Schrodingers katt (forenklet): Hva er det og hvorfor er det viktig?

I 1935 - to år etter å ha vunnet Nobelprisen for hans bidrag til kvantefysikk - østerriksk Fysiker Erwin Schrödinger foreslo det berømte tankeeksperimentet kjent som Schrödingers katteparadoks.

Paradokset er en av de mest kjente tingene med kvantemekanikk i populærkulturen, men det er ikke bare en surrealistisk og morsom måte å beskrive hvordan kvanteverdenen oppfører seg, rammer den faktisk en nøkkelkritikk av den dominerende tolkningen av kvante mekanikk.

Den holder ut fordi den foreslår den absurde ideen om en samtidig levende og død katt, men den har noen filosofisk vekt fordi dette på sett og vis virkelig er noe kvantemekanikken kan antyde er mulig.

Schrödinger kom opp med tankeeksperimentet av nettopp denne grunnen. Som mange andre fysikere var han ikke helt fornøyd med Københavns tolkning av kvantemekanikk, og han lette etter en måte å formidle det han så på som sentral feil i det som en måte å beskrive virkeligheten på.

Københavns tolkning av kvantemekanikk er fortsatt det mest aksepterte forsøket på å gi mening om hva kvantefysikk egentlig betyr i fysisk forstand.

Det sier i hovedsak at bølgefunksjonen (som beskriver tilstanden til en partikkel) og Schrödinger ligning (som du bruker til å bestemme bølgefunksjonen) forteller deg alt du kan vite om et kvante stat. Dette høres kanskje rimelig ut i begynnelsen, men dette innebærer mange ting om virkeligheten som ikke passer bra for mange mennesker.

For eksempel sprer en partikkels bølgefunksjon seg over rommet, og så sier Københavns tolkning at en partikkel ikke har en endelig plassering før en måling er utført.

Når du foretar en måling, forårsaker du bølgefunksjonskollaps, og partikkelen faller inn i en av flere mulige tilstander umiddelbart, og dette kan bare forutsies når det gjelder sannsynlighet.

Tolkningen sier at kvantepartikler faktisk ikke har verdier av observerbare som posisjon, momentum eller spinn til en observasjon er gjort. De eksisterer i en rekke potensielle tilstander, i det som kalles en "superposisjon" og kan egentlig være tenkt på som alle sammen på en gang, selv om de er vektet på å erkjenne at noen stater er mer sannsynlige enn andre.

Noen tar denne tolkningen strengere enn andre - for eksempel kan bølgefunksjonen ganske enkelt sees på som en teoretisk konstruksjon som gjør det mulig for forskere å forutsi resultatene av eksperimenter - men dette er generelt hvordan tolkningen ser på kvante teori.

I tankeeksperimentet foreslo Schrödinger å plassere en katt i en boks, så den var skjult for observatører (du kan forestille deg at dette også er en lydisolert boks) sammen med et hetteglass med gift. Hetteglasset med gift er rigget for å bryte og drepe katten hvis en bestemt kvantehendelse finner sted, noe Schrödinger tok for å være forfallet til et radioaktivt atom som kan påvises med en Geiger-teller.

Som en kvanteprosess, tidspunktet for radioaktivt forfall kan ikke forutsies i noe spesifikt tilfelle, bare som et gjennomsnitt over mange målinger. Så uten noen måte å faktisk oppdage forfallet og hetteglasset med giftbrudd, er det bokstavelig talt ingen måte å vite om det har skjedd i eksperimentet.

På samme måte som partikler ikke anses å være på et bestemt sted før måling i kvanteteori, men a kvantesuperposisjon av mulige tilstander, kan det radioaktive atomet anses å være i en superposisjon av "forråtnet" og "ikke forfalt. ”

Sannsynligheten for hver kan forutsies til et nivå som ville være nøyaktig over mange målinger, men ikke for et bestemt tilfelle. Så hvis det radioaktive atomet er i en superposisjon, og kattens liv er helt avhengig av denne tilstanden, betyr dette at kattens tilstand også er i superposisjon av stater? Er katten med andre ord i en kvanteoverstilling av levende og døde?

