WiadomoÊci i opinie

6 Â

WIAT

N

AUKI

Grudzieƒ 2000

CASPAR VAN DER WAL

Politechnika w

Delft

W

tym roku kotu Schrödin-
gera stukn´∏o 65 lat, lecz
zamiast pomyÊleç o za-
s∏u˝onej emeryturze, ta

kwantowa istota coraz Êmielej sobie po-
czyna. Ostatnio dwie niezale˝nie pra-
cujàce grupy badawcze zademonstro-
wa∏y za pomocà nadprzewodzàcych
p´tli najwi´ksze stany kota Schrödinge-
ra. W pierwotnym eksperymencie my-
Êlowym zjawiska kwantowe i urzàdze-
nie z truciznà niczym z rysunków
Rube'a Goldberga* sprawia∏y, ˝e kot we-
wnàtrz szczelnie zamkni´tej komory tor-
tur by∏ zarazem ˝ywy i martwy. W no-
wych eksperymentach rol´ kota odegra∏
pràd elektryczny, który jednoczeÊnie
p∏ynà∏ w p´tli w obu kierunkach. Zda-
niem Tony'ego Leggetta z University of
Illinois w Urbana-Champaign, który ju˝
w latach osiemdziesiàtych twierdzi∏, ˝e
mo˝na zrealizowaç takie du˝e uk∏ady
kwantowo-mechaniczne, badania te sà
„kamieniem milowym w doÊwiadczal-
nej fizyce kwantowej”.

Kluczowym zjawiskiem jest tu super-

pozycja fal – podobna do obserwowa-
nej podczas przyj´cia, kiedy od wielu
równoczeÊnie rozmawiajàcych osób
nadbiegajà ró˝ne fale dêwi´kowe, któ-
re nak∏adajàc si´ na siebie i sumujàc, tra-
fiajà do naszych uszu w postaci jednej
fali dêwi´kowej. W mechanice kwanto-
wej materia zachowuje si´ jak fala: elek-
trony i inne czàstki mogà wyst´powaç
w stanach b´dàcych superpozycjà ró˝-
nych innych stanów.

Problemem jest – co zauwa˝y∏ w 1935

roku Erwin Schrödinger – zrozumienie,
dlaczego „tak absurdalnych” superpozy-
cji, jak tej z jego kotem, w rzeczywistoÊci
nie da si´ zaobserwowaç, mimo ˝e w czy-
stej mechanice kwantowej nie obowiàzu-
je ˝aden zakaz ich wyst´powania. DziÊ
teoretycy znacznie lepiej rozumiejà, ˝e
nawet najmniejsze zak∏ócenia pochodzà-
ce od otoczenia niszczà kwantowe super-
pozycje i zamieniajà je w jednoznacznà
rzeczywistoÊç, jakà oglàdamy codzien-
nie wokó∏ siebie. Proces ten znany jest
pod nazwà dekoherencji. Uwzgl´dniajàc
ten fakt, w ostatnim dziesi´cioleciu na-
ukowcy stworzyli i dok∏adnie zbadali ko-
herentne (spójne) stany kwantowe, pa-
nujàc nad nimi w stopniu, o jakim w
wyidealizowanych opisach podr´czniko-

wych mo˝na by∏o tylko marzyç. W prze-
prowadzonych doÊwiadczeniach ma∏e
liczby czàstek poddawano superpozycji
i poszczególne atomy umieszczano jedno-
czeÊnie w dwóch miejscach.

