1935. aastal - kaks aastat pärast Nobeli preemia võitmist panuse eest kvantfüüsikasse - Austria Füüsik Erwin Schrödinger pakkus välja kuulsa mõttekatse, mida tuntakse Schrödingeri kassi paradoksina.
Mis on Schrödingeri kassi paradoks?
Paradoks on popkultuuris kvantmehaanika üks tuntumaid asju, kuid see pole pelgalt sürreaalne ja naljakas kuidas kirjeldada kvantmaailma käitumist, tabab see tegelikult kvantide domineeriva tõlgenduse põhikriitikat mehaanika.
See püsib, sest pakub välja absurdse idee üheaegselt elusast ja surnud kassist, kuid tal on mõned filosoofiline kaal, sest mõnes mõttes võib see kvantmehaanika soovitada võimalik.
Schrödinger tuli mõttekatse välja just sel põhjusel. Sarnaselt paljude teiste füüsikutega ei olnud ta kvantmehaanika Kopenhaageni tõlgendusega täielikult rahul ning ta otsis viisi, kuidas edasi anda seda, mida ta nägi keskne viga selles reaalsuse kirjeldamise viisina.
Kopenhaageni kvantmehaanika tõlgendus
Kvantmehaanika Kopenhaageni tõlgendus on endiselt kõige laialdasemalt aktsepteeritud katse mõista, mida kvantfüüsika tegelikult füüsilises mõttes tähendab.
Sisuliselt öeldakse, et lainefunktsioon (mis kirjeldab osakese olekut) ja Schrödinger võrrand (mida kasutate lainefunktsiooni määramiseks) ütleb teile kõik, mida saate kvandi kohta teada saada riik. See võib esialgu tunduda mõistlik, kuid see tähendab reaalsuse olemuse kohta paljusid asju, mis ei sobi paljudele inimestele.
Näiteks osakese lainefunktsioon levib kogu ruumis ja nii öeldakse Kopenhaageni tõlgenduses, et osakesel pole lõplikku asukohta enne, kui mõõtmine on tehtud.
Mõõtmise korral põhjustate lainefunktsiooni kokkuvarisemise ja osake langeb hetkega ühte mitmest võimalikust olekust ning seda saab ennustada ainult tõenäosuse mõttes.
Tõlgendus ütleb, et kvantosakestel pole tegelikult jälgitavate väärtusi, näiteks positsiooni, impulssi või pöörlemist kuni vaatluse tegemiseni. Nad eksisteerivad paljudes potentsiaalsetes olekutes, nn superpositsioonina ja võivad põhimõtteliselt olla mõeldakse neist kõigist korraga, ehkki kaalutakse tunnistama, et mõned riigid on tõenäolisemad kui teised.
Mõned võtavad seda tõlgendust rangemalt kui teised - näiteks lainefunktsiooni võiks lihtsalt vaadelda kui teoreetilist konstrukt, mis võimaldab teadlastel ennustada katsete tulemusi - kuid laias laastus vaatleb tõlgendus kvanti teooria.
Schrödingeri kass
Mõttekatses tegi Schrödinger ettepaneku paigutada kass kasti, nii et see peideti vaatlejate (võite ette kujutada, et see on ka helikindel kast) eest koos mürgiviaaliga. Mürgiviaal on kohustatud kassi purustamiseks ja tapmiseks, kui toimub teatud kvantsündmus, mida Schrödinger pidas Geigeri loenduri abil tuvastatava radioaktiivse aatomi lagunemiseks.
Nagu kvantprotsess, radioaktiivse lagunemise ajastust ei saa ühelgi konkreetsel juhul ennustada, vaid keskmiselt paljude mõõtmiste korral. Nii et ilma lagunemise ja mürgi purunemise viaali reaalseks avastamiseks pole sõna otseses mõttes võimalust teada saada, kas see on katses juhtunud.
Samamoodi nagu kvantteoorias ei peeta osakesi enne mõõtmist kindlas kohas, vaid a võimalike seisundite kvantpinnastuse korral võib radioaktiivset aatomit pidada “lagunenud” ja “mitte lagunenud. "
Igaühe tõenäosust saab ennustada tasemeni, mis oleks täpne paljude mõõtmiste korral, kuid mitte konkreetse juhtumi puhul. Nii et kui radioaktiivne aatom on superpositsioonis ja kassi elu sõltub täielikult sellest seisundist, kas see tähendab, et kassi seisund on ka riikide superpositsioonis? Teisisõnu, kas kass on elus ja surnud kvant superpositsioonis?
