Schrodingerova kočka (zjednodušená): Co to je a proč je to důležité?

V roce 1935 - dva roky po získání Nobelovy ceny za jeho příspěvky do kvantové fyziky - rakouský Fyzik Erwin Schrödinger navrhl slavný myšlenkový experiment známý jako Schrödingerův kočičí paradox.

Paradox je jednou z nejznámějších věcí kvantové mechaniky v populární kultuře, ale není to jen surrealistické a vtipné způsob, jak popsat, jak se chová kvantový svět, ve skutečnosti naráží na klíčovou kritiku dominantní interpretace kvanta mechanika.

Vydrží, protože navrhuje absurdní myšlenku současně živé a mrtvé kočky, ale má něco filozofická váha, protože v jistém smyslu je to opravdu něco, co by kvantová mechanika mohla naznačovat možný.

Schrödinger přišel s myšlenkovým experimentem právě z tohoto důvodu. Stejně jako mnoho jiných fyziků nebyl spokojen s kodaňskou interpretací kvantové mechaniky a hledal způsob, jak vyjádřit to, co viděl jako centrální chyba v tom jako způsob popisu reality.

Kodaňská interpretace kvantové mechaniky je stále nejvíce přijímaným pokusem o pochopení toho, co kvantová fyzika ve fyzickém smyslu vlastně znamená.

V podstatě říká, že vlnová funkce (která popisuje stav částice) a Schrödinger rovnice (kterou používáte k určení vlnové funkce) vám řekne vše, co můžete vědět o kvantu Stát. Zpočátku to může znít rozumně, ale z toho vyplývá mnoho věcí o povaze reality, které mnohým lidem nesedí.

Například vlnová funkce částice se šíří napříč prostorem, a tak kodaňská interpretace uvádí, že částice nemá definitivní umístění, dokud není provedeno měření.

Když provedete měření, způsobíte kolaps vlnové funkce a částice okamžitě spadne do jednoho z několika možných stavů, což lze předvídat pouze z hlediska pravděpodobnosti.

Interpretace říká, že kvantové částice ve skutečnosti nemají hodnoty pozorovatelných hodnot, jako je poloha, hybnost nebo spin dokud není provedeno pozorování. Existují v řadě potenciálních stavů, v tzv. „Superpozici“, a v zásadě mohou být považovány za všechny z nich najednou, i když vážené uznat, že některé státy jsou pravděpodobnější než ostatní.

Někteří berou tuto interpretaci přísněji než ostatní - například vlnovou funkci lze jednoduše považovat za teoretickou konstrukt, který umožňuje vědcům předpovídat výsledky experimentů - ale takto se interpretace chová kvantově teorie.

V myšlenkovém experimentu Schrödinger navrhl umístit kočku do krabice, takže byla skryta před pozorovateli (můžete si také představit, že jde o zvukovou izolaci) spolu s lahvičkou jedu. Lahvička s jedem je připravena rozbít a zabít kočku, pokud dojde k určité kvantové události, kterou Schrödinger považoval za rozpad radioaktivního atomu, který je detekovatelný pomocí Geigerova počítače.

Jako kvantový proces, načasování radioaktivního rozpadu nelze předpovědět v žádném konkrétním případě, pouze jako průměr z mnoha měření. Takže neexistuje způsob, jak skutečně detekovat rozpad a lahvičku rozbití jedu, neexistuje doslova žádný způsob, jak zjistit, zda se to stalo v experimentu.

Stejně jako částice nejsou považovány za části v určitém místě před měřením v kvantové teorii, ale a kvantová superpozice možných stavů, lze radioaktivní atom považovat za superpozici „rozpadlý“ a „ne rozpadlý. “

Pravděpodobnost každého z nich lze předpovědět na úroveň, která by byla přesná při mnoha měřeních, ale ne pro konkrétní případ. Pokud je tedy radioaktivní atom v superpozici a život kočky zcela závisí na tomto stavu, znamená to, že stav kočky je také v superpozici stavů? Jinými slovy, je kočka v kvantové superpozici živých a mrtvých?

