Co sprawia, że kot Schrödingera przestaje być jednocześnie żywy i martwy? Eksperyment przeprowadzony w podziemnym laboratorium wykluczył jedną z teorii łączących zanik zjawisk kwantowych z grawitacją

Gdzieś pomiędzy światem cząstek elementarnych a makroskopową rzeczywistością, w której żyjemy, dzieje się coś dziwnego. Reguły fizyki kwantowej, opisujące zachowanie atomów, wydają się tracić swoją moc, gdy obiekty stają się większe. Pytanie o to, gdzie i w jaki sposób następuje przejście od kwantowej nieokreśloności do ostrej, codziennej rzeczywistości doprowadziło między innymi do powstania słynnego eksperymentu myślowego Schrödingera z kotem, który jest jednocześnie żywy i martwy.

Proces, w którym zjawiska kwantowe, takie jak superpozycja – paradoksalny stan kota Schrödingera – zanikają i ustępują miejsca rzeczywistości klasycznej, nazywa się dekoherencją. „Jednym z najgłębszych pytań współczesnej fizyki jest to, dlaczego dziwne zachowanie kwantowe, rządzące atomami i cząstkami elementarnymi, wydaje się znikać w makroskopowym świecie, którego doświadczamy na co dzień” – mówi Catalina Curceanu, współautorka badania opublikowanego w New Journal of Physics i dyrektorka ds. badań w Narodowym Laboratorium Frascati Narodowego Instytutu Fizyki Jądrowej we Włoszech.

Eksperyment przeprowadzono w Laboratorium Gran Sasso, największym na świecie podziemnym laboratorium zajmującym się badaniami podstawowymi. Naukowcy przetestowali model zakładający, że dekoherencję wywołuje grawitacja.

Zgodnie z ogólną teorią względności Einsteina grawitacja jest skutkiem zakrzywienia czasoprzestrzeni wokół masywnych obiektów. W latach 60. węgierski fizyk teoretyczny Frigyes Károlyházy wysunął hipotezę, że czasoprzestrzeń nieustannie podlega niewielkim fluktuacjom. Z czasem miałyby one niszczyć superpozycje kwantowe i uniemożliwiać makroskopowym obiektom istnienie w stanach przypominających ten ze słynnego paradoksu kota Schrödingera. Model Károlyházego wciąż interesuje fizyków. Niedawno został dopracowany i przeformułowany przez Angela Bassiego oraz jego współpracowników.

Wymowne ślady

Przewidywanych przez Károlyházego fluktuacji nie można obserwować bezpośrednio. Gdyby jednak istniały, powinny powodować przypadkowe drgania i przyspieszenia naładowanych cząstek, a w konsekwencji emisję promieniowania elektromagnetycznego. Byłoby ono tak słabe, że łatwo mogłoby zginąć w tle elektromagnetycznym pochodzącym między innymi od promieni kosmicznych.

Dlatego Narodowe Laboratorium Gran Sasso, położone pod warstwą skał o grubości 1,4 kilometra, okazało się idealnym miejscem do przeprowadzenia poszukiwań. „Naturalna osłona zapewniana przez skały tworzy jedno z najcichszych środowisk na Ziemi do wykrywania niezwykle rzadkich zjawisk fizycznych” – mówi Curceanu.

Naukowcy wykorzystali detektor zbudowany z kawałka wysokiej czystości kryształu germanu wielkości kubka do kawy. Urządzenie otaczały warstwy miedzi i ołowiu, chroniące je przed promieniowaniem zewnętrznym. Dane zbierano łącznie przez 62 dni. Następnie badacze odjęli od wyników oczekiwane promieniowanie tła i sprawdzili, czy pozostały sygnał odpowiada przewidywaniom modelu.

Wynik? Nie znaleziono żadnego sygnału.

„Sam brak sygnału jest ważnym rezultatem naukowym” – mówi Catalina Curceanu.

Nie oznacza to całkowitego wykluczenia możliwości, że grawitacja odgrywa pewną rolę w dekoherencji kwantowej. Dostarcza jednak istotnych informacji o tym, gdzie należy szukać takiego związku. „Wykluczając jeden z najstarszych i najbardziej naturalnych modeli dekoherencji wywoływanej przez grawitację, zawęziliśmy poszukiwania teorii opisującej relację między grawitacją a mechaniką kwantową. Przybliża nas to o krok do zrozumienia jednej z największych zagadek fizyki podstawowej” – mówi Curceanu.

Koniec z czystą spekulacją

Model Károlyházego opiera się na założeniu, że istnieje fundamentalna granica dokładności, z jaką możemy określać położenie obiektów i mierzyć odległości. Od czasu zaproponowania tej teorii podobna idea stała się wspólnym elementem wielu współczesnych prób połączenia fizyki kwantowej z grawitacją, w tym teorii strun i pętlowej grawitacji kwantowej.

„Każde podejście do grawitacji kwantowej ostatecznie prowadzi do przewidywania istnienia minimalnej długości związanej z niepewnością pomiaru czasoprzestrzeni” – mówi Kristian Piscicchia, fizyk kwantowy z Centrum Badań im. Enrica Fermiego, INFN i współpracy VIP we Włoszech, a zarazem kierownik eksperymentalnej części nowego badania.

Choć wiele osób zakłada, że grawitacji kwantowej nie da się badać przy użyciu obecnych technologii, najnowsza praca wpisuje się w rosnącą grupę badań pokazujących, że niektóre koncepcje łączące grawitację z teorią kwantową można dziś poddawać eksperymentalnej weryfikacji.

„Eksperymenty o wysokiej precyzji osiągają obecnie czułość pozwalającą testować idee, które do niedawna należały niemal wyłącznie do sfery teoretycznych spekulacji” – mówi Curceanu. „Wraz ze wzrostem czułości pomiarów przesuwa się granica między teorią a doświadczeniem. Otwiera to nowe możliwości odkrywania fundamentalnych zasad rządzących naszym Wszechświatem”.

Badania wsparł Foundational Questions Institute (FQxI) w ramach programu Consciousness in the Physical World. 

Źródła: 

Nicola Bortolotti, Kristian Piscicchia, Alessio Porcelli, Matthias Laubenstein, Simone Manti, Antonino Marcianò, Federico Nola i Catalina Curceanu, „Experimental exclusion of a generalized Károlyházy gravity-induced decoherence model”, New Journal of Physics. 28, 064511 (2026), DOI: 10.1088/1367-2630/ae774c.

EuerekAlert, What kills Schrödinger’s cat? (2026). https://www.eurekalert.org/news-releases/1144319 

• Nauki ścisłe i nauki o Ziemi