Kot Schrödingera (uproszczony): co to jest i dlaczego jest ważny?

W 1935 – dwa lata po zdobyciu Nagrody Nobla za wkład w fizykę kwantową – Austrian Fizyk Erwin Schrödinger zaproponował słynny eksperyment myślowy znany jako paradoks kota Schrödingera.

Paradoks jest jedną z najbardziej znanych rzeczy o mechanice kwantowej w kulturze popularnej, ale nie jest to tylko surrealistyczne i zabawne sposób na opisanie, jak zachowuje się świat kwantowy, w rzeczywistości uderza w kluczową krytykę dominującej interpretacji kwantowej mechanika.

Trwa, bo proponuje absurdalną ideę kota jednocześnie żywego i martwego, ale ma trochę… waga filozoficzna, ponieważ w pewnym sensie jest to coś, co może sugerować mechanika kwantowa możliwy.

Schrödinger wymyślił eksperyment myślowy właśnie z tego powodu. Podobnie jak wielu innych fizyków, nie był w pełni usatysfakcjonowany kopenhaską interpretacją mechaniki kwantowej i szukał sposobu na przekazanie tego, co uważał za główna wada w nim jako sposób opisywania rzeczywistości.

Kopenhaska interpretacja mechaniki kwantowej jest nadal najszerzej akceptowaną próbą zrozumienia, co właściwie fizyka kwantowa oznacza w sensie fizycznym.

Zasadniczo mówi, że funkcja falowa (która opisuje stan cząstki) i Schrödinger równanie (którego używasz do określenia funkcji falowej) mówi wszystko, co możesz wiedzieć o kwantach stan. Na początku może to zabrzmieć rozsądnie, ale wiąże się to z wieloma rzeczami dotyczącymi natury rzeczywistości, które nie pasują wielu ludziom.

Na przykład funkcja falowa cząstki rozprzestrzenia się w przestrzeni, więc interpretacja kopenhaska stwierdza, że ​​cząsteczka nie ma ostatecznej lokalizacji, dopóki nie zostanie wykonany pomiar.

Kiedy dokonujesz pomiaru, powodujesz załamanie funkcji falowej, a cząstka natychmiast przechodzi w jeden z kilku możliwych stanów, a to można przewidzieć tylko na podstawie prawdopodobieństwa.

Interpretacja mówi, że cząstki kwantowe w rzeczywistości nie mają wartości obserwowalnych, takich jak pozycja, pęd czy spin dopóki nie zostanie dokonana obserwacja. Występują w szeregu potencjalnych stanów, w tzw. „superpozycji” i zasadniczo mogą być: traktowane jako wszystkie na raz, chociaż ważone, aby uznać, że niektóre stany są bardziej prawdopodobne niż inne.

Niektórzy przyjmują tę interpretację bardziej rygorystycznie niż inni – na przykład funkcja falowa może być po prostu postrzegana jako teoretyczna konstrukt, który pozwala naukowcom przewidywać wyniki eksperymentów – ale ogólnie tak interpretacja postrzega kwant teoria.

W eksperymencie myślowym Schrödinger zaproponował umieszczenie kota w pudełku, tak aby był ukryty przed obserwatorami (możesz sobie wyobrazić, że to też jest dźwiękoszczelne pudełko) wraz z fiolką z trucizną. Fiolka z trucizną jest przystosowana do rozbicia i zabicia kota, jeśli nastąpi określone zdarzenie kwantowe, które Schrödinger uznał za rozpad radioaktywnego atomu wykrywalnego za pomocą licznika Geigera.

Jak proces kwantowy, czasu rozpadu radioaktywnego nie można przewidzieć w żadnym konkretnym przypadku, a jedynie jako średnią z wielu pomiarów. Tak więc bez możliwości wykrycia rozpadu i pęknięcia fiolki z trucizną, dosłownie nie ma sposobu, aby dowiedzieć się, czy to się stało w eksperymencie.

W taki sam sposób, jak cząstki nie są uważane za znajdujące się w określonym miejscu przed pomiarem w teorii kwantowej, ale a kwantowa superpozycja możliwych stanów, atom promieniotwórczy można uznać za znajdujący się w superpozycji „rozpadłych” i „nie zgniły”.

Prawdopodobieństwo każdego z nich można przewidzieć na poziomie, który byłby dokładny dla wielu pomiarów, ale nie dla konkretnego przypadku. Jeśli więc radioaktywny atom znajduje się w superpozycji, a życie kota zależy całkowicie od tego stanu, to czy oznacza to, że stan kota jest również w superpozycji stanów? Innymi słowy, czy kot znajduje się w kwantowej superpozycji żywych i martwych?

