Schrodingers kat (forenklet): Hvad er det og hvorfor er det vigtigt?

I 1935 - to år efter at have vundet Nobelprisen for hans bidrag til kvantefysik - østrigsk Fysiker Erwin Schrödinger foreslog det berømte tankeeksperiment kendt som Schrödingers katteparadoks.

Paradokset er en af ​​de mest kendte ting om kvantemekanik i populærkulturen, men det er ikke kun en surrealistisk og sjov måde at beskrive, hvordan kvanteverdenen opfører sig, rammer den faktisk en nøglekritik af den dominerende fortolkning af kvante mekanik.

Det varer, fordi det foreslår den absurde idé om en samtidig levende og død kat, men den har nogle filosofisk vægt, fordi det på en måde er virkelig noget, som kvantemekanik måske antyder, er muligt.

Schrödinger kom med tankeeksperimentet af netop denne grund. Som mange andre fysikere var han ikke helt tilfreds med Københavns fortolkning af kvantemekanik, og han ledte efter en måde at formidle det, han så som central fejl i det som en måde at beskrive virkeligheden på.

Københavns fortolkning af kvantemekanik er stadig det mest accepterede forsøg på at give mening om, hvad kvantefysik faktisk betyder i fysisk forstand.

Det siger i det væsentlige, at bølgefunktionen (som beskriver en partikels tilstand) og Schrödinger ligning (som du bruger til at bestemme bølgefunktionen) fortæller dig alt hvad du kan vide om et kvante stat. Dette lyder måske rimeligt i starten, men dette indebærer en masse ting om virkelighedens natur, der ikke passer godt med mange mennesker.

For eksempel spredes en partikels bølgefunktion over rummet, og Københavns fortolkning siger således, at en partikel ikke har en endelig placering, før en måling foretages.

Når du foretager en måling, forårsager du bølgefunktionskollaps, og partiklen falder øjeblikkeligt i en af ​​flere mulige tilstande, og dette kan kun forudsiges i form af en sandsynlighed.

Fortolkningen siger, at kvantepartikler faktisk ikke har værdier for observerbare som position, momentum eller spin indtil der er foretaget en observation. De findes i en række potentielle tilstande, i hvad der kaldes en "superposition" og kan i det væsentlige være betragtes som dem alle på én gang, skønt de vejes for at anerkende, at nogle stater er mere tilbøjelige end andre.

Nogle tager denne fortolkning strengere end andre - for eksempel kunne bølgefunktionen simpelthen betragtes som en teoretisk konstruktion, der gør det muligt for forskere at forudsige resultaterne af eksperimenter - men det er bredt, hvordan fortolkningen ser på kvante teori.

I tankeeksperimentet foreslog Schrödinger at placere en kat i en kasse, så den var skjult for observatører (du kan forestille dig, at dette også er en lydtæt boks) sammen med et hætteglas med gift. Hætteglasset med gift er rigget til at bryde og dræbe katten, hvis en bestemt kvantebegivenhed finder sted, hvilket Schrödinger antog for at være henfaldet af et radioaktivt atom, der kan detekteres med en Geiger-tæller.

Som en kvanteproces, tidspunktet for radioaktivt henfald kan ikke forudsiges i noget specifikt tilfælde kun som et gennemsnit over mange målinger. Så uden nogen måde at faktisk opdage henfaldet og hætteglasset med giftbrud, er der bogstaveligt talt ingen måde at vide, om det er sket i eksperimentet.

På samme måde som partikler ikke anses for at være et bestemt sted før måling i kvanteteori, men a kvantesuperposition af mulige tilstande, kan det radioaktive atom betragtes som en superposition af "henfaldet" og "ikke henfaldet. ”

Sandsynligheden for hver kunne forudsiges til et niveau, der ville være nøjagtigt over mange målinger, men ikke for et specifikt tilfælde. Så hvis det radioaktive atom er i en superposition, og kattens liv afhænger helt af denne tilstand, betyder det så, at kattens tilstand også er i superposition af stater? Med andre ord, er katten i en kvanteoverlejring af levende og døde?

