Pochopenie myšlienkového experimentu „Schrodingerova mačka“.

Living Wonsilakij / Getty Images

Erwin Schrodinger bol jednou z kľúčových postáv kvantová fyzika ešte pred jeho slávnym Schrödingerova mačka myšlienkový experiment. Vytvoril kvantovú vlnovú funkciu, ktorá bola teraz definujúcou pohybovou rovnicou vo vesmíre, ale problémom je, že vyjadrovala všetok pohyb vo forme série pravdepodobností – niečo, čo je v priamom rozpore s tým, ako väčšina vedcov deň (a možno aj dnes) radi veríme tomu, ako funguje fyzická realita.

Sám Schrodinger bol jedným z takýchto vedcov a prišiel s konceptom Schrodingerovej mačky, aby ilustroval problémy s kvantovou fyzikou. Uvažujme teda o problémoch a uvidíme, ako sa ich Schrodinger snažil ilustrovať pomocou analógie.

Kvantová neurčitosť

Kvantová vlnová funkcia zobrazuje všetky fyzikálne veličiny ako sériu kvantových stavov spolu s pravdepodobnosťou, že systém je v danom stave. Uvažujme jeden rádioaktívny atóm s polčasom rozpadu jedna hodina.

Podľa vlnovej funkcie kvantovej fyziky bude rádioaktívny atóm po jednej hodine v stave, kedy je rozpadnutý aj nerozpadnutý. Po vykonaní merania atómu sa vlnová funkcia zrúti do jedného stavu, ale dovtedy zostane ako superpozícia dvoch kvantových stavov.

Toto je kľúčový aspekt kodanskej interpretácie kvantovej fyziky – nejde len o to, že vedec nevie, v akom stave sa nachádza, ale skôr o to, že fyzikálna realita nie je určená, kým nedôjde k aktu merania. Akýmsi neznámym spôsobom je samotný akt pozorovania tým, čo upevňuje situáciu do jedného alebo druhého stavu. Kým sa toto pozorovanie neuskutoční, fyzická realita je rozdelená medzi všetky možnosti.

Na mačku

Schrodinger to rozšíril návrhom, aby bola hypotetická mačka umiestnená v hypotetickej krabici. Do krabice s mačkou by sme umiestnili fľaštičku s jedovatým plynom, ktorý by mačku okamžite zabil. Fľaštička je pripojená k prístroju, ktorý je zapojený do Geigerovho počítača, zariadenia používaného na detekciu žiarenia. Spomínaný rádioaktívny atóm sa umiestni do blízkosti Geigerovho počítača a nechá sa tam presne jednu hodinu.

Ak sa atóm rozpadne, Geigerov počítač zaznamená žiarenie, rozbije fľaštičku a zabije mačku. Ak sa atóm nerozpadne, potom bude liekovka neporušená a mačka bude nažive.

Po uplynutí jednej hodiny je atóm v stave, v ktorom je rozpadnutý aj nerozpadnutý. Avšak vzhľadom na to, ako sme situáciu skonštruovali, to znamená, že liekovka je rozbitá aj nerozbitá a v konečnom dôsledku podľa kodanskej interpretácie kvantovej fyziky mačka je mŕtva aj živá .

Výklady Schrodingerovej mačky

Stephen Hawking je známy výrokom „Keď počujem o Schrodingerovej mačke, siaham po zbrani.“ To predstavuje myšlienky mnohých fyzikov, pretože existuje niekoľko aspektov myšlienkového experimentu, ktoré prinášajú problémy. Najväčší problém s analógiou je, že kvantová fyzika zvyčajne funguje iba v mikroskopickom meradle atómov a subatomárnych častíc, nie v makroskopickom meradle mačiek a liekoviek s jedom.

Kodanská interpretácia uvádza, že akt merania niečoho spôsobuje kolaps kvantovej vlnovej funkcie. V tejto analógii sa akt merania skutočne uskutočňuje pomocou Geigerovho počítača. V reťazci udalostí existuje množstvo interakcií – je nemožné izolovať mačku alebo jednotlivé časti systému tak, aby bol skutočne kvantovo mechanický.

V čase, keď do rovnice vstúpi samotná mačka, meranie už bolo urobené ... tisíckrát sa vykonali merania – atómy Geigerovho počítača, prístroj na rozbíjanie liekoviek, liekovka, jedovatý plyn, a samotná mačka. Dokonca aj atómy v krabici robia „merania“, keď si uvedomíte, že ak mačka spadne mŕtva, dostane sa do kontaktu s inými atómami, ako keby sa nervózne pohybovala okolo krabice.

To, či vedec škatuľu otvorí alebo nie, je irelevantné, mačka je buď živá alebo mŕtva, nie je to superpozícia týchto dvoch stavov.

V niektorých striktných názoroch na kodanskú interpretáciu je však v skutočnosti vyžadované pozorovanie vedomou entitou. Táto striktná forma výkladu je dnes medzi fyzikmi všeobecne menšinovým názorom, aj keď stále existuje nejaký zaujímavý argument, že kolaps kvantových vlnových funkcií môže súvisieť s vedomím. (Pre dôkladnejšiu diskusiu o úlohe vedomia v kvantovej fyzike navrhujem Kvantová Enigma: Fyzika sa stretáva s vedomím od Brucea Rosenbluma a Freda Kuttnera.)

Ešte iná interpretácia je Interpretácia mnohých svetov (MWI) kvantovej fyziky, ktorá predpokladá, že situácia sa v skutočnosti rozvetvuje do mnohých svetov. V niektorých z týchto svetov bude mačka po otvorení krabice mŕtva, v iných bude mačka nažive. Hoci je Výklad mnohých svetov fascinujúci pre verejnosť a určite aj pre autorov sci-fi, je aj menšinovým názorom medzi fyzikmi, hoci neexistujú žiadne konkrétne dôkazy pre alebo proti.

UpravilAnne Marie Helmenstine, Ph.D.