Schrodingerova mačka (zjednodušená): Čo to je a prečo je to dôležité?

V roku 1935 - dva roky po získaní Nobelovej ceny za rakúske príspevky za kvantovú fyziku Fyzik Erwin Schrödinger navrhol slávny myšlienkový experiment známy ako Schrödingerov mačací paradox.

Paradox je jednou z najznámejších vecí kvantovej mechaniky v populárnej kultúre, ale nie je to iba surrealistický a zábavný film. spôsob, ako opísať, ako sa správa kvantový svet, v skutočnosti naráža na kľúčovú kritiku dominantnej interpretácie kvanta mechanika.

Vydrží, pretože navrhuje absurdnú myšlienku súčasne živej a mŕtvej mačky, ale má niečo filozofická váha, pretože v istom zmysle je to skutočne niečo, čo by kvantová mechanika mohla naznačovať možné.

Schrödinger prišiel s myšlienkovým experimentom práve z tohto dôvodu. Rovnako ako mnoho iných fyzikov nebol ani on úplne spokojný s kodanskou interpretáciou kvantovej mechaniky a hľadal spôsob, ako sprostredkovať to, čo považoval za centrálna chyba v ňom ako spôsob popisu reality.

Kodanská interpretácia kvantovej mechaniky je stále najrozšírenejším pokusom o pochopenie toho, čo vlastne kvantová fyzika vo fyzikálnom zmysle znamená.

V podstate sa hovorí, že vlnová funkcia (ktorá popisuje stav častice) a Schrödinger rovnica (ktorú použijete na určenie vlnovej funkcie) vám povie všetko, čo môžete vedieť o kvante štát. Na prvý pohľad to môže znieť rozumne, ale znamená to veľa vecí o podstate reality, ktoré mnohým ľuďom nesedia.

Napríklad vlnová funkcia častice sa šíri vesmírom, a tak kodanská interpretácia uvádza, že častica nemá konečné umiestnenie, kým sa nevykoná meranie.

Keď urobíte meranie, spôsobíte kolaps vlnových funkcií a častica okamžite spadne do jedného z niekoľkých možných stavov, čo sa dá predpovedať iba z hľadiska pravdepodobnosti.

Interpretácia hovorí, že kvantové častice v skutočnosti nemajú hodnoty pozorovateľných hodnôt, ako sú poloha, hybnosť alebo spin kým sa neurobí pozorovanie. Existujú v rade potenciálnych stavov, ktoré sa nazývajú „superpozícia“, a v podstate môžu byť považované za všetky naraz, aj keď majú váhu na uznanie, že niektoré štáty sú pravdepodobnejšie ako iné.

Niektorí berú túto interpretáciu prísnejšie ako iní - napríklad na vlnovú funkciu by sa dalo jednoducho pozerať ako na teoretickú konštrukt, ktorý umožňuje vedcom predpovedať výsledky experimentov - ale takto sa interpretácia pozerá kvantovo teória.

V rámci myšlienkového experimentu Schrödinger navrhol umiestniť mačku do škatule, takže bola ukrytá pred pozorovateľmi (môžete si tiež predstaviť, že ide o zvukovo izolovanú škatuľu) spolu s injekčnou liekovkou s jedom. Fľaštička s jedom je pripravená na rozbitie a zabitie mačky, ak dôjde k určitej kvantovej udalosti, ktorú Schrödinger považoval za rozpad rádioaktívneho atómu, ktorý je detegovateľný pomocou Geigerovho počítača.

Ako kvantový proces, načasovanie rádioaktívneho rozpadu nemožno predpovedať v žiadnom konkrétnom prípade, iba ako priemer z mnohých meraní. Takže bez toho, aby bolo možné skutočne zistiť rozpad a injekčnú liekovku s rozbitím jedu, neexistuje doslova žiadny spôsob, ako zistiť, či sa to stalo v experimente.

Rovnako ako sa častice pred meraním v kvantovej teórii nepovažujú za časti v konkrétnom mieste, ale a kvantová superpozícia možných stavov, rádioaktívny atóm možno považovať za superpozíciu „rozpadnutý“ a „nie rozpadnutý. “

Pravdepodobnosť každého z nich sa dá predpovedať na úroveň, ktorá by bola presná pri mnohých meraniach, ale nie pre konkrétny prípad. Takže ak je rádioaktívny atóm v superpozícii a život mačky závisí úplne od tohto stavu, znamená to, že stav mačky je tiež v superpozícii stavov? Inými slovami, je mačka v kvantovej superpozícii živých a mŕtvych?

