Vuonna 1935 - kaksi vuotta voitettuaan Nobel-palkinnon panoksestaan kvanttifysiikkaan - itävaltalainen Fyysikko Erwin Schrödinger ehdotti kuuluisaa ajatuskokeilua, joka tunnetaan nimellä Schrödingerin kissaparadoksi.
Mikä on Schrödingerin kissaparadoksi?
Paradoksi on yksi kvanttimekaniikan tunnetuimmista asioista populaarikulttuurissa, mutta se ei ole vain surrealistinen ja hauska tapa kuvata kuinka kvanttimaailma käyttäytyy, se todella kohdistuu keskeiseen kritiikkiin kvantin hallitsevasta tulkinnasta mekaniikka.
Se kestää, koska se ehdottaa absurdia ajatusta samanaikaisesti elävästä ja kuolleesta kissasta, mutta sillä on joitain filosofinen paino, koska tietyssä mielessä kvanttimekaniikka saattaa ehdottaa tämän olevan mahdollista.
Schrödinger keksi ajatuskokeilun juuri tästä syystä. Kuten monet muut fyysikot, hän ei ollut täysin tyytyväinen Kööpenhaminan kvanttimekaniikan tulkintaan, ja hän etsii tapaa välittää näkemänsä keskeinen virhe siinä tapa kuvata todellisuutta.
Kööpenhaminan tulkinta kvanttimekaniikasta
Kööpenhaminan kvanttimekaniikan tulkinta on edelleen yleisimmin hyväksytty yritys ymmärtää, mitä kvanttifysiikka todella tarkoittaa fyysisessä mielessä.
Pohjimmiltaan sanotaan, että aaltofunktio (joka kuvaa hiukkasen tilaa) ja Schrödinger yhtälö (jota käytät aaltofunktion määrittämiseen) kertoo kaiken, mitä voit tietää kvantista osavaltio. Tämä saattaa kuulostaa aluksi kohtuulliselta, mutta tämä tarkoittaa monia asioita todellisuuden luonteesta, jotka eivät sovi monille ihmisille.
Esimerkiksi hiukkasen aaltofunktio leviää avaruudessa, joten Kööpenhaminan tulkinnassa todetaan, että hiukkasella ei ole lopullista sijaintia ennen kuin mittaus on tehty.
Kun teet mittauksen, aaltotoiminto romahtaa ja hiukkanen putoaa hetkessä yhteen useista mahdollisista tiloista, ja tämä voidaan ennustaa vain todennäköisyyden perusteella.
Tulkinnan mukaan kvanttihiukkasilla ei todellakaan ole havaittavissa olevia arvoja, kuten sijainti, liikemäärä tai spin kunnes havainto tehdään. Ne ovat olemassa useissa potentiaalisissa tiloissa, ns. "Superpositioksi", ja ne voivat olennaisesti olla ajatellaan olevan ne kaikki kerralla, vaikkakin painotettuna tunnustamaan, että jotkut valtiot ovat todennäköisempiä kuin toiset.
Jotkut pitävät tätä tulkintaa tiukemmin kuin toiset - esimerkiksi aaltofunktiota voidaan yksinkertaisesti pitää teoreettisena rakentaa, jonka avulla tutkijat voivat ennustaa kokeiden tuloksia - mutta tällä tavalla tulkinta suhtautuu kvanttiin teoria.
Schrödingerin kissa
Ajatuskokeessa Schrödinger ehdotti kissan sijoittamista laatikkoon, joten se oli piilotettu tarkkailijoilta (voit kuvitella, että tämäkin on äänieristetty laatikko) yhdessä myrkyllisen injektiopullon kanssa. Myrkkipullo on kiinnitetty rikkomaan ja tappamaan kissa, jos tapahtuu tietty kvanttitapahtuma, jonka Schrödinger otti olevan radioaktiivisen atomin hajoaminen, joka voidaan havaita Geiger-laskurilla.
Kuten a kvanttiprosessi, radioaktiivisen hajoamisen ajoitusta ei voida ennustaa missään erityisessä tapauksessa, vain keskiarvona monissa mittauksissa. Joten ei ole mitään tapaa todeta hajoamista ja myrkkyä rikkoutuvaa injektiopulloa, kirjaimellisesti ei ole mitään keinoa tietää, onko se tapahtunut kokeessa.
Samoin kuin hiukkasten ei katsota olevan tietyssä paikassa ennen mittausta kvanttiteoriassa, mutta a mahdollisten tilojen kvanttisuppositiota, radioaktiivisen atomin voidaan katsoa olevan "hajonnut" ja "ei rappeutunut. "
Jokaisen todennäköisyys voidaan ennustaa tasolle, joka olisi tarkka useissa mittauksissa, mutta ei yksittäisessä tapauksessa. Joten jos radioaktiivinen atomi on päällekkäin ja kissan elämä riippuu kokonaan tästä tilasta, tarkoittaako tämä, että kissan tila on myös valtioiden päällekkäin? Toisin sanoen, onko kissa elävien ja kuolleiden kvanttisessa asemassa?