W dwóch ostatnich eksperymentach

da si´ obserwowaç te efekty na znacznie
bardziej makroskopowym poziomie.
Wykonali je fizycy Jonathan Friedman,
James Lukens i ich wspó∏pracownicy ze
State University of New York w Stony
Brook oraz Caspar van der Wal i Johan
E. Mooij wraz ze wspó∏pracownikami
z Politechniki w Delft w Holandii. Obie
grupy wykorzysta∏y SQUID-y – nad-
przewodzàce interferometry kwanto-
we. Zjawiska kwantowe dopuszczajà,
by jedynie pewne dyskretne iloÊci stru-
mienia magnetycznego przedostawa∏y
si´ przez nadprzewodzàcà p´tl´. JeÊli
zastosuje si´ pole o nat´˝eniu przypa-
dajàcym pomi´dzy takimi dozwolony-
mi wielkoÊciami, przez p´tl´ pop∏ynie
pràd elektryczny, wytwarzajàcy dodat-
kowe pole magnetyczne o nat´˝eniu,
dla którego ca∏kowity strumieƒ spe∏ni
warunki pozwalajàce mu na przep∏yw
przez t´ p´tl´.

Interesujàce rzeczy zaczynajà si´ dziaç

wtedy, kiedy wielkoÊç zastosowanego
strumienia magnetycznego lokuje si´ do-
k∏adnie w po∏owie mi´dzy dozwolony-
mi wartoÊciami. Stwarza to sytuacj´,
w której SQUID w jednakowym stopniu
„sk∏ania si´” do wytworzenia pràdu p∏y-
nàcego zarówno zgodnie, jak i przeciw-
nie do kierunku ruchu wskazówek ze-
gara – w jednà lub drugà stron´ wzgl´-
dem niezrównowa˝onego strumienia –
i pojawiajà si´ sprzyjajàce warunki do
powstania superpozycji tych dwóch
mo˝liwoÊci. W przypadku SQUID-u ze
Stony Brook nat´˝enie pràdu by∏o rz´-
du mikroamperów, co odpowiada prze-
p∏ywowi miliardów elektronów, okrà-
˝ajàcych p´tl´ o powierzchni 140

mm

2

,

tak du˝à, ˝e mog∏aby otoczyç ludzki
w∏os – w standardach kwantowych gi-
gantycznà i prawdziwie makroskopowà.
Uk∏ad zastosowany w Delft by∏ mniej-
szy, stanowi∏

1

/

30

tego ze Stony Brook.

Stan superpozycji nie odnosi si´ do

jednego miliarda elektronów p∏ynàcych
w jednym kierunku i drugiego miliar-
da elektronów p∏ynàcych w kierunku
przeciwnym. Nadprzewodzàce elektro-

ny poruszajà si´ jako grupa – en masse.
W nadprzewodzàcym interferometrze
kwantowym wszystkie elektrony, gdy
tylko znajdà si´ w stanie kota Schrödin-
gera, natychmiast p∏ynà w p´tli w obu
kierunkach.

Urzàdzenia te istotnie ró˝nià si´ jed-

nak od tych z kanonicznego ekspery-
mentu myÊlowego. W wyimaginowa-
nym scenariuszu superpozycja ˝ywego
i martwego kota w pudle jest statyczna
od poczàtku do momentu, w którym
badacz podnosi pokryw´ i oglàda jeden
lub drugi rezultat eksperymentu. Ma-
my tu dwa za∏o˝enia idealizujàce pro-
blem. Zgodnie z pierwszym wn´trze
pud∏a jest tak dobrze izolowane od oto-
czenia, ˝e stan superpozycji pozostaje
niezak∏ócony a˝ do momentu podnie-
sienia pokrywy. W najnowszych do-
Êwiadczeniach ze SQUID-em sàsiadu-
jàce z nim urzàdzenia uniemo˝liwiajà
takà izolacj´ i stan superpozycji szybko
ulega dekoherencji, byç mo˝e nawet
w ciàgu kilku nanosekund.

Drugie za∏o˝enie odnosi si´ do dwóch

ÊciÊle zwiàzanych ze sobà stanów su-
perpozycji. Jeden to kot ˝ywy plus kot
martwy, a drugi to kot ˝ywy minus kot
martwy. Takiego uj´cia matematycz-
nego nie da si´ zastosowaç w odniesie-
niu do kota. W ka˝dym z tych przypad-
ków wspó∏czynnik umieralnoÊci wyno-
si 50%. Natomiast w doÊwiadczeniach
ze SQUID-em mechanika kwantowa

PUD¸O KOTA KWANTOWEGO:

SQUID

zewn´trzny wykrywa superpozycj´

pràdów p∏ynàcych

w SQUID-zie wewn´trznym.

