Mnogi so slišali ta izraz, a morda vsi ne razumejo niti njegovega poenostavljenega pomena. Poskusimo to ugotoviti brez zapletenih teorij in formul.
"Schrödingerjeva mačka" je ime znamenitega miselnega eksperimenta znanega avstrijskega teoretičnega fizika Erwina Schrödingerja, ki je tudi Nobelov nagrajenec. Znanstvenik je s to izmišljeno izkušnjo želel pokazati nepopolnost kvantne mehanike pri prehodu iz subatomskih sistemov v makroskopske sisteme.
Originalni članek Ervina Schrödingerja je bil objavljen leta 1935. Tu je citat:
Prav tako lahko sestavite primere, v katerih je burleska dovolj. Naj bo mačka zaprta v jekleno komoro skupaj z naslednjim hudičevim strojem (ki naj bo neodvisen od mačjega posredovanja): znotraj Geigerjevega števca je majhna količina radioaktivne snovi, tako majhna, da lahko v eni uri razkroji samo en atom, vendar z isto verjetnost morda ne bo razpadla; če se to zgodi, se bralna cev izprazni in sproži rele, sprosti kladivo, ki lomi stožec s cianovodikovo kislino.
Če pustite celoten sistem pri sebi eno uro, potem lahko rečemo, da bo mačka po tem času živa, dokler ne pride do razpada atoma. Že prvi razpad atoma bi mačko zastrupil. Psihična funkcija sistema kot celote bo to izrazila z mešanjem ali maščanjem žive in mrtve mačke (oprostite za izraz) v enakih delih. Značilno v takih primerih je, da se negotovost, sprva omejena na atom atomskega sveta, spremeni v makroskopsko negotovost, ki jo je mogoče odpraviti z neposrednim opazovanjem. To nam preprečuje, da bi "nazorni model" zamegljenosti naivno sprejeli kot odraz resničnosti. To samo po sebi še ne pomeni nič nejasnega ali nasprotujočega si. Razlika je med zamegljeno ali zunaj fokusno fotografijo in fotografijo oblakov ali megle.
Z drugimi besedami:
- Tam sta škatla in mačka. Škatla vsebuje mehanizem, ki vsebuje radioaktivno atomsko jedro in posodo s strupenim plinom. Parametri poskusa so bili izbrani tako, da je verjetnost jedrskega razpada v 1 uri 50%. Če se jedro razkroji, se odpre posoda s plinom in mačka umre. Če jedro ne razpade, ostane mačka živa in zdrava.
- Mačko zapremo v škatlo, počakamo uro in se vprašamo: je mačka živa ali mrtva?
- Kvantna mehanika nam kaže, da je atomsko jedro (in zato mačka) hkrati v vseh možnih stanjih (glej kvantno superpozicijo). Preden smo odprli škatlo, je sistem "mačja jedra" v stanju "jedro je razpadlo, mačka je mrtva" z verjetnostjo 50%, v stanju "jedro pa ni razpadlo, mačka je živa" z verjetnostjo 50%. Izkaže se, da je mačka, ki sedi v škatli, hkrati živa in mrtva.
- Po sodobni kopenhaški razlagi je mačka živa / mrtva brez vmesnih stanj. In izbira stanja jedrskega razpada se zgodi ne v trenutku odpiranja škatle, temveč tudi, ko jedro vstopi v detektor. Ker zmanjšanje valovne funkcije sistema "mačka-detektor-jedro" ni povezano s človeškim opazovalcem škatle, temveč je povezano z detektorjem-opazovalcem jedra.
Promocijski video:
Če kvantna mehanika ne kaže opazovanja jedra atoma, potem njeno stanje opisujemo z mešanjem dveh stanj - razpadajočega jedra in nerazrešenega jedra, zato je mačka, ki sedi v škatli in pooseblja jedro atoma, hkrati živa in mrtva. Če se škatla odpre, potem lahko poskusnik vidi samo eno točno določeno stanje - "jedro je razpadlo, mačka je mrtva" ali "jedro ni propadlo, mačka je živa."
