Το 1935 - δύο χρόνια μετά το βραβείο Νόμπελ για τις συνεισφορές του στην κβαντική φυσική - Αυστριακή Ο φυσικός Erwin Schrödinger πρότεινε το διάσημο πείραμα σκέψης γνωστό ως παράδοξο γάτας του Schrödinger.
Τι είναι το παράδοξο γάτας του Schrödinger;
Το παράδοξο είναι ένα από τα πιο γνωστά πράγματα για την κβαντική μηχανική στη λαϊκή κουλτούρα, αλλά δεν είναι απλώς ένα σουρεαλιστικό και αστείο τρόπος να περιγράψουμε πώς συμπεριφέρεται ο κβαντικός κόσμος, στην πραγματικότητα χτυπά μια βασική κριτική για την κυρίαρχη ερμηνεία του κβαντικού Μηχανική.
Αντέχει επειδή προτείνει την παράλογη ιδέα μιας ταυτόχρονα ζωντανής και νεκρής γάτας, αλλά έχει κάποια φιλοσοφικό βάρος επειδή, κατά μια έννοια, αυτό είναι κάτι που μπορεί να προτείνει η κβαντομηχανική δυνατόν.
Ο Schrödinger βρήκε το πείραμα σκέψης για αυτόν ακριβώς τον λόγο. Όπως πολλοί άλλοι φυσικοί, δεν ήταν απόλυτα ικανοποιημένος από την ερμηνεία της κβαντικής μηχανικής από την Κοπεγχάγη και έψαχνε έναν τρόπο να μεταφέρει αυτό που είδε ως κεντρικό ελάττωμα σε αυτό ως τρόπο περιγραφής της πραγματικότητας.
Η ερμηνεία της κβαντικής μηχανικής της Κοπεγχάγης
Η ερμηνεία της κβαντικής μηχανικής από την Κοπεγχάγη εξακολουθεί να είναι η πιο ευρέως αποδεκτή προσπάθεια να κατανοήσει τι σημαίνει πραγματικά η κβαντική φυσική με μια φυσική έννοια.
Αναφέρει ουσιαστικά ότι η λειτουργία κυμάτων (που περιγράφει την κατάσταση ενός σωματιδίου) και το Schrödinger εξίσωση (την οποία χρησιμοποιείτε για τον προσδιορισμό της λειτουργίας κύματος) σας λένε όλα όσα μπορείτε να γνωρίζετε για ένα κβαντικό κατάσταση. Αυτό μπορεί να ακούγεται λογικό στην αρχή, αλλά αυτό συνεπάγεται πολλά πράγματα σχετικά με τη φύση της πραγματικότητας που δεν ταιριάζει καλά με πολλούς ανθρώπους.
Για παράδειγμα, η συνάρτηση κύματος ενός σωματιδίου απλώνεται σε όλο το διάστημα και έτσι η ερμηνεία της Κοπεγχάγης δηλώνει ότι ένα σωματίδιο δεν έχει οριστική θέση μέχρι να γίνει μια μέτρηση.
Όταν κάνετε μια μέτρηση, προκαλεί κατάρρευση της λειτουργίας των κυμάτων και το σωματίδιο πέφτει αμέσως σε μία από τις πολλές πιθανές καταστάσεις και αυτό μπορεί να προβλεφθεί μόνο ως προς την πιθανότητα.
Η ερμηνεία λέει ότι τα κβαντικά σωματίδια στην πραγματικότητα δεν έχουν τιμές παρατηρήσιμων όπως θέση, ορμή ή περιστροφή έως ότου γίνει μια παρατήρηση. Υπάρχουν σε μια σειρά πιθανών καταστάσεων, σε αυτό που ονομάζεται «υπέρθεση» και μπορεί ουσιαστικά να είναι Σκέφτηκα όλα αυτά ταυτόχρονα, αν και σταθμισμένα να αναγνωρίσουμε ότι ορισμένες πολιτείες είναι πιο πιθανές από οι υπολοιποι.
Ορισμένοι παίρνουν αυτήν την ερμηνεία πιο αυστηρά από άλλους - για παράδειγμα, η συνάρτηση κυμάτων θα μπορούσε απλώς να θεωρηθεί θεωρητική κατασκευή που επιτρέπει στους επιστήμονες να προβλέψουν τα αποτελέσματα των πειραμάτων - αλλά αυτό είναι γενικά πώς η ερμηνεία βλέπει την κβαντική θεωρία.
