Schrodingers katt (förenklad): Vad är det och varför är det viktigt?

År 1935 - två år efter att han vann Nobelpriset för hans bidrag till kvantfysik - österrikisk Fysikern Erwin Schrödinger föreslog det berömda tankeexperimentet som kallades Schrödingers kattparadox.

Paradoxen är en av de mest kända sakerna om kvantmekanik i populärkulturen, men det är inte bara en surrealistisk och rolig sätt att beskriva hur kvantvärlden beter sig, den slår faktiskt på en nyckelkritik av den dominerande tolkningen av kvanten mekanik.

Det håller ut för att det föreslår den absurda idén om en samtidigt levande och död katt, men den har en del filosofisk vikt eftersom det på sätt och vis verkligen är något som kvantmekanik kan föreslå är möjlig.

Schrödinger kom med tankeexperimentet av just denna anledning. Liksom många andra fysiker var han inte helt nöjd med Köpenhamns tolkning av kvantmekanik, och han letade efter ett sätt att förmedla det han såg som central fel i det som ett sätt att beskriva verkligheten.

Köpenhamns tolkning av kvantmekanik är fortfarande det mest accepterade försöket att förstå vad kvantfysik egentligen betyder i fysisk mening.

Det säger i huvudsak att vågfunktionen (som beskriver en partikels tillstånd) och Schrödinger ekvation (som du använder för att bestämma vågfunktionen) berättar allt du kan veta om en kvant stat. Det kanske låter rimligt först, men det innebär många saker om verklighetens natur som inte passar bra för många människor.

Till exempel sprids en partikels vågfunktion över rymden, och så säger Köpenhamns tolkning att en partikel inte har en definitiv plats förrän en mätning görs.

När du gör en mätning orsakar du vågfunktionskollaps, och partikeln faller omedelbart i ett av flera möjliga tillstånd, och detta kan bara förutsägas i termer av en sannolikhet.

Tolkningen säger att kvantpartiklar faktiskt inte har värden på observerbara som position, momentum eller spin tills en observation görs. De finns i en rad potentiella tillstånd, i vad som kallas en "superposition" och kan i huvudsak vara betraktas som alla på en gång, även om de är viktade för att erkänna att vissa stater är mer benägna än andra.

Vissa tar denna tolkning striktare än andra - till exempel skulle vågfunktionen helt enkelt kunna ses som en teoretisk konstruktion som gör det möjligt för forskare att förutsäga resultaten av experimenten - men detta är i stort sett hur tolkningen ser kvant teori.

I tankeexperimentet föreslog Schrödinger att placera en katt i en låda, så den var dold för observatörer (du kan föreställa dig att det här också är en ljudisolerad låda) tillsammans med en injektionsflaska med gift. Injektionsflaskan är riggad för att bryta och döda katten om en viss kvantehändelse inträffar, vilket Schrödinger ansåg vara förfallet av en radioaktiv atom som är detekterbar med en Geiger-räknare.

Som en kvantprocess, tidpunkten för radioaktivt förfall kan inte förutsägas i något specifikt fall, bara som ett genomsnitt över många mätningar. Så med inget sätt att faktiskt upptäcka förfallet och injektionsflaskan med giftbrytning finns det bokstavligen inget sätt att veta om det har hänt i experimentet.

På samma sätt som partiklar inte anses vara på en viss plats före mätning i kvantteori, utan a kvantöverlagring av möjliga tillstånd, kan den radioaktiva atomen betraktas som en superposition av "förfallet" och "inte förfallen."

Sannolikheten för var och en kan förutsägas till en nivå som skulle vara korrekt över många mätningar men inte för ett specifikt fall. Så om den radioaktiva atomen är i en superposition, och kattens liv beror helt på detta tillstånd, betyder det då att kattens tillstånd också är i superposition av stater? Med andra ord, är katten i en kvant superposition av levande och döda?

Händer överläget av tillstånd endast på kvantnivå, eller visar tankeexperimentet att det också logiskt bör gälla makroskopiska objekt? Om det inte kan tillämpas på makroskopiska objekt, varför inte? Och mest av allt: Är inte allt lite löjligt?

Tankeexperimentet kommer till kvantmekanikens filosofiska hjärta. I ett lättförståeligt scenario avslöjas de potentiella problemen med Köpenhamntolkningen och förespråkarna för förklaringen lämnas kvar med några som förklarar att göra. En av anledningarna till att den har uthållits i populärkulturen är utan tvekan att den tydligt visar skillnaden mellan hur kvantmekanik beskriver kvantpartiklarnas tillstånd och hur du beskriver makroskopisk föremål.

Men det tar också upp uppfattningen om vad du menar med "mätning" i kvantmekanik. Detta är ett viktigt begrepp, eftersom processen för vågfunktionskollaps i grunden beror på om något har observerats.

Behöver människor fysiskt observera resultatet av en kvantehändelse (till exempel läsning av Geiger-räknaren), eller behöver den helt enkelt interagera med något makroskopiskt? Med andra ord, är katten en "mätanordning" i detta scenario - är det hur paradoxen löses?

Det finns inte riktigt ett svar på dessa frågor som är allmänt accepterade. Paradoxen fångar perfekt vad det handlar om kvantmekanik som är svårt att mage för människor som är vana att uppleva makroskopisk värld, och i själva verket, vars hjärnor i slutändan utvecklades för att förstå världen där du lever och inte världen av subatomära partiklar.

EPR-paradoxen är ett annat tankeexperiment som syftar till att visa problem med kvantmekanik, och det namngavs efter Albert Einstein, Boris Podolsky och Nathan Rosen, som utformade paradoxen. Detta relaterar till kvantsammanflätning, som Einstein berömt kallade "skrämmande handling på avstånd."

I kvantmekanik kan två partiklar "trasslas", så att någon av paret inte kan beskrivas utan hänvisning till andra - deras kvanttillstånd beskrivs av en delad vågfunktion som inte kan separeras i en för en partikel och en för annan.

Till exempel kan två partiklar i ett specifikt intrasslat tillstånd mäta sin "centrifugering" och om en mäts som att ha snurrat "upp", måste den andra ha snurrat "ner" och vice versa, även om detta inte bestäms i förväg.

Detta är ändå lite svårt att acceptera, men vad händer om EPR-paradoxen föreslår att de två partiklarna var åtskilda av ett stort avstånd. Den första mätningen görs och avslöjar ”snurra ner”, men sedan mycket kort därefter (så snabbt att även ett ljus inte kunde ha rest från en plats till den andra i tid) görs en mätning på den andra partikel.

Hur vet den andra partikeln resultatet av den första mätningen om det är omöjligt för en signal att ha färdats mellan de två?

Einstein trodde att detta var ett bevis på att kvantmekanik var "ofullständig" och att det fanns "dolda variabler" som kunde förklara till synes ologiska resultat som dessa. Men 1964 hittade John Bell ett sätt att testa för närvaron av de dolda variablerna Einstein föreslog och fann en ojämlikhet som, om den skulle brytas, skulle bevisa att resultatet inte kunde uppnås med en dold variabel teori.

Experiment utförda på grundval av detta har visat att Bells ojämlikhet bryts, och paradoxen är alltså bara en annan aspekt av kvantmekaniken som verkar konstigt men är helt enkelt hur kvantmekanik fungerar.