Leta 1935 - dve leti po dobitku Nobelove nagrade za prispevke k kvantni fiziki - avstrijsko Fizik Erwin Schrödinger je predlagal znameniti miselni eksperiment, znan kot Schrödingerjev mačji paradoks.
Kaj je Schrödingerjev mačji paradoks?
Paradoks je ena najbolj znanih stvari o kvantni mehaniki v popularni kulturi, vendar ni zgolj nadrealističen in smešen način, kako opisati, kako se obnaša kvantni svet, dejansko zadene ključno kritiko prevladujoče interpretacije kvanta mehanika.
Vztraja, ker predlaga absurdno idejo o sočasno živi in mrtvi mački, vendar ima nekaj filozofsko težo, kajti v nekem smislu je to res nekaj, kar bi lahko predlagala kvantna mehanika mogoče.
Schrödinger je miselni eksperiment pripravil ravno iz tega razloga. Kot mnogi drugi fiziki tudi on ni bil popolnoma zadovoljen s københavnsko interpretacijo kvantne mehanike in iskal je način, kako sporočiti to, kar je videl kot osrednja napaka v njem kot način opisovanja resničnosti.
Interpretacija kvantne mehanike v Københavnu
Kopenhagenska interpretacija kvantne mehanike je še vedno najbolj razširjen poskus razumevanja, kaj kvantna fizika dejansko pomeni v fizičnem smislu.
V bistvu piše, da valovna funkcija (ki opisuje stanje delca) in Schrödingerjeva enačba (ki jo uporabljate za določitev valovne funkcije) vam pove vse, kar lahko veste o kvantu država. To se morda sprva sliši razumno, vendar to pomeni veliko stvari o naravi resničnosti, ki marsikomu ne ustreza.
Na primer, valovna funkcija delca se razširi po vesolju, zato kopenhagenska interpretacija navaja, da delec nima natančne lokacije, dokler ni opravljena meritev.
Ko opravite meritev, povzročite kolaps valovne funkcije in delec takoj pade v eno od več možnih stanj, kar je mogoče predvideti le z verjetnostjo.
Razlaga pravi, da kvantni delci dejansko nimajo vrednosti opazovalnih vrednosti, kot so položaj, zagon ali spin dokler se ne opazi. Obstajajo v vrsti potencialnih stanj, v tem, kar se imenuje "superpozicija" in v bistvu lahko obstajajo mislil, da so vsi naenkrat, čeprav tehtano priznava, da so nekatere države bolj verjetne kot drugi.
Nekateri to razlago jemljejo bolj strogo kot drugi - na primer na valovno funkcijo bi lahko gledali preprosto kot na teoretično konstrukt, ki znanstvenikom omogoča napovedovanje rezultatov poskusov - toda interpretacija na splošno gleda na kvant teorija.
Schrödingerjeva mačka
V miselnem poskusu je Schrödinger predlagal, da bi mačko postavili v zaboj, zato je bila opazovalcem skrita (lahko si predstavljate, da je tudi to zvočno izolirana škatla) skupaj z vialo s strupom. Viala s strupom je nameščena, da se mačka zlomi in ubije, če se zgodi določen kvantni dogodek, za katerega je Schrödinger sprejel razpad radioaktivnega atoma, ki ga je mogoče zaznati z Geigerjevim števcem.
Kot kvantni proces, časa radioaktivnega razpada ni mogoče napovedati v nobenem konkretnem primeru, le kot povprečje za številne meritve. Torej, ker dejansko ni mogoče dejansko zaznati razpada in viale z strupom, dobesedno ni mogoče vedeti, ali se je to zgodilo v poskusu.
Tako kot delci pred merjenjem v kvantni teoriji ne veljajo za določeno lokacijo, ampak a kvantne superpozicije možnih stanj, lahko štejemo, da je radioaktivni atom v superpoziciji "razpadlega" in "ne razpadli. "
Verjetnost vsakega bi lahko napovedali do ravni, ki bi bila natančna pri številnih meritvah, ne pa tudi za določen primer. Torej, če je radioaktivni atom v superpoziciji in je življenje mačke v celoti odvisno od tega stanja, ali to pomeni, da je tudi mačje stanje v superpoziciji? Z drugimi besedami, ali je mačka v kvantni superpoziciji živih in mrtvih?