Η γάτα του Schrödinger
Στο πείραμα σκέψης, ο Schrödinger πρότεινε να τοποθετηθεί μια γάτα σε ένα κουτί, οπότε ήταν κρυμμένη από τους παρατηρητές (μπορείτε να φανταστείτε ότι πρόκειται για κιβώτιο ηχομόνωσης) μαζί με ένα φιαλίδιο δηλητηρίου. Το φιαλίδιο του δηλητηρίου είναι γεμάτο για να σπάσει και να σκοτώσει τη γάτα εάν λάβει χώρα ένα συγκεκριμένο κβαντικό συμβάν, το οποίο ο Schrödinger πήρε να είναι η αποσύνθεση ενός ραδιενεργού ατόμου που είναι ανιχνεύσιμο με έναν μετρητή Geiger.
Σαν κβαντική διαδικασία, Ο χρόνος ραδιενεργού αποσύνθεσης δεν μπορεί να προβλεφθεί σε καμία συγκεκριμένη περίπτωση, μόνο ως μέσος όρος σε πολλές μετρήσεις. Έτσι, χωρίς να ανιχνεύεται πραγματικά η φθορά και το φιαλίδιο της διάρρηξης δηλητηριάσεων, δεν υπάρχει κυριολεκτικά κανένας τρόπος να γνωρίζουμε εάν έχει συμβεί στο πείραμα.
Με τον ίδιο τρόπο όπως τα σωματίδια δεν θεωρούνται ότι βρίσκονται σε μια συγκεκριμένη θέση πριν από τη μέτρηση στην κβαντική θεωρία, αλλά a κβαντική υπέρθεση πιθανών καταστάσεων, το ραδιενεργό άτομο μπορεί να θεωρηθεί ότι βρίσκεται σε υπέρθεση «αποσυντεθειμένου» και «όχι αποσυντεθειμένο. "
Η πιθανότητα καθενός θα μπορούσε να προβλεφθεί σε επίπεδο που θα ήταν ακριβές σε πολλές μετρήσεις αλλά όχι για μια συγκεκριμένη περίπτωση. Αν λοιπόν το ραδιενεργό άτομο βρίσκεται σε υπέρθεση και η ζωή της γάτας εξαρτάται εξ ολοκλήρου από αυτήν την κατάσταση, αυτό σημαίνει ότι η κατάσταση της γάτας βρίσκεται επίσης σε υπέρθεση των καταστάσεων; Με άλλα λόγια, είναι η γάτα σε μια κβαντική υπέρθεση ζωντανών και νεκρών;
Μήπως η υπέρθεση των καταστάσεων συμβαίνει μόνο σε κβαντικό επίπεδο ή το πείραμα σκέψης δείχνει ότι θα πρέπει λογικά να ισχύει και για μακροσκοπικά αντικείμενα; Εάν δεν μπορεί να εφαρμοστεί σε μακροσκοπικά αντικείμενα, γιατί όχι; Και πάνω απ 'όλα: Δεν είναι όλο αυτό γελοίο;
Γιατί είναι σημαντικό?
Το πείραμα σκέψης φτάνει στη φιλοσοφική καρδιά της κβαντικής μηχανικής. Σε ένα εύκολο στην κατανόηση σενάριο, τα πιθανά ζητήματα με την ερμηνεία της Κοπεγχάγης είναι γυμνά και οι υποστηρικτές της εξήγησης αφήνονται με κάποιους εξηγώντας να κάνουν. Ένας από τους λόγους που υπομένει στη λαϊκή κουλτούρα είναι αναμφίβολα ότι δείχνει έντονα τη διαφορά μεταξύ του τρόπου με τον οποίο η κβαντική μηχανική περιγράφει την κατάσταση των κβαντικών σωματιδίων και του τρόπου που περιγράφετε μακροσκοπικά αντικείμενα.
Ωστόσο, αντιμετωπίζει επίσης την έννοια του τι εννοείς με τη «μέτρηση» στην κβαντική μηχανική. Αυτή είναι μια σημαντική ιδέα, επειδή η διαδικασία της κατάρρευσης της λειτουργίας των κυμάτων εξαρτάται ουσιαστικά από το εάν έχει παρατηρηθεί κάτι.