F I Z Y K A

_

M E C H A N I K A K W A N T O W A

Nowe wcielenie kota Schrödingera

W nadprzewodzàcych p´tlach pràd elektryczny p∏ynie jednoczeÊnie w obu kierunkach

Â

WIAT

N

AUKI

Grudzieƒ 2000 7

WiadomoÊci i opinie

JASON WARE

Galaxy Photography

; NASA, CHANDRA X-RAY OBSERVATORY CENTER i

STEPHEN S. MURRAY oraz MICHAEL

GARCIA

Smithsonian Astrophysical Observatory (wstawka)

przewiduje, ˝e dwa alternatywne stany
nieco ró˝nià si´ energià. Konkluzja z tych
dwóch eksperymentów: zmierzenie ró˝-
nicy energii jest jednoznaczne z demon-
stracjà stanu kota Schrödingera.

Wyst´powanie dwóch ró˝nych sta-

nów superpozycji o nieco innych ener-
giach wskazuje na to, ˝e powinno si´
obserwowaç tak˝e stan oscylujàcy:
w tym przypadku prawdopodobieƒ-
stwo wykrycia pràdu p∏ynàcego, po-
wiedzmy, zgodnie z kierunkiem ruchu

wskazówek zegara, zmienia∏oby si´ od
0 do 100%, zale˝nie od czasu dzielàcego
moment przygotowania tego stanu od
momentu pomiaru. Chocia˝ mo˝e si´
to wydawaç mniej dziwaczne od super-
pozycji statycznej, zastanówmy si´, co
by to oznacza∏o dla kota. Gdyby pud∏o
pozostawa∏o zamkni´te, stan kota oscy-
lowa∏by mi´dzy stuprocentowym ˝y-
ciem a stuprocentowà Êmiercià!

Leggett uwa˝a, ˝e przeprowadzenie

eksperymentów z oscylujàcymi stana-

mi (oczywiÊcie na SQUID-ach, a nie na
kotach) b´dzie rozstrzygajàcym testem
przewidywaƒ mechaniki kwantowej.
Nast´pnie fizycy zacznà sprawdzaç, co
si´ dzieje wewnàtrz zamkni´tego pud∏a
z kotem Schrödingera. Obie grupy ju˝
nad tym pracujà.

Graham P. Collins

* Amerykaƒski karykaturzysta (1883–1970), s∏yn-
ny z zabawnych rysunków absurdalnie skompli-
kowanych i zarazem prymitywnych urzàdzeƒ me-
chanicznych (przyp. t∏um.).

A S T R O N O M I A

_

C Z A R N E D Z I U R Y

Zwyczajne niezwyczajne?

Losy galaktyk i czarnych dziur zadziwiajàco splatajà si´ ze sobà

J

ednym z wielkich osiàgni´ç astro-
nomii naszego stulecia by∏o wyja-
Ênienie natury gwiazd. Pomimo
swojej zadziwiajàcej ró˝norodno-

Êci wszystkie te obiekty przechodzà ten
sam podstawowy cykl ˝yciowy wyty-
czany kilkoma fundamentalnymi pro-
cesami, jak zapadanie si´ grawitacyjne
i reakcje termojàdrowe. Obecnie astro-
nomowie bliscy sà wyciàgni´cia podob-
nych wniosków, jeÊli chodzi o galakty-
ki. Od rozproszonej wst´gi Êwiat∏a
zwanej Drogà Mlecznà po oÊlepiajàco
jasne kwazary na kraƒcach obserwowa-
nej przestrzeni wszystkie galaktyki two-
rzà si´ prawie w ten sam sposób: po-
przez wzajemne oddzia∏ywania i – co
wykaza∏y najnowsze odkrycia – dzi´ki
supermasywnym czarnym dziurom.