Bistvo človeškega jezika: Schrödingerjev poskus je pokazal, da je mačka kvantna mehanika živa in mrtva, kar ne more biti. Zato ima kvantna mehanika velike pomanjkljivosti.
Vprašanje je: kdaj sistem preneha obstajati kot zmes dveh stanj in izbere eno konkretno? Namen poskusa je pokazati, da je kvantna mehanika nepopolna brez nekaterih pravil, ki kažejo, v kakšnih pogojih se valovna funkcija sesede, mačka pa postane mrtva ali ostane živa, vendar preneha biti zmes obeh. Ker je jasno, da mora biti mačka nujno živa ali mrtva (med življenjem in smrtjo ni vmesnega stanja države), bo to isto za atomsko jedro. Biti mora ali razpadla ali nerazpadna (Wikipedia).
Druga najnovejša interpretacija Schrödingerjevega miselnega eksperimenta je zgodba o Sheldonu Cooperju, junaku iz serije Teorija velikega poka, ki ga je recitiral za Pennyjevega manj izobraženega soseda. Bistvo Sheldonove zgodbe je, da lahko koncept mačke Schrödinger uporabimo v odnosih med ljudmi. Da bi razumeli, kaj se dogaja med moškim in žensko, kakšen odnos med njima je: dober ali slab, morate samo odpreti škatlo. Pred tem so odnosi tako dobri kot slabi.
Spodaj je video tega dialoga teorije velikega poka med Sheldonom in petjem.
Schrödingerjeva ilustracija je najboljši primer za opis glavnega paradoksa kvantne fizike: v skladu z njenimi zakoni delci, kot so elektroni, fotoni in celo atomi, obstajajo v dveh stanjih hkrati ("živi" in "mrtvi", če se spomnite dolgo trpeče mačke). Ta stanja imenujemo superpozicije.
Ameriški fizik Art Hobson z univerze v Arkansasu (Arkansas State University) je ponudil svojo rešitev tega paradoksa.
"Meritve v kvantni fiziki temeljijo na delovanju nekaterih makroskopskih naprav, kot je Geigerjev števec, ki določajo kvantno stanje mikroskopskih sistemov - atomov, fotonov in elektronov. Kvantna teorija pomeni, da če priključite mikroskopski sistem (delček) na določeno makroskopsko napravo, ki loči dve različni stanji sistema, potem bo naprava (na primer Geigerjev števec) prešla v stanje kvantne zapletenosti in se bo znašla hkrati tudi v dveh superpozicijah. Vendar pa je nemogoče opazovati ta pojav neposredno, zato je nesprejemljiv, "pravi fizik.
Hobson pravi, da mačka v Schrödingerjevem paradoksu igra vlogo makroskopskega instrumenta, Geigerjevega števca, povezanega z radioaktivnim jedrom, da določi stanje razpada ali "ne-razpad" tega jedra. V tem primeru bo živa mačka indikator "ne-propadanja", mrtva mačka pa indikator propadanja. Toda po kvantni teoriji mora biti mačka, tako kot jedro, v dveh superpozicijah življenja in smrti.
Namesto tega se po fizikalnem mnenju mora kvantno stanje mačke zapletati s stanjem atoma, kar pomeni, da sta med seboj v "ne-lokalni povezavi". Se pravi, če se stanje enega od zapletenih predmetov nenadoma spremeni v nasprotno, potem se bo stanje njegovega para spremenilo povsem enako, ne glede na to, kako daleč sta drug od drugega. Pri tem se Hobson sklicuje na eksperimentalno potrditev te kvantne teorije.
"Najbolj zanimiva stvar v teoriji kvantnega prepletanja je, da se sprememba stanja obeh delcev zgodi v trenutku: noben svetlobni ali elektromagnetni signal ne bi imel časa za prenos informacij iz enega sistema v drugega. Tako lahko rečemo, da gre za en predmet, razdeljen na dva dela po vesolju, ne glede na to, kako velika je razdalja med njimi, "razloži Hobson.
Mačka Schrödinger hkrati ni več živa in mrtva. Mrtev je, če pride do propada, in živ, če razpad nikoli ne pride.