Χρειάζονται οι άνθρωποι φυσικά παρατηρώ το αποτέλεσμα ενός κβαντικού γεγονότος (για παράδειγμα, ανάγνωση του μετρητή Geiger) ή χρειάζεται απλώς να αλληλεπιδράσει με κάτι μακροσκοπικό; Με άλλα λόγια, είναι η γάτα μια «συσκευή μέτρησης» σε αυτό το σενάριο - είναι πώς επιλύεται το παράδοξο;
Δεν υπάρχει πραγματικά μια απάντηση σε αυτές τις ερωτήσεις που είναι ευρέως αποδεκτές. Το παράδοξο καταγράφει τέλεια τι είναι σχετικά με την κβαντική μηχανική που είναι δύσκολο να στομαχίσει τους ανθρώπους που έχουν συνηθίσει να βιώνουν μακροσκοπικός κόσμος, και μάλιστα, των οποίων ο εγκέφαλος εξελίχθηκε τελικά για να κατανοήσει τον κόσμο στον οποίο ζείτε και όχι τον κόσμο της υποατομικής σωματίδια.
Το παράδοξο EPR
Το παράδοξο EPR είναι ένα άλλο πείραμα σκέψης που προορίζεται να δείξει ζητήματα με την κβαντική μηχανική και πήρε το όνομά του από τους Albert Einstein, Boris Podolsky και Nathan Rosen, οι οποίοι επινόησαν το παράδοξο. Αυτό σχετίζεται με κβαντική εμπλοκή, τον οποίο ο Αϊνστάιν φημίζεται ως «τρομακτική δράση από απόσταση».
Στην κβαντική μηχανική, δύο σωματίδια μπορούν να «μπλέκονται», έτσι ώστε οποιοδήποτε από τα ζευγάρια δεν μπορεί να περιγραφεί χωρίς αναφορά στο Άλλες - οι κβαντικές καταστάσεις τους περιγράφονται από μια συνάρτηση κοινών κυμάτων που δεν μπορεί να διαχωριστεί σε ένα για ένα σωματίδιο και ένα για αλλο.
Για παράδειγμα, δύο σωματίδια σε μια συγκεκριμένη κατάσταση εμπλοκής μπορούν να έχουν τη μέτρηση της «περιστροφής» τους και εάν μετρηθεί ένα σαν να έχει περιστροφή "πάνω", το άλλο πρέπει να έχει περιστροφή "προς τα κάτω" και το αντίστροφο, αν και αυτό δεν καθορίζεται εκ των προτέρων.
Αυτό είναι λίγο δύσκολο να γίνει αποδεκτό ούτως ή άλλως, αλλά αν, σύμφωνα με το παράδοξο EPR, τα δύο σωματίδια χωρίστηκαν σε μια τεράστια απόσταση. Η πρώτη μέτρηση γίνεται και αποκαλύπτει "περιστροφή προς τα κάτω", αλλά στη συνέχεια πολύ σύντομα μετά (τόσο γρήγορα που ακόμη και ένα φως το σήμα δεν θα μπορούσε να έχει ταξιδέψει από τη μία τοποθεσία στην άλλη εγκαίρως) γίνεται μια μέτρηση στη δεύτερη σωματίδιο.
Πώς το δεύτερο σωματίδιο «γνωρίζει» το αποτέλεσμα της πρώτης μέτρησης εάν είναι αδύνατο για ένα σήμα να έχει ταξιδέψει μεταξύ των δύο;
Ο Αϊνστάιν πίστευε ότι αυτό ήταν απόδειξη ότι η κβαντική μηχανική ήταν «ατελής» και ότι υπήρχαν «κρυφές μεταβλητές» στο παιχνίδι που θα εξηγούσαν φαινομενικά παράλογα αποτελέσματα όπως αυτά. Ωστόσο, το 1964, ο John Bell βρήκε έναν τρόπο να δοκιμάσει την παρουσία των κρυφών μεταβλητών που πρότεινε ο Einstein και βρήκε μια ανισότητα που, αν σπάσει, θα αποδείξει ότι το αποτέλεσμα δεν θα μπορούσε να ληφθεί με μια κρυφή μεταβλητή θεωρία.
Τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν με βάση αυτό έδειξαν ότι η ανισότητα του Bell έχει σπάσει και έτσι το παράδοξο είναι μια άλλη πτυχή της κβαντικής μηχανικής που φαίνεται παράξενος αλλά είναι απλώς ο τρόπος που λειτουργεί η κβαντική μηχανική.