แมวของชโรดิงเงอร์ (แบบง่าย): มันคืออะไรและเหตุใดจึงสำคัญ?

ในปี 1935 – สองปีหลังจากได้รับรางวัลโนเบลจากผลงานด้านฟิสิกส์ควอนตัม – Austrian นักฟิสิกส์ Erwin Schrödinger ได้เสนอการทดลองทางความคิดที่มีชื่อเสียงซึ่งรู้จักกันในชื่อความขัดแย้งของแมวของชเรอดิงเงอร์

ความขัดแย้งเป็นหนึ่งในสิ่งที่เป็นที่รู้จักมากที่สุดเกี่ยวกับกลศาสตร์ควอนตัมในวัฒนธรรมสมัยนิยม แต่ไม่ใช่แค่เรื่องเหนือจริงและตลก วิธีที่จะอธิบายว่าโลกควอนตัมมีพฤติกรรมอย่างไร จริง ๆ แล้วมันเป็นการวิพากษ์วิจารณ์ที่สำคัญของการตีความควอนตัมที่โดดเด่น กลศาสตร์.

ทนได้เพราะเสนอความคิดไร้สาระของแมวที่มีชีวิตและตายไปพร้อม ๆ กัน แต่ก็มีอยู่บ้าง น้ำหนักเชิงปรัชญาเพราะในแง่หนึ่ง นี่คือสิ่งที่กลศาสตร์ควอนตัมอาจแนะนำได้คือ เป็นไปได้

ชโรดิงเงอร์ได้คิดค้นการทดลองทางความคิดด้วยเหตุผลนี้อย่างแม่นยำ เช่นเดียวกับนักฟิสิกส์คนอื่นๆ อีกหลายคน เขาไม่พอใจกับการตีความกลศาสตร์ควอนตัมของโคเปนเฮเกนอย่างสมบูรณ์ และเขากำลังมองหาวิธีที่จะถ่ายทอดสิ่งที่เขาเห็นว่าเป็น ข้อบกพร่องตรงกลาง ในลักษณะของการอธิบายความเป็นจริง

การตีความกลศาสตร์ควอนตัมในโคเปนเฮเกนยังคงเป็นความพยายามที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางที่สุดในการทำความเข้าใจว่าฟิสิกส์ควอนตัมหมายถึงอะไรในแง่กายภาพ

โดยพื้นฐานแล้วจะบอกว่าฟังก์ชันคลื่น (ซึ่งอธิบายสถานะของอนุภาค) และ Schrödinger สมการ (ที่คุณใช้กำหนดฟังก์ชันคลื่น) จะบอกคุณทุกอย่างเกี่ยวกับควอนตัม สถานะ. สิ่งนี้อาจฟังดูสมเหตุสมผลในตอนแรก แต่สิ่งนี้บ่งบอกถึงหลายสิ่งหลายอย่างเกี่ยวกับธรรมชาติของความเป็นจริงที่ไม่เข้ากับคนจำนวนมาก

ตัวอย่างเช่น ฟังก์ชันคลื่นของอนุภาคกระจายไปทั่วอวกาศ ดังนั้นการตีความในโคเปนเฮเกนจึงระบุว่าอนุภาคไม่มีตำแหน่งที่แน่นอนจนกว่าจะมีการวัด

เมื่อคุณทำการวัด คุณจะทำให้เกิดการยุบตัวของฟังก์ชันคลื่น และอนุภาคจะตกอยู่ในสถานะใดสถานะหนึ่งที่เป็นไปได้ในทันที และสิ่งนี้สามารถคาดการณ์ได้ในแง่ของความน่าจะเป็นเท่านั้น

การตีความบอกว่าอนุภาคควอนตัมไม่มีค่าของสิ่งที่สังเกตได้ เช่น ตำแหน่ง โมเมนตัม หรือสปิน จนกว่าจะมีการสังเกต. พวกมันมีอยู่ในสถานะต่างๆ ที่อาจเกิดขึ้น ในสิ่งที่เรียกว่า "การซ้อน" และโดยพื้นฐานแล้วสามารถเป็น คิดว่าเป็นทั้งหมดพร้อมกัน แม้จะถ่วงน้ำหนักให้ยอมรับว่าบางรัฐมีโอกาสมากกว่า คนอื่น ๆ

บางคนใช้การตีความนี้อย่างเคร่งครัดมากกว่าแบบอื่น ตัวอย่างเช่น ฟังก์ชันคลื่นอาจถูกมองว่าเป็นทฤษฎี โครงสร้างที่ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถทำนายผลลัพธ์ของการทดลองได้ แต่นี่เป็นวิธีที่การตีความมองควอนตัมอย่างกว้างๆ ทฤษฎี.

