Schrodinger's Cat (vereenvoudigd): wat is het en waarom is het belangrijk?

In 1935 – twee jaar na het winnen van de Nobelprijs voor zijn bijdragen aan de kwantumfysica – Oostenrijkse Natuurkundige Erwin Schrödinger stelde het beroemde gedachte-experiment voor dat bekend staat als de kattenparadox van Schrödinger.

De paradox is een van de meest bekende dingen over kwantummechanica in de populaire cultuur, maar het is niet alleen een surrealistisch en grappig manier om te beschrijven hoe de kwantumwereld zich gedraagt, slaat het in feite op een belangrijke kritiek op de dominante interpretatie van kwantum mechanica.

Het houdt stand omdat het het absurde idee voorstelt van een gelijktijdig levende en dode kat, maar het heeft iets... filosofisch gewicht, omdat dit in zekere zin echt iets is dat de kwantummechanica zou kunnen suggereren mogelijk.

Precies om deze reden bedacht Schrödinger het gedachte-experiment. Net als veel andere natuurkundigen was hij niet helemaal tevreden met de Kopenhagen-interpretatie van de kwantummechanica, en hij was op zoek naar een manier om over te brengen wat hij zag als de

De Kopenhagen-interpretatie van kwantummechanica is nog steeds de meest algemeen aanvaarde poging om te begrijpen wat kwantumfysica eigenlijk betekent in fysieke zin.

Het zegt in wezen dat de golffunctie (die de toestand van een deeltje beschrijft) en de Schrödinger vergelijking (die je gebruikt om de golffunctie te bepalen) vertellen je alles wat je kunt weten over een kwantum staat. Dit klinkt in eerste instantie misschien redelijk, maar dit impliceert veel dingen over de aard van de realiteit die bij veel mensen niet goed zitten.

De golffunctie van een deeltje verspreidt zich bijvoorbeeld over de ruimte, en dus stelt de Kopenhagen-interpretatie dat een deeltje geen definitieve locatie heeft totdat een meting is uitgevoerd.

Wanneer je een meting doet, veroorzaakt het ineenstorting van de golffunctie, en het deeltje valt onmiddellijk in een van verschillende mogelijke toestanden, en dit kan alleen worden voorspeld in termen van een waarschijnlijkheid.

De interpretatie zegt dat kwantumdeeltjes eigenlijk geen waarneembare waarden hebben zoals positie, momentum of spin or totdat een waarneming is gedaan. Ze bestaan ​​in een reeks potentiële toestanden, in wat een "superpositie" wordt genoemd en kunnen in wezen zijn: beschouwd als allemaal tegelijk, hoewel gewogen om te erkennen dat sommige staten waarschijnlijker zijn dan anderen.

Sommigen nemen deze interpretatie strikter dan anderen - de golffunctie kan bijvoorbeeld eenvoudig worden gezien als een theoretische constructie waarmee wetenschappers de resultaten van experimenten kunnen voorspellen - maar dit is in grote lijnen hoe de interpretatie kwantum ziet theorie.

In het gedachte-experiment stelde Schrödinger voor om een ​​kat in een doos te plaatsen, zodat deze verborgen was voor waarnemers (je kunt je voorstellen dat dit ook een geluiddichte doos is), samen met een flesje gif. De flacon met gif is gemanipuleerd om de kat te breken en te doden als er een bepaalde kwantumgebeurtenis plaatsvindt, wat volgens Schrödinger het verval van een radioactief atoom was dat detecteerbaar is met een geigerteller.

Als een kwantumproces, de timing van radioactief verval kan in geen enkel specifiek geval worden voorspeld, alleen als een gemiddelde over veel metingen. Dus zonder enige manier om het verval en de flacon met het breken van gif te detecteren, is er letterlijk geen manier om te weten of het in het experiment is gebeurd.

Op dezelfde manier als deeltjes in de kwantumtheorie niet op een bepaalde locatie worden beschouwd voorafgaand aan de meting, maar a kwantumsuperpositie van mogelijke toestanden, kan het radioactieve atoom worden beschouwd als in een superpositie van "vervallen" en "niet verrot.”

De waarschijnlijkheid van elk kon worden voorspeld tot een niveau dat nauwkeurig zou zijn voor veel metingen, maar niet voor een specifiek geval. Dus als het radioactieve atoom zich in een superpositie bevindt, en het leven van de kat hangt volledig af van deze toestand, betekent dit dan dat de toestand van de kat zich ook in een superpositie van toestanden bevindt? Met andere woorden, bevindt de kat zich in een kwantumsuperpositie van levend en dood?

