Forstå tankeeksperimentet 'Schrodinger's Cat'

Living Wonsilakij / Getty Images

Erwin Schrodinger var en av nøkkelfigurene i kvantefysikk , selv før hans berømte ' Schrödingers katt ' tankeeksperiment. Han hadde skapt kvantebølgefunksjonen, som nå var den definerende bevegelsesligningen i universet, men problemet er at den uttrykte all bevegelse i form av en rekke sannsynligheter – noe som går direkte i strid med hvordan de fleste forskere i dag (og muligens til og med i dag) liker å tro på hvordan den fysiske virkeligheten fungerer.

Schrodinger selv var en slik vitenskapsmann, og han kom opp med konseptet Schrodingers katt for å illustrere problemene med kvantefysikk. La oss vurdere problemene og se hvordan Schrodinger forsøkte å illustrere dem gjennom analogi.

Kvanteubestemmelse

Kvantebølgefunksjonen fremstiller alle fysiske størrelser som en serie av kvantetilstander sammen med en sannsynlighet for at et system er i en gitt tilstand. Tenk på et enkelt radioaktivt atom med en halveringstid på en time.

I følge kvantefysikkens bølgefunksjon vil det radioaktive atomet etter én time være i en tilstand hvor det både er nedbrutt og ikke nedbrutt. Når en måling av atomet er gjort, vil bølgefunksjonen kollapse til én tilstand, men inntil da vil den forbli som en superposisjon av de to kvantetilstandene.

Dette er et sentralt aspekt ved København-tolkningen av kvantefysikk - det er ikke bare det at forskeren ikke vet hvilken tilstand den er i, men det er snarere at den fysiske virkeligheten ikke bestemmes før målingen finner sted. På en eller annen ukjent måte er selve observasjonshandlingen det som stivner situasjonen til en eller annen tilstand. Inntil den observasjonen finner sted, er den fysiske virkeligheten delt mellom alle muligheter.

Videre til katten

Schrodinger utvidet dette ved å foreslå at en hypotetisk katt ble plassert i en hypotetisk boks. I boksen med katten la vi et hetteglass med giftgass, som umiddelbart ville drepe katten. Hetteglasset er koblet til et apparat som er koblet til en geigerteller, en enhet som brukes til å oppdage stråling. Det nevnte radioaktive atomet plasseres i nærheten av Geigertelleren og blir stående der i nøyaktig én time.

Hvis atomet forfaller, vil geigertelleren oppdage strålingen, bryte hetteglasset og drepe katten. Hvis atomet ikke forfaller, vil hetteglasset være intakt og katten vil være i live.

Etter en times periode er atomet i en tilstand der det både er nedbrutt og ikke forfalt. Men gitt hvordan vi har konstruert situasjonen, betyr dette at hetteglasset er både ødelagt og ikke ødelagt, og til syvende og sist i henhold til Københavns tolkning av kvantefysikk katten er både død og levende .

Tolkninger av Schrodinger's Cat

Stephen Hawking er berømt sitert for å si 'Når jeg hører om Schrodingers katt, strekker jeg meg etter pistolen min.' Dette representerer tankene til mange fysikere, fordi det er flere aspekter ved tankeeksperimentet som tar opp problemstillinger. Det største problemet med analogien er at kvantefysikk vanligvis bare opererer på den mikroskopiske skalaen av atomer og subatomære partikler, ikke på den makroskopiske skalaen til katter og giftflasker.

København-tolkningen sier at handlingen med å måle noe får kvantebølgefunksjonen til å kollapse. I denne analogien foregår egentlig målingen ved hjelp av Geiger-telleren. Det er mange interaksjoner langs hendelseskjeden - det er umulig å isolere katten eller de separate delene av systemet slik at det virkelig er kvantemekanisk i naturen.

Når katten selv kommer inn i ligningen, er målingen allerede gjort ... tusen ganger, målinger har blitt gjort - av atomene i Geiger-telleren, hetteglassbrytningsapparatet, hetteglasset, giftgassen, og katten selv. Til og med atomene i boksen foretar 'målinger' når du tenker på at hvis katten faller død om, vil den komme i kontakt med andre atomer enn om den går engstelig rundt boksen.

Hvorvidt forskeren åpner boksen eller ikke er irrelevant, katten er enten levende eller død, ikke en superposisjon av de to statene.

Likevel, i noen strenge syn på København-tolkningen, er det faktisk en observasjon fra en bevisst enhet som kreves. Denne strenge formen for tolkningen er generelt minoritetssynet blant fysikere i dag, selv om det fortsatt er et spennende argument om at sammenbruddet av kvantebølgefunksjonene kan være knyttet til bevissthet. (For en mer grundig diskusjon av bevissthetens rolle i kvantefysikk foreslår jeg Quantum Enigma: Fysikk møter bevissthet av Bruce Rosenblum og Fred Kuttner.)

Enda en annen tolkning er Many Worlds Interpretation (MWI) av kvantefysikk, som foreslår at situasjonen faktisk forgrener seg til mange verdener. I noen av disse verdenene vil katten være død når den åpner esken, i andre vil katten være i live. Mens den fascinerer for publikum, og absolutt for science fiction-forfattere, er Many Worlds-tolkningen også et minoritetssyn blant fysikere, selv om det ikke er noen spesifikke bevis for eller imot det.

Redigert avAnne Marie Helmenstine, Ph.D.