Dodamo, da so podobne možnosti za rešitev tega paradoksa predlagale še tri skupine znanstvenikov v zadnjih tridesetih letih, vendar jih v širokih znanstvenih krogih niso jemali resno in so ostale neopažene. Hobson ugotavlja, da je reševanje paradoksov kvantne mehanike, tudi teoretične, nujno potrebno za njeno globoko razumevanje.
Več o fizikalnem delu si lahko preberete v njegovem članku, ki je bil objavljen v reviji Physical Review A.
Schrödinger.
Toda v zadnjem času je TEORETIKA POJASNILO, KAKO GRAVNOST UBIJALA MAČKA SCHRODINGERJA, vendar je to že težje …
Fiziki praviloma pojasnijo pojav, da je superpozicija možna v svetu delcev, ni pa mogoča pri mačkah ali drugih makroobjektih, posega iz okolja. Ko kvantni predmet prehaja skozi polje ali deluje z naključnimi delci, takoj prevzame samo eno stanje - kot bi ga merili. Tako se uničuje superpozicija, kot so verjeli znanstveniki.
Toda tudi če bi na nek način postalo mogoče makro objekt v stanju superpozicije izolirati od interakcij z drugimi delci in polji, potem bi slej ko prej vseeno prevzelo enotno stanje. Vsaj to velja za procese, ki se dogajajo na površju Zemlje.
Nekje v medzvezdnem prostoru bi morda mačka imela možnost ohraniti kvantno skladnost, toda na Zemlji ali v bližini katerega koli planeta je to zelo malo verjetno. In razlog za to je gravitacija, «pojasnjuje glavni avtor nove študije Igor Pikovski iz Harvard-Smithsonian Centra za astrofiziko.
Pikovsky in njegovi kolegi z dunajske univerze trdijo, da gravitacija uničuje uničevanje kvantnih superpozicij makroobjektov, zato takšnih pojavov v makrokozmosu ne opazimo. Osnovni koncept nove hipoteze je, mimogrede, povzel v celovečercu Interstellar.
Einsteinova splošna teorija relativnosti navaja, da bo izredno masiven predmet upognil vesoljski čas v bližini. Če upoštevamo razmere na lepši ravni, lahko rečemo, da bo za molekulo, nameščeno v bližini Zemlje, čas minil nekoliko počasneje kot za tisto v orbiti našega planeta.
Zaradi vpliva gravitacije na vesolje in čas bo molekul, ki je prišla pod ta vpliv, odklon v svojem položaju. In to bi moralo vplivati na njegovo notranjo energijo - vibracije delcev v molekuli, ki se sčasoma spreminjajo. Če bi molekulo uvedli v stanje kvantne superpozicije dveh lokacij, bi odnos med položajem in notranjo energijo kmalu prisilil molekulo, da "izbere" samo eno od dveh položajev v vesolju.
"V večini primerov je pojav dekoherence povezan z zunanjim vplivom, vendar v tem primeru notranja vibracija delcev vpliva na gibanje same molekule," pojasnjuje Pikovsky.
Tega učinka še nismo opazili, saj so drugi viri dekoherencije, na primer magnetna polja, toplotno sevanje in vibracije, običajno veliko močnejši in povzročijo uničenje kvantnih sistemov že dolgo pred gravitacijo. Toda eksperimentatorji poskušajo preizkusiti navedeno hipotezo.
Markus Arndt, eksperimentalni fizik na dunajski univerzi, izvaja poskuse za opazovanje kvantne superpozicije v makroskopskih predmetih. Pošilja majhne molekule v interferometer in učinkovito daje delcu "izbiro", katero pot mora ubrati. Z vidika klasične mehanike lahko molekula gre samo v eno smer, kvantna molekula pa lahko gre hkrati po dveh poteh, posega vase in ustvarja značilen valovit vzorec.
Podobno nastavitev je mogoče uporabiti tudi za preizkušanje gravitacijske sposobnosti za uničevanje kvantnih sistemov. Če želite to narediti, bo treba primerjati navpični in vodoravni interferometer: v prvem bo superpozicija kmalu izginila zaradi dilatacije časa na različnih "višinah" poti, v drugem pa se lahko ohrani kvantna superpozicija.