – Wszystko to jest okropnie poplątane!
– To skutek życia w odwrotną stronę – łągodnie odezwała się Królowa. – Zawsze na początku kręci się w głowie.
– W odwrotną stronę! – powtórzyła Alicja niezmiernie zdziwiona. – Nigdy o czymś takim nie słyszałam!
– …ale za to zyskuje się jedną umiejętność: pamięć działającą w obie strony.
– Jestem pewna, że MOJA działa tylko w jedną stronę: nie pamiętam tego, co dopiero się zdarzy.
– Masz nędzny rodzaj pamięci, która działa tylko wstecz – stwierdziła Królowa.
– A co TY pamiętasz najlepiej? – spytała Alicja, zdobywszy się na odwagę.
– Och, to, co zdarzyło się za dwa tygodnie – beztrosko odparła Królowa. – Na przykład teraz – mówiła, przyklejając sobie na palec spory plaster – Królewskiego Posłańca. Siedzi w więzieniu, bo został ukarany, a proces nie rozpocznie się przed przyszłą środą, no a przestępstwo było na samym końcu.
– A jeśli okaże się, że on go nigdy nie popełni?
– To tym lepiej, prawda? – powiedziała Królowa, obwiązując plaster kawałkiem wstążki.
Alicja poczuła, że nie ma sensu się z TYM spierać.
– Oczywiście, że lepiej – przyznała – ale nie lepiej, że został ukarany.

I jeszcze jeden fragment, gdyby ktoś jeszcze nie był przekonany:

– Och, och, och! – krzyczała Królowa, potrząsając ręką, jakby chciała ją z siebie strącić. – Krew mi leci z palca! Och, och, och! (…)
– Skaleczyłaś się w palec?
– JESZCZE nie – odparła Królowa – ale już wkrótce się skaleczę. Och, och, och!
– A kiedy ma się to stać, twoim zdaniem? – pytała Alicja bardzo bliska śmiechu.
– Jak znowu będę przypinać szal – wyjęczała nieszczęsna Królowa. – I znowu odepnie mi się broszka. Och, och! – Przy tych słowach Królowej broszka się otworzyła, a Królowa chwyciła ją gwałtownie, aby ją zapiąć.
– Uważaj! – zawołała Alicja. – Źle ją chwyciłaś! – I wzięła broszkę, ale było już za późno: szpilka się wysunęła i ukłuła Królową w palec.
– To, widzisz, liczy się jako krew lecąca z palca – zwróciła się z uśmiechem do Alicji. – Teraz już wiesz, jak to się tutaj dzieje.
– Ale dlaczego nie krzyczysz? – zapytała Alicja.
– Cóż, już wykrzyczałam cały krzyk – powiedziała Królowa. – Po co miałabym to robić jeszcze raz?

Na tym nie koniec. Problem powraca, kiedy Alicja próbuje pokroić placek ze śliwkami:

– Ukroiłam już kilka kawałków, ale one ciągle scalają się z powrotem.
– nie wiesz, jak się kroi lustrzane placki – zauważył Jednorożec. – Musisz najpierw rozdać po kawałku, a kroić dopiero potem.
Brzmiało to absurdalnie, ale Alicja posłusznie wstała i obniosła talerz dookoła, a ciasto samo podzieliło się na trzy kawałki.
– I TERAZ je pokrój – powiedział Lew, kiedy wróciła na swoje miejsce z pustym talerzem.

Ruch może nie tylko zmienić kolejność następowania po sobie skutku i przyczyny. Jest również przydatny do przetwarzania informacji. Wiedzą o tym chociażby pszczoły, które – co ciekawe – też mają przecież swoją królową. Kiedy pszczoła odkryje jakieś pole kwiatowe (vel pole szachowe), to po powrocie do ula, za pomocą złożonej kombinacji ruchów i obrotów, jest ona w stanie przekazać innym pszczołom informację o położeniu tego pola. Prędkość i kierunek jej ruchów wskazują na odległość  i położenie tego kwiatowego (vel kwantowego) pola. Inne pszczoły nie tylko umieją taką informację zapamiętać, ale także zrobić z niej użytek. Nie wykluczone zatem, że Czarna Królowa, na wzór królowej pszczół, próbowała przekazać Alicji lokalizację pola szachowego, na które Alicja miała się przemieścić.