Forekommer overlejring af stater kun på kvante-niveau, eller viser tankeeksperimentet, at det også logisk skal gælde for makroskopiske objekter? Hvis det ikke kan gælde for makroskopiske objekter, hvorfor ikke? Og mest af alt: Er det ikke alt sammen latterligt?

Tankeeksperimentet kommer til kvantemekanikens filosofiske hjerte. I et letforståeligt scenario afsløres de potentielle problemer med Københavns fortolkning, og tilhængere af forklaringen står tilbage med nogle, der forklarer at gøre. En af grundene til, at det er udholdt i populærkulturen, er utvivlsomt, at det tydeligt viser forskellen mellem hvordan kvantemekanik beskriver kvantepartiklernes tilstand og den måde, du beskriver makroskopisk på genstande.

Det tackler dog også forestillingen om, hvad du mener med "måling" i kvantemekanik. Dette er et vigtigt begreb, fordi processen med bølgefunktions sammenbrud afhænger fundamentalt af, om noget er blevet observeret.

Har folk brug for det? fysisk observere resultatet af en kvantebegivenhed (for eksempel læsning af Geiger-tælleren), eller er det simpelthen nødvendigt at interagere med noget makroskopisk? Med andre ord, er katten en "måleenhed" i dette scenarie - er det hvordan paradokset løses?

Der er ikke rigtig et svar på disse spørgsmål, der er bredt accepteret. Paradokset fanger perfekt, hvad det handler om kvantemekanik, der er svært at mave for mennesker, der er vant til at opleve makroskopisk verden, og faktisk, hvis hjerner i sidste ende udviklede sig til at forstå den verden, hvor du bor, og ikke en verden af ​​subatomær partikler.

EPR-paradokset er et andet tankeeksperiment beregnet til at vise problemer med kvantemekanik, og det blev opkaldt efter Albert Einstein, Boris Podolsky og Nathan Rosen, der udtænkte paradokset. Dette vedrører kvanteindvikling, som Einstein berømt omtalte som "uhyggelig handling på afstand."

I kvantemekanik kan to partikler "vikles sammen", så ethvert af parret ikke kan beskrives uden henvisning til andet - deres kvantetilstande er beskrevet af en delt bølgefunktion, der ikke kan adskilles i en for en partikel og en for en anden.

For eksempel kan to partikler i en bestemt sammenfiltret tilstand måle deres "spin", og hvis en måles som at have spin "op", skal den anden have drejet "ned" og omvendt, selvom dette ikke er bestemt på forhånd.

Dette er alligevel lidt vanskeligt at acceptere, men hvad nu hvis EPR-paradokset foreslår, at de to partikler var adskilt med en enorm afstand. Den første måling foretages og afslører "spin ned", men derefter meget kort efter (så hurtigt, at selv et lys signal kunne ikke have rejst fra et sted til et andet i tide) en måling foretages på det andet partikel.

Hvordan kender den anden partikel resultatet af den første måling, hvis det er umuligt for et signal at have rejst mellem de to?

Einstein mente, at dette var et bevis på, at kvantemekanik var "ufuldstændig", og at der var "skjulte variabler" i spil, der ville forklare tilsyneladende ulogiske resultater som disse. Men i 1964 fandt John Bell en måde at teste for tilstedeværelsen af ​​de skjulte variabler, som Einstein foreslog og fundet en ulighed, der, hvis den blev brudt, ville bevise, at resultatet ikke kunne opnås med en skjult variabel teori.

Eksperimenter udført på baggrund af dette har vist, at Bells ulighed er brudt, og paradokset er derfor bare et andet aspekt af kvantemekanikken, som ser ud til mærkeligt, men er simpelthen den måde, kvantemekanik fungerer på.