ในการทดลองทางความคิด Schrödinger เสนอให้วางแมวลงในกล่อง ดังนั้นมันจึงถูกซ่อนจากผู้สังเกตการณ์ (คุณสามารถจินตนาการว่านี่เป็นกล่องกันเสียงด้วย) พร้อมกับขวดยาพิษ ขวดยาพิษนั้นถูกยึดไว้เพื่อทำลายและฆ่าแมวหากมีเหตุการณ์ควอนตัมเกิดขึ้น ซึ่งชโรดิงเงอร์มองว่าการสลายตัวของอะตอมกัมมันตภาพรังสีซึ่งสามารถตรวจพบได้ด้วยเครื่องนับไกเกอร์

ในฐานะที่เป็น กระบวนการควอนตัม ช่วงเวลาของการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีไม่สามารถคาดการณ์ได้ในกรณีใดกรณีหนึ่ง เป็นเพียงค่าเฉลี่ยในการวัดหลายๆ ครั้งเท่านั้น ดังนั้น ไม่มีทางที่จะตรวจพบการเน่าเปื่อยและขวดยาพิษได้อย่างแท้จริง ไม่มีทางรู้เลยจริงๆ ว่ามันเกิดขึ้นในการทดลองหรือไม่

ในลักษณะเดียวกับที่อนุภาคไม่ถือว่าอยู่ในตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่งก่อนการวัดในทฤษฎีควอนตัม แต่ a การทับซ้อนของควอนตัมของสถานะที่เป็นไปได้ อะตอมกัมมันตภาพรังสีถือได้ว่าอยู่ในการทับซ้อนของ "สลาย" และ "ไม่ เสื่อมโทรม”

ความน่าจะเป็นของแต่ละรายการสามารถคาดการณ์ได้ในระดับที่จะแม่นยำกว่าการวัดจำนวนมาก แต่ไม่ใช่สำหรับกรณีเฉพาะ ดังนั้นหากอะตอมของกัมมันตภาพรังสีอยู่ในสถานะซ้อนทับ และชีวิตของแมวขึ้นอยู่กับสถานะนี้ทั้งหมด หมายความว่าสถานะของแมวอยู่ในสถานะซ้อนทับด้วยหรือไม่ กล่าวอีกนัยหนึ่ง แมวอยู่ในการวางซ้อนควอนตัมของการมีชีวิตและความตายหรือไม่?

การซ้อนทับของรัฐเกิดขึ้นที่ระดับควอนตัมเท่านั้นหรือหรือการทดลองทางความคิดแสดงให้เห็นว่าควรใช้ตรรกะกับวัตถุมหภาคด้วยหรือไม่ ถ้าไม่สามารถใช้กับวัตถุขนาดมหึมา ทำไมล่ะ และที่สำคัญที่สุด: ทั้งหมดนี้ไม่ไร้สาระไปหน่อยหรือ?

การทดลองทางความคิดเข้าถึงหัวใจทางปรัชญาของกลศาสตร์ควอนตัม ในสถานการณ์หนึ่งที่เข้าใจง่าย ปัญหาที่อาจเกิดขึ้นกับการตีความของโคเปนเฮเกนถูกเปิดเผย และผู้เสนอคำอธิบายจะเหลือเพียงการอธิบายบางอย่างที่ต้องทำ เหตุผลหนึ่งที่วัฒนธรรมสมัยนิยมยังยืนหยัดอยู่ได้ก็อย่างไม่ต้องสงสัยเลยว่ามันแสดงให้เห็นความแตกต่างอย่างชัดเจน ระหว่างวิธีที่กลศาสตร์ควอนตัมอธิบายสถานะของอนุภาคควอนตัมและวิธีที่คุณอธิบายมหภาค วัตถุ

อย่างไรก็ตาม มันยังจัดการกับแนวคิดของสิ่งที่คุณหมายถึงโดย "การวัด" ในกลศาสตร์ควอนตัม นี่เป็นแนวคิดที่สำคัญ เนื่องจากกระบวนการยุบฟังก์ชันคลื่นขึ้นอยู่กับว่ามีการสังเกตบางสิ่งหรือไม่

คนจำเป็นต้อง สังเกตร่างกาย ผลลัพธ์ของเหตุการณ์ควอนตัม (เช่น การอ่านตัวนับ Geiger) หรือเพียงแค่ต้องการโต้ตอบกับบางสิ่งที่มีมหภาค? กล่าวอีกนัยหนึ่ง แมวเป็น "เครื่องมือวัด" ในสถานการณ์นี้ - นั่นคือวิธีแก้ไขความขัดแย้งหรือไม่?

