Dowiedziałem się niedawno o jednej ciekawej rzeczy, mianowicie o tzw.
efekcie Zenona.
Nazwa pochodzi od niejakiego
Zenona z Elei. Według dzisiejszej terminologii był on solipsytą, ale wsławił się tym, że głosił nieistnienie świata. Tak, świat według niego nie istniał, na co dowodem miała być jego wewnętrzna sprzeczność.
Jeden z najsłynniejszych paradoksów Zenona to paradoks żółwia i Achillesa. Achilles goni żółwia. Musi najpierw przebyć połowę odległości między swoją aktualną pozycją a żółwiem, potem połowę odległości, która pozostała, potem połowę kolejnej odległości i tak w nieskończoność. Czyli ma do przebycia nieskończony ciąg odcinków. Dzisiaj znamy pojęcie granicy, zbieżności i sumy szeregu, więc wiemy, że nieskończony ciąg odcinków może się sumować do skończonego odcinka, ale matematyka grecka w tamtym okresie nie umiała sobie z tym poradzić, więc był to dla nich paradoks.
Inny paradoks, który nas w tym momencie interesuje, to paradoks strzały. Mamy strzałę w ruchu. Jeżeli jednak spojrzymy na nią w dowolnym pojedynczym momencie, to zobaczymy po prostu strzałę w jednym miejscu, bez ruchu. Zatem strzała w ruchu składa się z nieskończenie wielu strzał bez ruchu, co jest paradoksem. Dzisiaj tłumaczymy to rachunkiem różniczkowym. Dwie funkcje mogą mieć w danym punkcie tą samą wartość, ale różne pochodne, a paradoks strzały zakłada, że wartość w punkcie determinuje pochodną w punkcie. Ale to nie jest ważne.
Ważny jest pewien efekt, który przewidzieli i zaobserwowali fizycy od mechaniki kwantowej.
Załóżmy, że mamy pewien stan kwantowy, który może się zmieniać, np. neutron, który może się rozpaść na proton, elektron i neutrino, albo cząstkę tunelującą przez barierę potencjału. Z matematycznego punktu widzenia, stan taki przechodzi tzw. ewolucję unitarną, czyli jest superpozycją dwóch stanów czystych, które zmieniają swoją względną proporcję. Pozostając przy przykładzie neutronu: powiedzmy, że istnieje neutron "czysty"
nc i neutron "rozpadnięty", czyli proton, elektron i neutrino:
peν. Teraz neutron "fizyczny" jest superpozycją tych stanów. Na początku mamy po prostu neutron, który na pewno jest w całości:
n = 100% ·
nc + 0% ·
peνPo jakimś czasie istnieje pewne prawdopodobieństwo, że neutron się rozpadnie, powiedzmy 20%.
n = 80% ·
nc + 20% ·
peνPo okresie połowicznego zaniku będzie 50% szans, że neutron się rozpadnie, czyli nasz stan neutronu będzie w połowie składał się z neutronu "czystego" i w połowie z układu proton, elektron, neutrino.
n = 50% ·
nc + 50% ·
peνW miarę upływu czasu, będzie coraz mniej neutronu w neutronie a coraz więcej produktów rozpadu. W teorii jednak "ilość neutronu" nigdy nie spadnie do zera, ponieważ istnieje pewna marginalna szansa, że proton, elektron i neutrino zderzą się i znów utworzą neutron. Liczby te ustawią się więc w jakimś stanie stabilnym albo nawet będą oscylować - zależy od warunków.
No dobrze, ale wszystkie dzieci wiedzą, że w momencie obserwacji następuje kolaps funkcji falowej. To znaczy, że jeżeli spróbujemy popatrzeć powiedzmy na stan:
n = 99% ·
nc + 1% ·
peνi przekonać się, czy neutron naprawdę się rozpadł, to w następnej chwili po obserwacji nasza superpozycja zniknie i zamiast tego otrzymamy
n = 100% ·
nc + 0% ·
peν (z prawdopodobieństwem 99%)
lub
n = 0% ·
nc + 100% ·
peν (z prawdopodobieństwem 1%).
OK, czyli jeżeli będziemy co chwilę obserwować neutron, który jest bliski "czystemu" stanowi, to co chwilę jego funkcja falowa będzie wracać do tego czystego stanu i nigdy nie będzie się mogła wejść w "porządną" superpozycję. Ale to oznacza, że neutron pod ciągłą obserwacją nigdy się nie rozpadnie!
Właśnie takie jest sformułowanie kwantowego efektu Zenona: cząstka ciągle obserwowana nigdy nie zmieni stanu. Idąc dalej, cząstka obserwowana co chwilę w pewnych odstępach, będzie zmieniać stan wolniej, niż nieobserwowana.
Taki eksperyment fizycy przeprowadzili i dał właśnie takie efekty. Zamknięto trochę jonów w pułapce magnetycznej, wzbudzono je promieniowaniem gamma i jednocześnie obserwowano fotonami światła, czy nie opuszczają stanu wzbudzenia. Okazało się, że kiedy nikt ich nie podgląda, to normalnie opuszczają stan wzbudzony. Natomiast kiedy co chwilę ktoś na nie patrzył, to żyły jako wzbudzone o wiele dłużej i nie miały śmiałości, żeby się poruszyć.
Ktoś może powiedzieć: OK, być może to oddziaływanie z fotonami użytymi do obserwacji daje taki efekt. Okazuje się, że nie, bo gdyby rozważyć tylko ewolucję unitarną, to fotony obserwujące powinny
przyspieszyć rozpad jonów. To zjawisko nosi nazwę odwrotnego efektu Zenona i również było mierzone. Wygląda jednak na to, że sam fakt obserwacji przez człowieka powoduje zmianę funkcji falowej. Mamy więc pogwałcenie ewolucji unitarnej i wyraźną granicę między mechaniką kwantową i klasyczną.
Efekt Zenona pozwoli nam być może sfalsyfikować niektóre z interpretacji mechaniki kwantowej. W niektórych z nich bowiem on występuje a w niektórych nie. Powoli więc wkraczamy w erę, kiedy będziemy eksperymentalnie weryfikować, czy lepsza jest szkoła kopenhaska, interpretacja wielu światów, czy teoria de Broglie i Bohma.