Gebeurt de superpositie van toestanden alleen op kwantumniveau, of laat het gedachte-experiment zien dat het logisch ook van toepassing zou moeten zijn op macroscopische objecten? Als het niet van toepassing kan zijn op macroscopische objecten, waarom niet? En vooral: is dit niet allemaal een beetje belachelijk?

Het gedachte-experiment raakt de filosofische kern van de kwantummechanica. In een gemakkelijk te begrijpen scenario worden de mogelijke problemen met de Kopenhagen-interpretatie blootgelegd en hebben de voorstanders van de uitleg nog wat uit te leggen. Een van de redenen waarom het in de populaire cultuur wordt doorstaan, is ongetwijfeld dat het het verschil levendig laat zien tussen hoe de kwantummechanica de toestand van kwantumdeeltjes beschrijft, en de manier waarop je macroscopisch beschrijft voorwerpen.

Het behandelt echter ook het idee van wat je bedoelt met "meting" in de kwantummechanica. Dit is een belangrijk concept, omdat het proces van instorting van de golffunctie fundamenteel afhangt van het feit of er iets is waargenomen.

Moeten mensen? fysiek observeren de uitkomst van een kwantumgebeurtenis (bijvoorbeeld het lezen van de geigerteller), of moet het gewoon communiceren met iets macroscopischs? Met andere woorden, is de kat in dit scenario een "meetinstrument" - is dat hoe de paradox wordt opgelost?

Er is niet echt een antwoord op deze vragen dat algemeen wordt geaccepteerd. De paradox geeft perfect weer wat het is met kwantummechanica, dat moeilijk te verteren is voor mensen die gewend zijn aan het ervaren van de macroscopische wereld, en inderdaad, wiens hersenen uiteindelijk zijn geëvolueerd om de wereld waarin je leeft te begrijpen en niet de wereld van subatomaire deeltjes.

De EPR-paradox is een ander gedachte-experiment dat bedoeld is om problemen met de kwantummechanica aan te tonen, en het is vernoemd naar Albert Einstein, Boris Podolsky en Nathan Rosen, die de paradox bedachten. Dit heeft betrekking op: kwantumverstrengeling, die Einstein beroemd noemde als 'spookachtige actie op afstand'.

In de kwantummechanica kunnen twee deeltjes "verstrengeld" zijn, zodat een van het paar niet kan worden beschreven zonder verwijzing naar de andere - hun kwantumtoestanden worden beschreven door een gedeelde golffunctie die niet kan worden gescheiden in één voor één deeltje en één voor een ander.

Twee deeltjes in een specifieke verstrengelde toestand kunnen bijvoorbeeld hun "spin" laten meten, en als er één wordt gemeten als spin "up", moet de andere spin "down" hebben en vice versa, hoewel dit niet van tevoren is bepaald.

Dit is sowieso een beetje moeilijk te accepteren, maar wat als, de EPR-paradox voorstelt, de twee deeltjes op een enorme afstand van elkaar zouden zijn gescheiden. De eerste meting wordt gedaan en onthult "spin down", maar dan heel kort daarna (zo snel dat zelfs een licht signaal kan niet op tijd van de ene naar de andere locatie zijn gereisd) wordt er op de tweede gemeten deeltje.

Hoe "weet" het tweede deeltje het resultaat van de eerste meting als het onmogelijk is dat er een signaal tussen de twee is gereisd?

Einstein geloofde dat dit het bewijs was dat de kwantummechanica "onvolledig" was en dat er "verborgen variabelen" in het spel waren die schijnbaar onlogische resultaten als deze zouden verklaren. In 1964 vond John Bell echter een manier om te testen op de aanwezigheid van de verborgen variabelen die Einstein voorstelde en vond een ongelijkheid die, indien verbroken, zou bewijzen dat het resultaat niet kon worden verkregen met een verborgen variabele theorie.

Experimenten die op basis hiervan zijn uitgevoerd, hebben aangetoond dat de ongelijkheid van Bell is verbroken, en dus is de paradox gewoon een ander aspect van de kwantummechanica dat lijkt vreemd, maar het is gewoon de manier waarop de kwantummechanica werkt.