Czy superpozycja stanów zachodzi tylko na poziomie kwantowym, czy też eksperyment myślowy pokazuje, że logicznie należy ją stosować również do obiektów makroskopowych? Jeśli nie może dotyczyć obiektów makroskopowych, dlaczego nie? A przede wszystkim: czy to nie jest trochę śmieszne?

Eksperyment myślowy dociera do filozoficznego serca mechaniki kwantowej. W jednym, łatwym do zrozumienia scenariuszu, potencjalne problemy z interpretacją kopenhaską zostają odsłonięte, a zwolennicy wyjaśnienia pozostają z pewnym wyjaśnieniem do zrobienia. Jednym z powodów, dla których przetrwał w kulturze popularnej, jest niewątpliwie to, że wyraźnie pokazuje różnicę między tym, jak mechanika kwantowa opisuje stan cząstek kwantowych, a sposobem, w jaki opisujesz makroskopowe przedmioty.

Jednak zajmuje się również pojęciem tego, co rozumiesz przez „pomiar” w mechanice kwantowej. Jest to ważna koncepcja, ponieważ proces załamywania się funkcji falowej zależy zasadniczo od tego, czy coś zostało zaobserwowane.

Czy ludzie muszą fizycznie obserwować wynik zdarzenia kwantowego (na przykład odczytywanie licznika Geigera), czy po prostu musi wejść w interakcję z czymś makroskopowym? Innymi słowy, czy w tym scenariuszu kot jest „przyrządem pomiarowym” – czy tak rozwiązuje się paradoks?

Tak naprawdę nie ma odpowiedzi na te pytania, która jest powszechnie akceptowana. Paradoks doskonale oddaje to, co w mechanice kwantowej jest trudne do zniesienia dla ludzi przyzwyczajonych do doświadczania świat makroskopowy i rzeczywiście, którego mózgi ostatecznie ewoluowały, aby zrozumieć świat, w którym żyjesz, a nie świat subatomowych cząstki.

Paradoks EPR to kolejny eksperyment myślowy, który ma pokazać problemy z mechaniką kwantową, i został nazwany na cześć Alberta Einsteina, Borisa Podolsky'ego i Nathana Rosena, którzy wymyślili paradoks. Odnosi się to do splątanie kwantowe, który Einstein nazwał słynną „upiorną akcją na odległość”.

W mechanice kwantowej dwie cząstki mogą być „splątane”, tak że żadnej z par nie można opisać bez odniesienia do inne – ich stany kwantowe są opisane przez wspólną funkcję falową, której nie można rozdzielić na jedną dla jednej cząstki i jedną dla inne.

Na przykład dwie cząstki w określonym stanie splątanym mogą mieć zmierzony „spin”, a jeśli zmierzy się jedną one jako mający rotację „w górę”, drugi musi kręcić „w dół” i vice versa, chociaż nie jest to ustalone wcześniej.

I tak jest to trochę trudne do zaakceptowania, ale co by było, gdyby paradoks EPR sugeruje, że te dwie cząstki były oddzielone ogromną odległością. Dokonywany jest pierwszy pomiar i ujawnia się „spin down”, ale zaraz potem (tak szybko, że nawet lekkie sygnał nie mógł przebyć w czasie z jednego miejsca do drugiego) pomiar jest wykonywany w drugim cząstka.

Skąd druga cząstka „zna” wynik pierwszego pomiaru, jeśli niemożliwe jest, aby sygnał przebył między nimi?

Einstein uważał, że jest to dowód na to, że mechanika kwantowa jest „niekompletna” i że w grę wchodzą „ukryte zmienne”, które wyjaśniałyby pozornie nielogiczne wyniki, takie jak te. Jednak w 1964 roku John Bell znalazł sposób na przetestowanie obecności ukrytych zmiennych zaproponowanych przez Einsteina i… znalazł nierówność, która po złamaniu świadczyłaby o tym, że wyniku nie można uzyskać z ukrytą zmienną teoria.

Eksperymenty przeprowadzone na tej podstawie wykazały, że nierówność Bella jest złamana, a więc paradoks jest tylko kolejnym aspektem mechaniki kwantowej, który wydaje się dziwne, ale to po prostu sposób, w jaki działa mechanika kwantowa.