Dochází k superpozici stavů pouze na kvantové úrovni, nebo myšlenkový experiment ukazuje, že by měl logicky platit i pro makroskopické objekty? Pokud to nelze použít na makroskopické objekty, proč ne? A hlavně: Není to všechno trochu směšné?

Myšlenkový experiment se dostává do filosofického srdce kvantové mechaniky. V jednom snadno srozumitelném scénáři jsou potencionální problémy s kodaňskou interpretací odhaleny a navrhovatelům vysvětlení je ponecháno určité vysvětlení. Jedním z důvodů, proč se v populární kultuře setkává, je nepochybně to, že názorně ukazuje rozdíl mezi tím, jak kvantová mechanika popisuje stav kvantových částic, a způsobem, jakým popisujete makroskopické předměty.

Rovněž se však zabývá pojmem, co máte na mysli pod pojmem „měření“ v kvantové mechanice. Toto je důležitý koncept, protože proces kolapsu vlnové funkce závisí zásadně na tom, zda bylo něco pozorováno.

Potřebují lidé fyzicky pozorovat výsledek kvantové události (například čtení Geigerova počítadla), nebo prostě potřebuje interakci s něčím makroskopickým? Jinými slovy, je kočka v tomto scénáři „měřicím zařízením“ - je tak vyřešen paradox?

Na tyto otázky ve skutečnosti neexistuje odpověď, která je široce přijímaná. Paradox dokonale vystihuje to, o čem je kvantová mechanika, která je pro lidi, kteří jsou zvyklí zažít, těžko žaludku makroskopický svět a jeho mozky se nakonec vyvinuly tak, aby pochopily svět, ve kterém žijete, a ne svět subatomárních částice.

Paradox EPR je dalším myšlenkovým experimentem, jehož cílem je ukázat problémy s kvantovou mechanikou, a byl pojmenován podle Alberta Einsteina, Borise Podolského a Nathana Rosena, kteří paradox vymysleli. To se týká Kvantové zapletení, který Einstein skvěle označoval jako „strašidelnou akci na dálku“.

V kvantové mechanice mohou být „zapleteny“ dvě částice, takže kteroukoli z dvojice nelze popsat bez odkazu na jiné - jejich kvantové stavy jsou popsány funkcí sdílené vlny, kterou nelze rozdělit na jednu pro jednu částici a jednu pro další.

Například dvěma částicím ve specifickém zapleteném stavu může být změřen jejich „spin“, a pokud je měřen jeden jako točení „nahoře“, druhý musí mít točení „dolů“ a naopak, i když to není předem určeno.

To je i tak trochu obtížné přijmout, ale co kdyby paradox EPR navrhuje, byly tyto dvě částice odděleny velkou vzdáleností. První měření je provedeno a odhaluje „točit se dolů“, ale pak velmi krátce nato (tak rychle, že dokonce světlo signál nemohl cestovat z jednoho místa na druhé v čase), měření se provádí na druhém částice.

Jak druhá částice „zná“ výsledek prvního měření, pokud je nemožné, aby mezi nimi prošel signál?

Einstein věřil, že to je důkaz, že kvantová mechanika je „neúplná“ a že ve hře jsou „skryté proměnné“, které by vysvětlovaly zdánlivě nelogické výsledky, jako jsou tyto. V roce 1964 však John Bell našel způsob, jak otestovat přítomnost skrytých proměnných, které Einstein navrhl a našel nerovnost, která by v případě rozbití dokázala, že se skrytou proměnnou nelze získat výsledek teorie.

Experimenty prováděné na základě toho zjistily, že Bellova nerovnost je narušena, a tak je paradox jen dalším aspektem kvantové mechaniky, který zdá se je to zvláštní způsob, jakým kvantová mechanika funguje.