ไม่มีคำตอบสำหรับคำถามเหล่านี้ที่เป็นที่ยอมรับกันอย่างกว้างขวาง ความขัดแย้งได้รวบรวมสิ่งที่เป็นเรื่องเกี่ยวกับกลศาสตร์ควอนตัมที่ยากต่อกระเพาะอาหารสำหรับมนุษย์ที่คุ้นเคยกับการประสบ โลกมหภาค และแท้จริงแล้ว สมองซึ่งท้ายที่สุดแล้วได้วิวัฒนาการมาเพื่อเข้าใจโลกที่คุณอาศัยอยู่ ไม่ใช่โลกของปรมาณู อนุภาค

EPR Paradox เป็นการทดลองทางความคิดอีกรูปแบบหนึ่งที่มีจุดประสงค์เพื่อแสดงปัญหาเกี่ยวกับกลศาสตร์ควอนตัม และได้รับการตั้งชื่อตาม Albert Einstein, Boris Podolsky และ Nathan Rosen ผู้คิดค้นความขัดแย้ง สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับ ควอนตัมพัวพันซึ่งไอน์สไตน์เรียกกันว่า "การกระทำที่น่ากลัวในระยะไกล"

ในกลศาสตร์ควอนตัม อนุภาคสองอนุภาคสามารถ "พันกัน" ได้ ดังนั้นอนุภาคใดคู่หนึ่งจึงไม่สามารถอธิบายได้โดยไม่ต้องอ้างอิงถึง อื่นๆ – สถานะควอนตัมของพวกมันอธิบายโดยฟังก์ชันคลื่นที่ใช้ร่วมกันซึ่งไม่สามารถแยกออกเป็นหนึ่งสำหรับหนึ่งอนุภาคและอีกอันสำหรับ อื่น

ตัวอย่างเช่น อนุภาคสองอนุภาคในสถานะพัวพันเฉพาะสามารถวัด "การหมุน" ของพวกมันได้ และหากมีการวัดหนึ่งอนุภาค เช่นเดียวกับการสปิน "ขึ้น" อีกอันต้องมีการหมุน "ลง" และในทางกลับกันแม้ว่าจะไม่ได้กำหนดไว้ล่วงหน้าก็ตาม

แม้จะยอมรับได้ยากสักหน่อย แต่ถ้าเป็นข้อขัดแย้งของ EPR ที่เสนอ อนุภาคทั้งสองถูกแยกจากกันด้วยระยะห่างมหาศาล การวัดครั้งแรกทำขึ้นและเผยให้เห็น "หมุนลง" แต่หลังจากนั้นไม่นาน (เร็วจนแม้แต่แสง สัญญาณไม่สามารถเดินทางจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งได้ทันเวลา) การวัดจะทำในวินาที อนุภาค.

อนุภาคที่สอง "รู้" ผลลัพธ์ของการวัดครั้งแรกได้อย่างไรหากสัญญาณไม่สามารถเดินทางระหว่างทั้งสองได้

ไอน์สไตน์เชื่อว่านี่เป็นข้อพิสูจน์ว่ากลศาสตร์ควอนตัม "ไม่สมบูรณ์" และมี "ตัวแปรที่ซ่อนอยู่" ในการเล่นที่จะอธิบายผลลัพธ์ที่ดูเหมือนไร้เหตุผลเช่นนี้ อย่างไรก็ตาม ในปี 1964 จอห์น เบลล์ ได้ค้นพบวิธีทดสอบการมีอยู่ของตัวแปรที่ซ่อนอยู่ซึ่งไอน์สไตน์เสนอและ พบความไม่เท่าเทียมกันที่หากพังทลายจะพิสูจน์ว่าไม่สามารถหาผลลัพธ์ได้ด้วยตัวแปรที่ซ่อนอยู่ ทฤษฎี.

การทดลองที่ดำเนินการบนพื้นฐานของสิ่งนี้พบว่าความไม่เท่าเทียมกันของเบลล์ถูกทำลาย ดังนั้นความขัดแย้งจึงเป็นอีกแง่มุมหนึ่งของกลศาสตร์ควอนตัมที่ ดูเหมือน แปลกแต่เป็นเพียงวิธีการทำงานของกลศาสตร์ควอนตัม