Kas olekute superpositsioon toimub ainult kvanttasandil või näitab mõttekatse, et see peaks loogiliselt kehtima ka makroskoopiliste objektide puhul? Kui seda ei saa makroskoopiliste objektide puhul rakendada, siis miks mitte? Ja mis kõige tähtsam: kas see kõik pole natuke naeruväärne?
Miks see on oluline?
Mõttekatse jõuab kvantmehaanika filosoofiasse. Ühes hõlpsasti mõistetavas stsenaariumis pannakse Kopenhaageni tõlgenduse võimalikud probleemid paljaks ja selgituse pooldajatele jäetakse mõned selgitused. Üks põhjus, miks see popkultuuris vastu pidas, on kahtlemata see, et see näitab erinevust ilmekalt selle vahel, kuidas kvantmehaanika kirjeldab kvantosakeste olekut, ja selle vahel, kuidas te kirjeldate makroskoopilisi objektid.
Kuid see käsitleb ka mõistet, mida mõtlete kvantmehaanikas mõõte all. See on oluline mõiste, sest lainefunktsiooni kokkuvarisemise protsess sõltub põhimõtteliselt sellest, kas midagi on täheldatud.
Kas inimestel on vaja füüsiliselt jälgima kvantsündmuse tulemus (näiteks Geigeri loenduri lugemine) või peab see lihtsalt millegi makroskoopilise suhtlusega tegelema? Teisisõnu, kas kass on selle stsenaariumi korral “mõõteseade” - kas paradoks laheneb nii?
Nendele küsimustele pole tegelikult laialt aktsepteeritud vastust. Paradoks tabab suurepäraselt kvantmehaanika, mida on raske kogeda inimestele, kes on harjunud seda kogema makroskoopiline maailm ja tõepoolest, kelle aju arenes lõpuks mõistmaks maailma, milles elate, mitte subatoomilise maailma mõistmiseks osakesed.
EPR paradoks
EPR paradoks on veel üks mõttekatse, mille eesmärk on näidata probleeme kvantmehaanikaga, ja see sai nime paradoksi välja töötanud Albert Einsteini, Boris Podolsky ja Nathan Roseni järgi. See on seotud kvantpõimitus, mida Einstein nimetas kuulsalt kui "õudne tegevus eemal".
Kvantmehaanikas saab kaks osakest kokku põimida, nii et ühtegi neist paaridest ei saa kirjeldada ilma muu - nende kvantseisundeid kirjeldab jagatud lainefunktsioon, mida ei saa ühe osakese jaoks eraldada ühe ja ühe jaoks teine.
Näiteks võib kahe kindlasse takerdunud olekusse kuuluva osakese “spinni” mõõta ja kui seda mõõdetakse kui pöörlemist "üles", peab teisel olema "alla" ja vastupidi, kuigi seda pole eelnevalt kindlaks määratud.
Seda on niikuinii veidi raske aktsepteerida, aga mis oleks, kui EPR paradoks pakub, et neid kahte osakest eraldaks tohutu kaugus. Esimene mõõtmine tehakse ja see näitab "spin down", kuid siis väga varsti pärast seda (nii kiiresti, et isegi valgus signaal ei oleks võinud ajas ühest kohast teise rännata) mõõdetakse teine osake.
Kuidas teine osake esimese mõõtmise tulemust "teab", kui signaali pole võimalik nende kahe vahel liikuda?
Einstein uskus, et see tõendab kvantmehaanika „puudulikkust” ja mängib „varjatud muutujaid”, mis seletaksid näiliselt ebaloogilisi tulemusi. Kuid 1964. aastal leidis John Bell viisi Einsteini pakutud ja peidetud muutujate olemasolu testimiseks leidis ebavõrdsuse, mis purunemisel tõestaks, et tulemust ei ole võimalik varjatud muutujaga saavutada teooria.
Selle põhjal tehtud katsed on leidnud, et Belli ebavõrdsus on katki ja seega on paradoks kvantmehaanika vaid üks aspekt, mis tundub kummaline, kuid see on lihtsalt kvantmehaanika tööpõhimõte.