Dochádza k superpozícii stavov iba na kvantovej úrovni, alebo myšlienkový experiment ukazuje, že by sa mal logicky vzťahovať aj na makroskopické objekty? Ak sa to nemôže týkať makroskopických objektov, prečo nie? A hlavne: Nie je to všetko trochu smiešne?

Myšlienkový experiment sa dostáva do filozofického srdca kvantovej mechaniky. V jednom ľahko pochopiteľnom scenári sú potenciálne problémy kodanskej interpretácie objasnené a navrhovatelia vysvetlenia zostávajú pri niektorých vysvetleniach. Jedným z dôvodov, prečo sa to v populárnej kultúre vyskytuje, je nepochybne to, že názorne ukazuje rozdiel medzi tým, ako kvantová mechanika popisuje stav kvantových častíc, a spôsobom, akým popisujete makroskopické predmety.

Rieši však aj predstavu toho, čo máte na mysli pod pojmom „meranie“ v kvantovej mechanike. Toto je dôležitý koncept, pretože proces kolapsu vlnovej funkcie zásadne závisí od toho, či bolo niečo pozorované.

Potrebujú ľudia fyzicky pozorovať výsledok kvantovej udalosti (napríklad čítanie Geigerovho počítadla), alebo potrebuje jednoducho interakciu s niečím makroskopickým? Inými slovami, je mačka v tomto scenári „meracím prístrojom“ - je takto vyriešený paradox?

Na tieto otázky neexistuje skutočne široko akceptovaná odpoveď. Paradox dokonale vystihuje to, čo je o kvantovej mechanike, ktorá je pre ľudí zvyknutých zažiť, ťažko žalúdočná makroskopický svet, a ktorého mozgy sa nakoniec vyvinuli tak, aby pochopili svet, v ktorom žijete, a nie svet subatomárnych častice.

Paradox EPR je ďalším myšlienkovým experimentom, ktorý má poukázať na problémy s kvantovou mechanikou. Názov dostal podľa Alberta Einsteina, Borisa Podolského a Nathana Rosena, ktorý paradox vymyslel. Týka sa to kvantové zapletenie, ktorý Einstein slávne označoval ako „strašidelnú akciu na diaľku“.

V kvantovej mechanike môžu byť dve častice „zapletené“, takže ktorúkoľvek z dvojice nemožno opísať bez odkazu na iné - ich kvantové stavy sú opísané funkciou zdieľaných vĺn, ktorú nemožno rozdeliť na jednu pre jednu časticu a jednu pre ďalší.

Napríklad dvom časticiam v špecifickom zapletenom stave je možné merať ich „spin“, a ak sa meria jedna ako točenie „hore“, druhý musí mať točenie „dole“ a naopak, aj keď to nie je vopred určené.

To je aj tak trochu ťažké prijať, ale čo ak, paradox EPR navrhuje, boli tieto dve častice oddelené obrovskou vzdialenosťou. Prvé meranie sa vykoná a odhalí „točenie“, ale potom veľmi krátko potom (také rýchle, že dokonca aj svetlo) signál nemohol prejsť z jedného miesta na druhé v čase), meranie sa vykoná na druhom častica.

Ako „vie“ druhá častica výsledok prvého merania, ak je nemožné, aby medzi nimi prešiel signál?

Einstein veril, že to je dôkaz, že kvantová mechanika je „neúplná“ a že v hre sú „skryté premenné“, ktoré vysvetľujú zdanlivo nelogické výsledky, ako sú tieto. V roku 1964 však John Bell našiel spôsob, ako otestovať prítomnosť skrytých premenných, ktoré Einstein navrhol a našiel nerovnosť, ktorá by v prípade porušenia dokázala, že so skrytou premennou nie je možné získať výsledok teória.

Experimenty uskutočňované na tomto základe zistili, že Bellova nerovnosť je narušená, a tak je paradox iba ďalším aspektom kvantovej mechaniky, ktorý zdá sa čudné, ale je to jednoducho spôsob, akým kvantová mechanika funguje.