قطة شرودنجر (المبسطة): ما هي ولماذا هي مهمة؟

في عام 1935 - بعد عامين من فوزه بجائزة نوبل لمساهماته في فيزياء الكم - النمساوي اقترح الفيزيائي إروين شرودنجر التجربة الفكرية الشهيرة المعروفة باسم مفارقة قطة شرودنغر.

المفارقة هي واحدة من أكثر الأشياء شهرة حول ميكانيكا الكم في الثقافة الشعبية ، لكنها ليست مجرد خيال ومضحك طريقة لوصف كيف يتصرف العالم الكمي ، فإنه في الواقع يوجه نقدًا رئيسيًا للتفسير السائد للكم. علم الميكانيكا.

إنه يدوم لأنه يقترح فكرة سخيفة عن قطة حية وميتة في نفس الوقت ، ولكن لديها بعض الوزن الفلسفي لأنه ، بمعنى ما ، هذا شيء قد تقترحه ميكانيكا الكم ممكن.

جاء شرودنجر بتجربة فكرية لهذا السبب بالتحديد. مثل العديد من الفيزيائيين الآخرين ، لم يكن راضيًا تمامًا عن تفسير كوبنهاجن لميكانيكا الكم ، وكان يبحث عن طريقة لنقل ما رآه على أنه عيب مركزي فيه كوسيلة لوصف الواقع.

لا يزال تفسير كوبنهاجن لميكانيكا الكم هو المحاولة الأكثر قبولًا على نطاق واسع لفهم ما تعنيه فيزياء الكم فعليًا بالمعنى المادي.

تقول بشكل أساسي أن الدالة الموجية (التي تصف حالة الجسيم) ودالة شرودنغر تخبرك المعادلة (التي تستخدمها لتحديد دالة الموجة) بكل ما يمكنك معرفته عن الكم حالة. قد يبدو هذا منطقيًا في البداية ، ولكن هذا يشير إلى الكثير من الأشياء حول طبيعة الواقع التي لا تناسب الكثير من الناس.

على سبيل المثال ، تنتشر الدالة الموجية للجسيم عبر الفضاء ، ولذا فإن تفسير كوبنهاجن ينص على أن الجسيم ليس له موقع محدد حتى يتم إجراء القياس.

عندما تقوم بإجراء قياس ، فإنك تتسبب في انهيار الدالة الموجية ، ويسقط الجسيم على الفور في إحدى الحالات العديدة المحتملة ، ولا يمكن التنبؤ بهذا إلا من حيث الاحتمالية.

يقول التفسير أن الجسيمات الكمومية لا تمتلك في الواقع قيمًا للملاحظة مثل الموضع أو الزخم أو الدوران حتى يتم إجراء ملاحظة. توجد في مجموعة من الحالات المحتملة ، فيما يسمى "التراكب" ويمكن أن تكون كذلك يعتقد أنها جميعًا في وقت واحد ، على الرغم من أنها مرجحة للاعتراف بأن بعض الدول أكثر احتمالية من الآخرين.

يأخذ البعض هذا التفسير بصرامة أكثر من غيره - على سبيل المثال ، يمكن ببساطة النظر إلى الدالة الموجية على أنها نظرية بناء يسمح للعلماء بالتنبؤ بنتائج التجارب - ولكن هذا هو على نطاق واسع كيف ينظر التفسير إلى الكم نظرية.

في التجربة الفكرية ، اقترح شرودنجر وضع قطة في صندوق ، لذلك تم إخفاؤها عن المراقبين (يمكنك تخيل أن يكون هذا الصندوق عازلًا للصوت أيضًا) مع قنينة من السم. تم تجهيز قنينة السم لكسر وقتل القط إذا حدث حدث كمي معين ، والذي اعتبره شرودنجر تحلل ذرة مشعة يمكن اكتشافها باستخدام عداد جيجر.

ك عملية الكم لا يمكن التنبؤ بتوقيت الاضمحلال الإشعاعي في أي حالة محددة ، فقط كمتوسط ​​على العديد من القياسات. لذلك ، مع عدم وجود طريقة للكشف الفعلي عن الانحلال وقارورة تكسير السم ، لا توجد طريقة حرفيًا لمعرفة ما إذا كان قد حدث في التجربة أم لا.

بالطريقة نفسها التي لا تعتبر بها الجسيمات في موقع معين قبل القياس في نظرية الكم ، ولكن أ التراكب الكمي للحالات المحتملة ، يمكن اعتبار الذرة المشعة في حالة تراكب "متحللة" و "لا" متحللة ".