Skjer superposisjonen av tilstander bare på kvantenivå, eller viser tankeeksperimentet at det logisk sett også skal gjelde makroskopiske objekter? Hvis det ikke kan gjelde makroskopiske objekter, hvorfor ikke? Og mest av alt: Er ikke alt litt latterlig?

Tankeeksperimentet kommer til det filosofiske hjertet av kvantemekanikken. I et lettforståelig scenario blir potensielle problemer med Københavns tolkning avslørt, og forkjemperne for forklaringen blir igjen med noen som forklarer å gjøre. En av grunnene til at den har blitt utholdt i populærkulturen, er utvilsomt at den viser forskjellen tydelig mellom hvordan kvantemekanikk beskriver tilstanden til kvantepartikler, og måten du beskriver makroskopisk på gjenstander.

Imidlertid takler den også forestillingen om hva du mener med "måling" i kvantemekanikk. Dette er et viktig konsept, fordi prosessen med bølgefunksjonskollaps avhenger fundamentalt av om noe har blitt observert.

Må folk ha det fysisk observere utfallet av en kvantehendelse (for eksempel å lese Geiger-telleren), eller trenger den rett og slett å samhandle med noe makroskopisk? Med andre ord, er katten en “måleinstrument” i dette scenariet - er det slik paradokset løses?

Det er ikke noe svar på disse spørsmålene som er allment akseptert. Paradokset fanger perfekt opp hva det handler om kvantemekanikk som er vanskelig å mage for mennesker som er vant til å oppleve makroskopisk verden, og faktisk, hvis hjerner til slutt utviklet seg til å forstå verden du lever i, og ikke verden av subatomær partikler.

EPR-paradokset er et annet tankeeksperiment ment å vise problemer med kvantemekanikk, og det ble oppkalt etter Albert Einstein, Boris Podolsky og Nathan Rosen, som utviklet paradokset. Dette forholder seg til kvanteforvikling, som Einstein kjent som "uhyggelig handling på avstand."

I kvantemekanikken kan to partikler "vikles sammen", slik at et hvilket som helst av paret ikke kan beskrives uten referanse til annet - deres kvantetilstander er beskrevet av en delt bølgefunksjon som ikke kan skilles i en for en partikkel og en for en annen.

For eksempel kan to partikler i en spesifikk sammenfiltret tilstand måles "spinn", og hvis en blir målt som å ha spinn "opp", må den andre ha spunnet "ned", og omvendt, selv om dette ikke er bestemt på forhånd.

Dette er uansett litt vanskelig å akseptere, men hva om EPJ-paradokset foreslår at de to partiklene var adskilt av en enorm avstand. Den første målingen utføres og avslører "spinn ned", men så veldig kort tid etterpå (så raskt at til og med et lys signalet ikke kunne ha reist fra ett sted til det andre i tide) en måling utføres på det andre partikkel.

Hvordan vet den andre partikkelen resultatet av den første målingen hvis det er umulig for et signal å ha reist mellom de to?

Einstein mente dette var et bevis på at kvantemekanikken var "ufullstendig", og at det var "skjulte variabler" som kunne forklare tilsynelatende ulogiske resultater som disse. Men i 1964 fant John Bell en måte å teste for tilstedeværelsen av de skjulte variablene Einstein foreslo og fant en ulikhet som, hvis den var ødelagt, ville bevise at resultatet ikke kunne oppnås med en skjult variabel teori.

Eksperimenter utført på bakgrunn av dette har funnet at Bells ulikhet er brutt, og paradokset er altså bare et annet aspekt av kvantemekanikken som virker rart, men er rett og slett slik kvantemekanikken fungerer.