Machnięcie skrzydeł motyla może zmienić bieg historii? Naukowo o „efekcie motyla”

Przed takimi niebezpieczeństwami mieszania w historii doktor Emmet Brown ostrzegał młodego Marty’ego w filmie „Powrót do przeszłości”. Pokazane są one także w filmach „Przypadek”, „Biegnij Lola, biegnij” czy „Efekt motyla” właśnie. Co innego popularno-naukowa rozrywka, a co innego rzeczywiste problemy fizyki.

Nie mogąc skorzystać z przenoszącego się w czasie DeLoreana DMC-12, para fizyków z amerykańskiego Los Alamos National Laboratory musiała zadowolić się symulacją na komputerze kwantowym IBM-Q.

Symulacja

– Na tego typu maszynie nie jest szczególnie trudne ani symulowanie wydarzeń dziejących się równolegle na dwóch gałęziach czasu, ani pokazywanie jakiegoś procesu wspak – wyjaśnił fizyk teoretyczny Nikolai Sinitsyn.

Fizycy nie stworzyli w maszynie kwantowej identycznej z naszą alternatywnej rzeczywistości zasiedlonej przez symulowane byty ludzkie, jak miało to miało na przykład miejsce w serialu „Devs” sieci FX. Im wystarczyła uboższa scenografia złożona ze skorelowanych ze sobą stanów kwantowych. Pozwoliło im to na obserwowanie jak drobne zmiany podczas odtwarzania przeszłych wydarzeń wpływać będą na rozwój sytuacji w kolejnych etapach.

– Zobaczyliśmy jak w złożonym świecie kwantowym wyglądać będzie proces cofnięcia się w czasie, dokonania tam małych uszkodzeń i powrót do współczesności. Nasz świat przetrwał ten eksperyment, ergo efekt motyla w mechanice kwantowej nie istnieje – przekonuje Sinitsyn.

Znane zjawisko

Założenie, że drobna zmiana może przynieść olbrzymie skutki nie jest nowa. Choćby w 1800 roku w pracy „Die Bestimmung des Menschen” (niem. powołanie człowieka) niemiecki filozof Johann Gottlieb Fichte napisał, że „nie da się usunąć ziarnka piasku ze swojego miejsca nie zmieniając wszystkich części niepoliczalnej całości”.

Samemu wyrażeniu „efekt motyla”, zapożyczonemu przez autorów filmu o tym samym tytule z 2004, pozwolił niejako narodzić się Ray Bradbury, który w krótkim opowiadaniu z 1952 roku „I uderzył grzmot” (org. ”Sound of thunder”, ze zbioru wydanego w Polsce jako „Złociste jabłka słońca”) pokazał jak dramatyczne skutki dla przyszłości może wywołać rozdeptanie motyla.

Niecałą dekadę później, w 1961 roku, eksperyment ilustrujący takie zjawisko wykonał niechcący (zmianę wyniku wywołał zaokrąglając pierwotne dane wprowadzonych do systemu) matematyk Edward Lorenz specjalizujący się w komputerowym przepowiadaniu pogody i deterministycznej teorii chaosu. Dwa lata później przekuł on swoje przypadkowe odkrycie w teorię zaprezentowaną w pracy ”Deterministic Nonperiodic Flow”, w której zawarł komentarz o uderzeniach skrzydeł, ale ptaka.

Mewa

– Jeden z meteorologów powiedział, że jeżeli [moja] teoria jest prawdziwa, to jedno uderzenie skrzydeł mewy wystarczyłoby do zmiany pogody na zawsze. Choć kontrowersje jeszcze nie umilkły, najnowsze dowody zdają się wskazywać w stronę mewy – napisał. Pod wpływem sugestii kolegów zmienił mewę na bardziej poetycko brzmiącego motyla.

Wreszcie, jak głosi anegdota opowiadana przez samego autora, nie mając lepszego tytułu dla prezentacji na 139. spotkaniu Amerykańskiego Stowarzyszenia Rozwoju Nauki (AAAS), jego kanadyjski kolega matematyk teoretyczny z McGill University podrzucił słynne „Czy machnięcie skrzydeł motyla w Brazylii może wywołać tornado w Teksasie?”

Podobnie do rozgniecionego butem motyla z opowiadania Bradbury’ego, efekt trzepania skrzydłami w deterministycznej teorii chaosu ma daleko idące konsekwencje. Jeżeli wszystko z góry jest ukartowane, to jedynym problemem powstrzymującym nas przed poznaniem przyszłości jest złożoność równania.

Chaos kontra chaos

W świecie klasycznej fizyki, gdzie rzeczywistość działa jak ułożone jedna za drugą kostki domina, łatwiej wyobrazić sobie następowanie kolejnych wydarzeń. Nawet, gdy ostateczny efekt jest poza zasięgiem złożonych algorytmów.

Stany kwantowe podlegają jednak innym prawom i do teraz nie było jasne, jak efekt motyla mógłby objawić się w tak złożonej rzeczywistości. Sinitsyn i jego kolega, Bin Yan, chcieli zobaczyć co stanie się jeżeli cofnęliby przebieg interakcji plączących ze sobą kubity (jednostki informacji kwantowej) a potem rozdeptaliby kilka (dokonując ich pomiaru, tym samym zmieniając ich stan) i ponownie uruchomili system i dokonali pomiaru w tej samej konfiguracji.

– Odkryliśmy, że jeżeli ktoś z zewnątrz dokonałby zmieniającego stan pomiaru jakiegoś splątania, to nadal moglibyśmy odczytać istotne informacje bo w czasie dekodowania zmiana stanu nie została powiększona – wyjaśnił Yan. Motyl w świecie kwantowym może trzepać swoimi skrzydłami jak opętany. Niczego już nie zmieni. W deterministycznym chaosie kwantowego świata zwyczajnie nie ma możliwości zmiany „efektu końcowego poprzez cofnięcie się w czasie”.

Maszyny do podróży w czasie na tym odkryciu nie zbudujemy, ale jacyś fizycy teoretyczni będą mieli szansę zastosować je do swoich filozoficzno-matematycznych rozważań. – Chaos w klasycznej fizyce i chaos w fizyce kwantowej to dwie kompletnie różne rzeczy. I to pokazaliśmy – komentuje Sinitsyn swoją analizę opisaną w czasopiśmie ”Physical Review Letters”.