Tapahtuvatko tilojen päällekkäisyys vain kvanttitasolla vai osoittavatko ajatuskokeilu, että sen pitäisi loogisesti soveltua myös makroskooppisiin kohteisiin? Jos sitä ei voida soveltaa makroskooppisiin kohteisiin, miksi ei? Ja ennen kaikkea: Eikö tämä kaikki ole vähän naurettavaa?
Miksi se on tärkeää?
Ajatuskokeilu pääsee kvanttimekaniikan filosofiseen sydämeen. Yhdessä helposti ymmärrettävässä skenaariossa Kööpenhaminan tulkinnan mahdolliset kysymykset paljastetaan ja selityksen kannattajille jätetään joitain selityksiä. Yksi syy siihen, mitä se on kärsinyt populaarikulttuurissa, on epäilemättä se, että se osoittaa elävästi eron sen välillä, miten kvanttimekaniikka kuvaa kvanttihiukkasten tilaa, ja tapaan, jolla kuvaat makroskooppista esineitä.
Se käsittelee kuitenkin myös käsityksen siitä, mitä tarkoitat "mittauksella" kvanttimekaniikassa. Tämä on tärkeä käsite, koska aaltofunktion romahtaminen riippuu olennaisesti siitä, onko jotain havaittu.
Onko ihmisten tarvetta fyysisesti tarkkailla kvanttitapahtuman tulos (esimerkiksi Geiger-laskurin lukeminen) vai onko sen yksinkertaisesti oltava vuorovaikutuksessa jonkin makroskooppisen kanssa? Toisin sanoen, onko kissa tässä skenaariossa "mittauslaite" - ratkaistaanko näin paradoksi?
Näihin kysymyksiin ei oikeastaan ole laajalti hyväksyttyä vastausta. Paradoksi vangitsee täydellisesti kvanttimekaniikan, jota on vaikea saada vatsaan ihmisille, jotka ovat tottuneet kokemaan sen makroskooppinen maailma, ja todellakin, jonka aivot kehittyivät lopulta ymmärtämään maailmaa, jossa asut, ei subatomisessa maailmassa hiukkasia.
EPR-paradoksi
EPR-paradoksi on toinen ajatuskokeilu, jonka tarkoituksena on näyttää kvanttimekaniikan ongelmat, ja se nimettiin paradoksin keksineiden Albert Einsteinin, Boris Podolskyn ja Nathan Rosenin mukaan. Tämä liittyy kvanttitartunta, jota Einstein tunnetusti kutsui ”pelottavaksi toiminnaksi etäisyydellä”.
Kvanttimekaniikassa kaksi hiukkasia voidaan "kietoutua" siten, että mitään parista ei voida kuvata viittaamatta muut - niiden kvanttitiloja kuvaa yhteinen aaltofunktio, jota ei voida erottaa yhdeksi hiukkaselle ja toiselle toinen.
Esimerkiksi kahdella partikkelilla tietyssä takertuneessa tilassa voidaan mitata "spin" ja jos yksi mitataan sillä pyörii "ylös", toisella on oltava "alas" ja päinvastoin, vaikka tätä ei määritetä etukäteen.
Tätä on joka tapauksessa hieman vaikea hyväksyä, mutta mitä jos EPR-paradoksi ehdottaa, nämä kaksi hiukkasia erotettaisiin toisistaan valtavalla etäisyydellä. Ensimmäinen mittaus tehdään ja paljastaa "spin down", mutta sitten hyvin pian sen jälkeen (niin nopeasti, että jopa valo signaali ei olisi voinut kulkea paikasta toiseen ajoissa) mittaus tehdään toisesta hiukkanen.
Mistä toinen hiukkanen "tietää" ensimmäisen mittauksen tuloksen, jos signaalin kulkeminen näiden kahden välillä on mahdotonta?
Einstein uskoi tämän olevan todiste siitä, että kvanttimekaniikka oli "epätäydellistä" ja että pelissä oli "piilotettuja muuttujia", jotka selittäisivät näennäisen epäloogisia tuloksia. Kuitenkin vuonna 1964 John Bell löysi tavan testata Einsteinin ehdottamien ja piilotettujen muuttujien läsnäolo löysi eriarvoisuuden, joka rikkoutuessaan osoittaisi, että tulosta ei voitu saada piilotetulla muuttujalla teoria.
Tämän perusteella tehdyt kokeet ovat havainneet, että Bellin epätasa-arvo on murskattu, joten paradoksi on vain yksi osa kvanttimekaniikasta, joka näyttää outoa, mutta se on yksinkertaisesti tapa, jolla kvanttimekaniikka toimii.