Destruktywny charakter czarnych

dziur jest powszechnie znany, lecz do-
piero stopniowo ujawniajà one swe
twórcze mo˝liwoÊci. Z obserwacji kwa-
zarów w latach szeÊçdziesiàtych i sie-
demdziesiàtych wynika∏o, ˝e mo˝e je

nap´dzaç jedynie wielka czarna dziura
– o masie milionów, a nawet miliardów
S∏oƒc; pod koniec lat osiemdziesiàtych
stwierdzono, ˝e olbrzymie czarne dziu-
ry sà odpowiedzialne za wszystkie ro-
dzaje anomalnie jasnych galaktyk. Dzi´-
ki nadzwyczaj wysokiej zdolnoÊci
rozdzielczej Kosmicznego Teleskopu
Hubble'a i radioteleskopu VLBA (Very
Long Baseline Array) tempo odkryç
wzros∏o ostatnio jeszcze bardziej. Okaza-
∏o si´, ˝e gwiazdy i ob∏oki mi´dzygwiaz-
dowego gazu poruszajà si´ w pobli˝u
centrów wielu galaktyk niezmiernie
szybko, pobudzane grawitacjà ogrom-
nego niewidocznego cia∏a – najprawdo-
podobniej czarnej dziury, chocia˝ nie
wyklucza si´ powodów bardziej proza-
icznych (g´ste gromady gwiazd) czy te˝
egzotycznych (kule neutrinowe).

Poznanie ju˝ co najmniej 34 superma-

sywnych czarnych dziur pozwoli∏o za-
uwa˝yç dwie tendencje. Po pierwsze, su-
permasywne czarne dziury wyst´pujà
nie tylko w kwazarach i kwazaropo-

dobnych galaktykach,
lecz równie˝ w mniej
okaza∏ych galakty-
kach. RzeczywiÊcie,
jedynym warunkiem
wydaje si´ elipsoidal-
ny kszta∏t bàdê to ca-
∏ej galaktyki, bàdê
zgrubienia centralne-

go w skàdinàd p∏askiej galaktyce – na-
szej Drodze Mlecznej. W galaktykach zu-
pe∏nie p∏askich nie ma czarnych dziur.
Po drugie, masa ka˝dej czarnej dziury
jest w przybli˝eniu proporcjonalna do
masy swego elipsoidalnego gospodarza
(co oszacowano na podstawie ich jasno-
Êci): wynosi ona w przybli˝eniu 0.15%
masy jej galaktyki eliptycznej czy te˝
zgrubienia centralnego. Umiarkowanej
wielkoÊci czarna dziura Drogi Mlecznej
jest odpowiednia do jej niewielkiego
zgrubienia centralnego.

Ostatnio dwa zespo∏y donios∏y w

Astrophysical Journal Letters z 10 sierp-
nia br. o odkryciu trzeciej zale˝noÊci.
Karl Gebhardt i John Kormendy z Uni-
versity of Texas w Austin, Douglas Rich-
stone z University of Michigan, wraz ze
wspó∏pracownikami, oraz Laura Ferra-
rese z University of California w Los
Angeles i David Merritt z Rutgers Uni-
versity zauwa˝yli, ˝e masa czarnej dziu-
ry zale˝y od Êredniej pr´dkoÊci gwiazd
swego elipsoidalnego gospodarza, i to
nawet w rejonach le˝àcych poza bezpo-
Êrednim wp∏ywem czarnej dziury. Rze-
czywiÊcie, z dok∏adnoÊcià do b∏´dów
obserwacyjnych zale˝noÊç ta jest wr´cz
doskona∏a. Zosta∏a ona uznana niemal
za nowe prawo przyrody, pokrewne
prawom Keplera dotyczàcym ruchu pla-
net. „Jestem zaskoczony wyrazistoÊcià
tej korelacji” – mówi Richstone.

CZARNA DZIURA

w centralnym zgrubieniu

Galaktyki Andromedy ma 30 mln razy

wi´kszà mas´ ni˝ nasze S∏oƒce. Rentgenowskie

Obserwatorium Chandra wykry∏o gaz wp∏ywajàcy

do czarnej dziury po spirali

(strza∏ka we wstawce).