החתול של שרודינגר (מפושט): מה זה ולמה זה חשוב?

בשנת 1935 - שנתיים לאחר שזכה בפרס נובל על תרומתו לפיזיקה קוונטית - אוסטרי הפיזיקאי ארווין שרדינגר הציע את ניסוי המחשבה המפורסם המכונה פרדוקס החתולים של שרדינגר.

הפרדוקס הוא אחד הדברים הידועים ביותר במכניקת הקוונטים בתרבות הפופולרית, אך הוא אינו סוריאליסטי ומצחיק בלבד דרך לתאר כיצד העולם הקוונטי מתנהג, הוא למעשה פוגע בביקורת מרכזית על הפרשנות הדומיננטית של הקוונטים מֵכָנִיקָה.

זה נמשך כיוון שהוא מציע את הרעיון האבסורדי של חתול חי ומת בו זמנית, אבל יש לו כמה משקל פילוסופי מכיוון שבמובן מסוים זה באמת משהו שמכניקת הקוונטים עשויה להציע שהוא אפשרי.

שרדינגר העלה את הניסוי המחשבתי בדיוק מסיבה זו. כמו פיזיקאים רבים אחרים, הוא לא היה מרוצה לחלוטין מהפרשנות של קופנהגן למכניקת הקוונטים, והוא חיפש דרך להעביר את מה שהוא ראה כ פגם מרכזי בו כדרך לתאר את המציאות.

הפרשנות של קופנהגן למכניקת הקוונטים היא עדיין הניסיון המקובל ביותר להבין את משמעות הפיזיקה הקוונטית במובן הפיזי.

זה בעצם אומר כי פונקציית הגל (המתארת ​​את מצב החלקיק) ואת שרדינגר משוואה (בה אתה משתמש כדי לקבוע את פונקציית הגל) אומרת לך כל מה שאתה יכול לדעת על קוונטית מדינה. זה אולי נשמע סביר בהתחלה, אבל זה מרמז על הרבה דברים על טבע המציאות שלא מסתדרים טוב עם אנשים רבים.

לדוגמא, פונקציית הגל של החלקיק מתפשטת על פני החלל, ולכן הפרשנות של קופנהגן קובעת שלחלקיק אין מיקום סופי עד שתבוצע מדידה.

כאשר אתה מבצע מדידה, אתה גורם לקריסת פונקציית גל, והחלקיק נופל לאחד מכמה מצבים אפשריים באופן מיידי, ואת זה ניתן לחזות רק במונחים של הסתברות.

הפרשנות אומרת שלחלקיקים קוונטיים למעשה אין ערכים של תצפיות כמו מיקום, מומנטום או ספין עד שתתבצע תצפית. הם קיימים במגוון מצבים פוטנציאליים, במה שמכונה "סופרפוזיציה" ובעצם יכול להיות נחשב לכולם בבת אחת, אם כי משוקלל להכיר בכך שמדינות מסוימות נוטות יותר מאשר אחרים.

יש המתייחסים לפרשנות זו בצורה קפדנית יותר מאחרים - לדוגמה, ניתן היה לראות בפונקציית הגל פשוט תיאורטית מבנה המאפשר למדענים לחזות את תוצאות הניסויים - אך באופן כללי הפרשנות רואה קוונטית תֵאוֹרִיָה.

בניסוי המחשבי הציע שרדינגר להניח חתול בקופסה, ולכן הוא הוסתר מהצופים (אתה יכול לדמיין שזו גם תיבה אטומה לרעש) יחד עם בקבוקון של רעל. בקבוקון הרעל מתבצע כדי לשבור ולהרוג את החתול אם מתרחש אירוע קוונטי מסוים, שלדברי שרדינגר היה ריקבונו של אטום רדיואקטיבי שניתן לזהות באמצעות מונה גייגר.

כ תהליך קוונטי, לא ניתן לחזות את העיתוי של ריקבון רדיואקטיבי בשום מקרה ספציפי, רק כממוצע על פני מדידות רבות. כך שאין שום דרך לזהות בפירוש את הריקבון ואת בקבוקון שבירת הרעל, ממש אין שום דרך לדעת אם זה קרה בניסוי.

באותו אופן שחלקיקים אינם נחשבים למיקום מסוים לפני המדידה בתורת הקוונטים, אלא א סופרפוזיציה קוונטית של מצבים אפשריים, האטום הרדיואקטיבי יכול להיחשב כעל סופרפוזיציה של "נרקב" ו"לא רָקוּב."