To z kolei zwróciło moją uwagę na monarchię w świecie zwierząt czyli w kierunku pszczół i innych osobników, które w swojej populacji mają również królową np. mrówki. Co ciekawe, okazało się, że populacje pszczół i mrówek składają się z genetycznych klonów! A więc są one ze sobą spokrewnione w stu procentach! Przy czym każda mrówka czy pszczoła nie zawaha się poświęcić swoje życie aby ratować własne geny kolportowane w innym organizmie z tego samego roju. Zabawny zbieg okoliczności (jeśli ktoś wierzy w zbiegi okoliczności), gdyż o naszych ludzkich rodach królewskich również krąży wiele teorii spiskowych, jakoby ich członkowie się klonowali.

Cząstki i ich lustrzane odbicia – antycząstki

Fizyka cząstek elementarnych wykazała, że my sami i wszystko inne, co istnieje wokół nas, zbudowani jesteśmy z trzech rodzajów cząstek: z elektronów i dwóch rodzajów kwarków, wchodzących w skład protonów i neutronów, światło natomiast z fotonów. Dla każdego z tych rodzajów cząstek, musi istnieć jego lustrzany odpowiednik czyli antycząstka np. antycząską elektronu jest pozyton. Antycząstka zachowuje się w zasadzie tak, jak zwykła cząstka, jednak zamiast poruszać się do przodu w czasie, ona porusza się do tyłu. A to z kolei wskazuje, że bieg czasu naprzód może być zjawiskiem pozornym. Nie jest też wcale wykluczone, że poruszając się do przodu w czasie (czyli po prostu czekając), możemy powrócić do punktu wyjścia czyli do przeszłości. Ogólna teoria względności nie wyklucza, że wszystko wielokrotnie się powtarza (co z kolei wyjaśniałoby zjawisko déjà vu), a u kresu przyszłości jesteśmy przenoszeni do chwili początkowej. W takim szalonym wariancie rzeczywistości, możesz wielokrotnie powracać do swojej przeszłości i po każdym obiegu możesz SPOTKAĆ SAMEGO SIEBIE. Bo każdy jeden elektron na świecie to tak naprawdę jeden i ten sam elektron! Dlatego wszystkie elektrony mają taką samą masę i ładunek! Elektron porusza się do przodu w czasie i widzisz go jako elektron. Potem porusza się do tyłu w czasie i znowu go widzisz tylko w innym miejscu i jako pozyton czyli antycząstkę elektronu. On znów porusza się do przodu i znowu do tyłu… i tak w nieskończoność. Miejsca, gdzie elektron zawraca w czasie to tzw. anihilacja albo kreacja pary elektron-pozyton. Jeśli jakaś cząstka natrafi na swojej drodze swoją antycząstkę, następuje anihilacja i zarówno cząstka, jak i jej antycząstka znikają, a w ich miejsce pojawiają się fotony unoszące energię anihilowanych cząstek. I odwrotnie, energia fotonu może być użyta w procesie zwanym kreacją pary, do – jak sama nazwa wskazuje – wykreowania pary cząstka-antycząstka.

Jeśli elektrony faktycznie mogą poruszać się zarówno do przodu jak i do tyłu w czasie to również wrażenie, że czas zawsze biegnie naprzód, może być zjawiskiem pozornym.

Im dalej w las, tym więcej… fermionów

Cząstki, które tworzą całą znaną nam rzeczywistość, należą do jednej z dwóch kategorii: mogą być bozonami albo fermionami. Bozony to cząstki, które po obróceniu wokół dowolnej osi o 360 stopni powracają do punktu wyjścia. Mnie jednak bardziej interesują fermiony, które po obrocie o pełen kąt nie powracają do punktu wyjścia, lecz zmieniają swój stan kwantowy na przeciwny i wyglądają w pewnym sensie ODWROTNIE! Żeby powrócić do stanu wyjściowego, trzeba obrócić fermion znowu o 360 stopni. Czyli fermion nie zmieni się jeśli obrócimy go o całe 720 stopni. Co ciekawe, nie ma tu najmniejszego znaczenia, czy obrócimy taki fermion czy sami obejdziemy go dookoła bo efekt będzie dokładnie taki sam – fermion ulegnie odwróceniu.