يمكن توقع احتمالية كل منها إلى مستوى قد يكون دقيقًا عبر العديد من القياسات ولكن ليس لحالة معينة. إذن ، إذا كانت الذرة المشعة في حالة تراكب ، وتعتمد حياة القط كليًا على هذه الحالة ، فهل هذا يعني أن حالة القط هي أيضًا في حالة تراكب للحالات؟ بمعنى آخر ، هل القط في حالة تراكب كمي بين الأحياء والميتات؟

هل يحدث تراكب الحالات فقط على المستوى الكمي ، أم أن التجربة الفكرية تُظهر أنه يجب تطبيقه منطقيًا على الأشياء العيانية أيضًا؟ إذا كان لا يمكن تطبيقه على الأشياء العيانية ، فلماذا لا؟ والأهم من ذلك كله: أليس هذا كله سخيفًا بعض الشيء؟

تصل التجربة الفكرية إلى القلب الفلسفي لميكانيكا الكم. في سيناريو واحد سهل الفهم ، يتم الكشف عن المشكلات المحتملة في تفسير كوبنهاجن ويترك مؤيدو التفسير مع بعض الشرح. أحد أسباب تحمله في الثقافة الشعبية هو بلا شك أنه يظهر الاختلاف بوضوح بين كيفية وصف ميكانيكا الكم لحالة الجسيمات الكمومية ، والطريقة التي تصف بها الميكروسكوب شاء.

ومع ذلك ، فإنه يعالج أيضًا فكرة ما تعنيه بـ "القياس" في ميكانيكا الكم. هذا مفهوم مهم ، لأن عملية انهيار الدالة الموجية تعتمد بشكل أساسي على ما إذا كان قد تم ملاحظة شيء ما.

هل يحتاج الناس إلى ذلك مراقبة جسديا نتيجة حدث كمي (على سبيل المثال ، قراءة عداد جيجر) ، أم أنه يحتاج ببساطة إلى التفاعل مع شيء عياني؟ بمعنى آخر ، هل القط "جهاز قياس" في هذا السيناريو - هل هذه هي الطريقة التي يتم بها حل المفارقة؟

لا توجد إجابة فعلية لهذه الأسئلة التي تحظى بقبول واسع النطاق. توضح المفارقة تمامًا ما يتعلق بميكانيكا الكم التي يصعب على البشر الذين اعتادوا اختبارها العالم العياني ، وفي الواقع ، تطورت أدمغته في النهاية لفهم العالم الذي تعيش فيه وليس عالم ما دون الذري حبيبات.

مفارقة EPR هي تجربة فكرية أخرى تهدف إلى إظهار مشاكل مع ميكانيكا الكم ، وقد سميت على اسم ألبرت أينشتاين ، بوريس بودولسكي وناثان روزين ، الذين ابتكروا هذه المفارقة. هذا يتعلق تشابك الكم، التي أشار إليها أينشتاين بشكل مشهور باسم "العمل المخيف عن بعد".

في ميكانيكا الكم ، يمكن أن يكون جسيمان "متشابكين" ، بحيث لا يمكن وصف أي منهما دون الرجوع إلى أخرى - يتم وصف حالاتها الكمومية بواسطة دالة موجية مشتركة لا يمكن فصلها إلى واحدة لجسيم واحد وآخر من أجل اخر.

على سبيل المثال ، يمكن قياس "دوران" جسيمين في حالة تشابك معينة ، وإذا تم قياس أحدهما على أنها تدور "لأعلى" ، يجب أن يكون للآخر يدور "لأسفل" ، والعكس صحيح ، على الرغم من أن هذا لم يتم تحديده مسبقًا.

من الصعب قبول هذا على أي حال ، ولكن ماذا لو افترضت مفارقة EPR أن الجسيمين تم فصلهما بمسافة كبيرة. يتم إجراء القياس الأول ويكشف عن "الدوران لأسفل" ، ولكن بعد ذلك بفترة قصيرة جدًا (سريع جدًا لدرجة أنه حتى الضوء لا يمكن أن تنتقل الإشارة من موقع إلى آخر في الوقت المناسب) يتم إجراء القياس في الثانية الجسيم.

كيف يعرف الجسيم الثاني نتيجة القياس الأول إذا كان من المستحيل انتقال الإشارة بين الاثنين؟

اعتقد أينشتاين أن هذا دليل على أن ميكانيكا الكم كانت "غير مكتملة" ، وأن هناك "متغيرات خفية" تلعب دورًا في تفسير مثل هذه النتائج التي تبدو غير منطقية. ومع ذلك ، في عام 1964 ، وجد جون بيل طريقة لاختبار وجود المتغيرات الخفية التي اقترحها أينشتاين و وجدت متباينة ، إذا تم كسرها ، ستثبت أنه لا يمكن الحصول على النتيجة باستخدام متغير خفي نظرية.

لقد وجدت التجارب التي أجريت على أساس هذا أن عدم مساواة بيل مكسورة ، وبالتالي فإن المفارقة هي مجرد جانب آخر لميكانيكا الكم يبدو غريبة ولكنها ببساطة الطريقة التي تعمل بها ميكانيكا الكم.