ניתן לחזות את ההסתברות של כל אחד מהם לרמה שתהיה מדויקת על פני מדידות רבות אך לא למקרה ספציפי. אז אם האטום הרדיואקטיבי נמצא בסופרפוזיציה, וחיי החתול תלויים לחלוטין במצב זה, האם זה אומר שמצב החתול נמצא גם בסופרפוזיציה של מצבים? במילים אחרות, האם החתול נמצא בסופרפוזיציה קוונטית של חי ומת?

האם סופרפוזיציה של מצבים מתרחשת רק ברמה הקוונטית, או שמא הניסוי המחשבתי מראה שהיא צריכה לחול באופן הגיוני גם על עצמים מקרוסקופיים? אם זה לא יכול לחול על עצמים מקרוסקופיים, מדוע לא? ובעיקר: האם כל זה לא מעט מגוחך?

הניסוי המחשבתי מגיע ללב הפילוסופי של מכניקת הקוונטים. בתרחיש אחד קל להבנה, הסוגיות הפוטנציאליות בפרשנות קופנהגן נחשפות וחסידי ההסבר נותרים עם כמה שמסבירים לעשות. אחת הסיבות שהוא סובל בתרבות הפופולרית היא ללא ספק שהיא מראה בבירור את ההבדל בין האופן שבו מכניקת הקוונטים מתארת ​​את מצב חלקיקי הקוואנטים, לבין האופן שבו אתה מתאר מקרוסקופי חפצים.

עם זאת, זה גם מתמודד עם התפיסה של מה אתה מתכוון ב"מדידה "במכניקת הקוונטים. זהו מושג חשוב מכיוון שתהליך קריסת פונקציית הגל תלוי ביסודו אם נצפה משהו.

האם אנשים צריכים להתבונן פיזית התוצאה של אירוע קוונטי (למשל קריאת מונה גייגר), או שהוא פשוט צריך לתקשר עם משהו מקרוסקופי? במילים אחרות, האם החתול הוא "מכשיר מדידה" בתרחיש זה - האם כך נפתר הפרדוקס?

אין באמת תשובה לשאלות הללו המקובלת באופן נרחב. הפרדוקס לוכד באופן מושלם את מה שמדובר במכניקת הקוונטים שקשה לבטן לבני אדם שרגילים לחוות את העולם המקרוסקופי, ואכן, שמוחו התפתח בסופו של דבר כדי להבין את העולם בו אתה חי ולא את עולם התת-אטומי חלקיקים.

פרדוקס ה- EPR הוא ניסוי מחשבה נוסף שנועד להראות סוגיות עם מכניקת הקוונטים, והוא נקרא על שם אלברט איינשטיין, בוריס פודולסקי ונתן רוזן, שהגה את הפרדוקס. זה קשור ל הסתבכות קוונטית, שאינשטיין התייחס אליו בכינוי "פעולה מפחידה מרחוק".

במכניקת הקוונטים, ניתן "להסתבך" שני חלקיקים, כך שלא ניתן לתאר כל אחד מהזוג מבלי להתייחס ל אחר - מצבי הקוונטים שלהם מתוארים על ידי פונקציית גל משותפת שאינה ניתנת להפרדה לאחד עבור חלקיק אחד ואחד עבור אַחֵר.

לדוגמא, שני חלקיקים במצב מסובך ספציפי יכולים למדוד את "הסיבוב" שלהם, ואם נמדד אחד כבעל סיבוב "למעלה", השני חייב להסתובב "למטה", ולהיפך, אם כי זה לא נקבע מראש.

זה קצת קשה לקבל בכל מקרה, אבל מה אם, מציע פרדוקס ה- EPR, שני החלקיקים היו מופרדים במרחק עצום. המדידה הראשונה נעשית וחושפת "סיבוב למטה", אך אחר כך זמן קצר מאוד (כל כך מהר שאפילו אור האות לא יכול היה לעבור ממיקום אחד לשני בזמן) מדידה נעשית על השני חֶלְקִיק.

כיצד החלקיק השני "יודע" את תוצאת המדידה הראשונה אם לא יתכן ש אות עבר בין השניים?

איינשטיין האמין שזו הוכחה שמכניקת הקוונטים הייתה "לא שלמה", ושיש "משתנים נסתרים" במשחק שיסבירו תוצאות לא הגיוניות לכאורה כמו אלה. עם זאת, בשנת 1964 מצא ג'ון בל דרך לבדוק את נוכחותם של המשתנים הנסתרים שאיינשטיין הציע מצא אי שוויון שאם הוא נשבר יוכיח שלא ניתן להשיג את התוצאה באמצעות משתנה נסתר תֵאוֹרִיָה.

ניסויים שבוצעו על בסיס זה מצאו כי אי השוויון של בל נשבר, ולכן הפרדוקס הוא רק היבט נוסף של מכניקת הקוונטים נראה מוזר אבל הוא פשוט הדרך שבה מכניקת הקוונטים עובדת.