Jeśli jeszcze was nie zafascynowałam fermionami, to teraz sytuacja ta powinna zmienić się o 360 stopni (jak fermion właśnie) bo okazuje się, że fermiony tworzą nasze organizmy! Wszystkie elektrony, a także protony i neutrony oraz tworzące je kwarki to właśnie fermiony! A z tego wynika, że każda cząstka elementarna naszego organizmu, zmienia się po obrocie o 360 stopni! Z pewnością wiedzieli o tym Aztekowie (nie pytajcie mnie skąd!) i dlatego stosowali obroty jako technikę kwantowego odmładzania swojego ciała (o czym mówiłam tutaj). Ale wróćmy do Alicji i fermionów.

Tu mam ścieżkę, która tam właśnie prowadzi… chyba tam… no, właśnie zupełnie nie tam… – (po przejściu kilku jardów ścieżką, która wiła się ostrymi zakrętami to w jedną, to w drugą stronę) – …choć przypuszczam, że w końcu jednak tam dojdę. Ale jest dziwnie kręta! Przypomina raczej korkociąg niż ścieżkę! O, myślę że TEN zakręt prowadzi już na wzgórze… no nie, nie prowadzi! Idzie prosto do domu! Dobrze, wobec tego spróbuję w drugą stronę.
I tak to było: krążyła w dół i w górę, sprawdzając zakręt po zakręcie, ale zawsze wracała na próg domu. Raz nawet, kiedy skręciła szybciej niż zwykle, nie udało jej się zatrzymać i wpadła wprost na dom.

Szachy kwantowe

Dugą część „Alicji w Krainie Czarów” możemy rozegrać na szachownicy. I chociaż może wam się wydawać, że te nie mają przecież nic wspólnego z fizyką kwantową, w rzeczywistości jest dokładnie odwrotnie. A mam tu na myśli szachy kwantowe.

Tu jest rozgrywana jakaś gigantyczna partia szachów, która obejmuje cały świat, jeśli to JEST jakiś świat, wiesz?

Szachy kwantowe to nie szachy z prawdopodobieństwem, ale symulacja kwantowa obejmująca superpozycję i złożone amplitudy. Wykorzystują one te same figury, co szachy standardowe, ale piony znajdują się nie na jednej, lecz na większej liczbie plansz, m.in. ze względu na koncepcję superpozycji, która pozwala, aby figura szachowa w tym samym czasie znajdowała się w więcej niż w jednym stanie lub na więcej niż jednym polu. Ta gra wymaga od graczy m.in. wiedzy o stanach kwantowych. Wszystkie figury niebędące pionkami mogą się dzielić i łączyć zgodnie z przyjętymi zasadami, zajmując dwa pola naraz lub łącząc się ponownie. Ruchy scalające nie mogą jednak bić pionków przeciwnika, co dodatkowo komplikuje grę.

Pierwszą pokazową partię szachów kwantowych w wersji IQIM, zaprojektowaną przez Chrisa Cantwella na wirtualnej szachownicy w 2016 r. w Kalifornii w Instytucie Informacji Kwantowej i Materii (IQIM) Caltech, rozegrali dr Stephen Hawking i Paul Rudd. I chociaż idea szachów kwantowych doskonale spaja wątek szachowy i zjawisko superpozycji, o której już tyle powiedziałam, to z pewnością nie o nią Carrollowi chodziło, gdyż zmarł on w 1898 roku, nie doczekawszy się pierwszej partii tej gry. Wrócimy do szachów jeszcze za chwilę, przy okazji omawiania zjawiska splątania kwantowego.

Splątanie kwantowe i oficerowie Eulera

Znacie powiedzenie, że z pustego i Salomon nie naleje? No to trzymajcie się teraz mocno krzeseł bo okazuje się, że jednak naleje! Naukowcy, którzy badali właściwości pustych pudełek kwantowych, których ścianki idealnie izolują wnętrze od całego świata zewnętrznego, tak że w środku pozostaje tylko kwantowa próżnia (tzw. wnęki rezonansowe), odkryli że jeśli umieści się w tej próżni dodatkową ściankę, która gwałtownie rozdzieli to pudełko na dwie połowy, to wewnątrz nagle znikąd pojawią się cząstki kwantowe. Cząstki, które utkną po jednej stronie ścianki będą kwantowo splątane z cząstkami po drugiej stronie ścianki. Skąd wzięły się w kwantowej próżni? Były tam cały czas. Umieszczenie w środku pudełka owej przegrody tylko je ujawniło. No dobrze, ale co to wszystko ma wspólnego z Alicją?