Ali se superpozicija stanj zgodi le na kvantni ravni ali miselni eksperiment kaže, da bi moral logično veljati tudi za makroskopske predmete? Če ne more veljati za makroskopske predmete, zakaj ne? In predvsem: Ali ni vse to nekoliko smešno?
Zakaj je to pomembno?
Miselni eksperiment seže v filozofsko srce kvantne mehanike. V enem lahko razumljivem scenariju se razkrijejo morebitne težave s tolmačenjem v Københavnu, zagovornikom razlage pa ostane nekaj razlag. Eden od razlogov za to, da se je znašel v popularni kulturi, je nedvomno ta, da nazorno kaže na razliko med tem, kako kvantna mehanika opisuje stanje kvantnih delcev, in načinom, kako opisujete makroskopsko predmetov.
Vendar se loteva tudi pojma, kaj v kvantni mehaniki mislite z "merjenjem". To je pomemben koncept, ker je postopek kolapsa valovne funkcije v osnovi odvisen od tega, ali je bilo nekaj opaženo.
Ali morajo ljudje fizično opazujte rezultat kvantnega dogodka (na primer branje Geigerjevega števca) ali pa preprosto potrebuje interakcijo z nečim makroskopskim? Z drugimi besedami, ali je mačka v tem primeru "merilna naprava" - ali je tako razrešen paradoks?
Na ta vprašanja v resnici ni splošno sprejetega odgovora. Paradoks popolnoma zajame, kaj je pri kvantni mehaniki težko na želodcu za ljudi, ki so navajeni doživljati makroskopski svet in katerega možgani so se na koncu razvili, da bi razumeli svet, v katerem živite, in ne svet subatomskih delcev.
Paradoks EPR
Paradoks EPR je še en miselni eksperiment, ki naj bi pokazal težave s kvantno mehaniko, poimenovan pa je bil po Albertu Einsteinu, Borisu Podolskemu in Nathanu Rosenu, ki so paradoks zasnovali. To se nanaša na kvantno zapletanje, ki ga je Einstein slavno označil za "sablasno delovanje na daljavo."
V kvantni mehaniki se lahko dva delca "zapleteta", tako da nobenega iz para ni mogoče opisati brez sklicevanja na drugo - njihova kvantna stanja opisuje skupna valovna funkcija, ki je ni mogoče ločiti na eno za en delček in eno za drugo.
Na primer, delcem v določenem zapletenem stanju se lahko izmeri "spin" in če se izmeri en kot da se vrti "navzgor", se mora drugi vrteti "navzdol" in obratno, čeprav to ni določeno vnaprej.
To je sicer težko sprejeti, toda kaj, če, kot je predvideno v paradoksu EPR, delca ločuje velika razdalja. Prva meritev je narejena in razkrije "vrtenje navzdol", nato pa zelo kmalu zatem (tako hitro, da celo svetloba signal ni mogel pravočasno potovati z ene lokacije na drugo) meritev se opravi na drugi delec.
Kako drugi delec "ve" rezultat prve meritve, če je nemogoče, da bi signal potoval med obema?
Einstein je verjel, da je to dokaz, da je bila kvantna mehanika "nepopolna" in da so v igri "skrite spremenljivke", ki bi razložile na videz nelogične rezultate, kot so ti. Vendar je John Bell leta 1964 našel način, kako preizkusiti prisotnost skritih spremenljivk, ki jih je predlagal Einstein in ugotovila neenakost, ki bi, če bi bila prekinjena, dokazala, da rezultata ni mogoče dobiti s skrito spremenljivko teorija.
Poskusi, izvedeni na tej podlagi, so pokazali, da je Bellova neenakost prekinjena, zato je paradoks le še en vidik kvantne mehanike, ki se zdi čudno, ampak preprosto deluje kvantna mehanika.