Znany XVIII-wieczny matematyk Leonhard Euler stanął niegdyś przed osobliwym problemem. Powierzono mu zadanie rozlokowania grupy 25 oficerów podczas parady na cześć carycy Katarzyny II. Do dyspozycji miał on po jednym oficerze z każdej z pięciu rang, z każdego z pięciu pułków. W każdym rzędzie i w każdej kolumnie powinien znaleźć się dokładnie jeden oficer danej rangi i jeden z danego pułku. Czyli Euler stanął przed zadaniem stworzenia sudoku o boku 5, w którym liczbom przypisane byłyby dodatkowo kolory. Należało zatem ustawić bez powtórek w rzędach i w kolumnach nie tylko liczby, ale również i kolory.

Euler bez problemu znalazł rozwiązanie dla 25 oficerów, ale naukowcy poszli o krok dalej i zaczęli rozważać rozwiązania dla kwadratów dowolnej wielkości – nazwanymi później kwadratami grecko-łacińskimi lub kwadratami Eulera (przedstawiając takie kwadraty często stosuje się figury szachowe o różnych kolorach). Okazuje się, że dla kwadratów o boku 3, 4, 5, 7, 8, 9, 10 i wszystkich kolejnych liczb naturalnych takie rozwiązanie istnieje. Wyjątkiem była liczba 6, dla której nie znaleziono rozwiązania, a zagadnienie to nazwano problemem 36 oficerów Eulera. Carroll jako matematyk z pewnością musiał znać to zagadnienie.

Las niemal natychmiast wypełnili biegnący żołnierze. Najpierw biegli dwójkami i trójkami, potem dziesiątkami i dwudziestkami, a wreszcie takim tłumem, który zdawał się wypełniać cały las. (…) Pomyślała, że przez całe życie nie widziała żołnierzy tak niepewnie trzymających się na nogach. Co chwila potykali się o coś albo wpadali na siebie, a kiedy jeden się przewrócił, kilkunastu innych upadało na niego, tak że ziemię pokrywały niewysokie stogi leżących na sobie ludzi.

Ostatecznie problem splątanych oficerów Eulera udało się rozwiązać fizykom z polskiego zespołu, którzy założyli kwantową naturę oficerów, a to oznacza, że jedno miejsce może być zajmowane niekoniecznie przez jedną postać, ale przez ich kwantowy miks – w odpowiednich proporcjach. Rozwiązanie to wykorzystuje nieznany dotąd ekstremalny stan kwantowego splątania czterech podukładów i jest dodatkowo wyjątkowo ciekawe z matematycznego punktu widzenia: pojawia się w nim podział planszy na dziewięć bloków, każdy złożony z czterech pól. A także tzw. złota proporcja φ, charakterystyczna dla znanego w starożytności złotego podziału odcinka, w którym stosunek dłuższej części do całości jest taki sam, jak stosunek krótszej jego części do dłuższej.

Splątanie kwantowe czyli nieoczekiwane korelacje układów najprościej wyjaśnić na przykładzie dwóch monet. Gdybyśmy je wprowadzili w kwantowy stan maksymalnie splątany, to poznawszy wynik rzutu jedną monetą, wiedzielibyśmy też, co wypadło na drugiej. Ale splątanie dwóch układów nie wystarczy, żeby znaleźć rozwiązanie kwantowej wersji zagadnienia Eulera. Trzeba było szukać układów powiązanych ze sobą w bardziej skomplikowany sposób. I tak powstało maksymalne czterocząstkowe splątanie w wymiarze sześć, takim samym jak wymiar kwadratu Eulera. Aby wyjaśnić, czym wyróżnia się ten nowy stan splątany, fizycy używają porównania z rzutem czterema sześciennymi kostkami o czterech kolorach, a wyniki opisują kolejną zmienną w układzie: rząd i kolumnę w kwadracie oraz rangę i pułk oficera. W splątanym stanie kwantowym kostki te są ze sobą tak powiązane, że obserwacja rezultatu dowolnych dwóch kostek pozwala przewidzieć wynik rzutu pozostałymi dwiema kostkami. “W naszej pracy pokazaliśmy, że możliwe jest istnienie takich kwantowych kostek i teleportowanie stanu pomiędzy nimi” – komentuje dr Rajchel-Mieldzioć.

About Post Author

Tagi: , , ,

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *