Oto jak działa kot Schrodingera

Erwin Schrodinger był jedną z kluczowych postaci w Fizyka kwantowa, jeszcze przed jego słynnym „Kot Schrödingera" eksperyment myślowy. Stworzył funkcję fali kwantowej, która była teraz definiującym równaniem ruchu we wszechświecie, ale problem polega na tym, że wyrażał on cały ruch w postaci szereg prawdopodobieństw - coś, co jest sprzeczne z tym, jak większość współczesnych naukowców (a być może nawet dzisiaj) wierzy w to, jak rzeczywistość fizyczna działa.

Sam Schrodinger był jednym z takich naukowców i opracował koncepcję kota Schrodingera, aby zilustrować problemy fizyki kwantowej. Zastanówmy się zatem nad problemami i zobaczmy, jak Schrodinger starał się je zilustrować poprzez analogię.

Funkcja fali kwantowej przedstawia wszystkie wielkości fizyczne jako ciąg stanów kwantowych wraz z prawdopodobieństwem, że układ znajdzie się w danym stanie. Rozważ pojedynczy atom radioaktywny z okresem półtrwania wynoszącym godzinę.

Zgodnie z funkcją fali fizyki kwantowej po godzinie atom radioaktywny znajdzie się w stanie, w którym ulega zarówno rozpadowi, jak i rozpadowi. Po wykonaniu pomiaru atomu funkcja falowa zapadnie się w jeden stan, ale do tego czasu pozostanie jako superpozycja dwóch stanów kwantowych.

Jest to kluczowy aspekt kopenhaskiej interpretacji fizyki kwantowej - nie tylko naukowiec tego nie wie w jakim jest stanie, ale raczej rzeczywistość fizyczna nie jest określana, dopóki nie nastąpi akt pomiaru miejsce. W jakiś nieznany sposób sam akt obserwacji utrwala sytuację w takim czy innym stanie. Dopóki ta obserwacja nie nastąpi, rzeczywistość fizyczna jest podzielona na wszystkie możliwości.

Schrodinger rozszerzył to, proponując umieszczenie hipotetycznego kota w hipotetycznym pudełku. W pudełku z kotem umieścilibyśmy fiolkę z trującym gazem, która natychmiast zabiłaby kota. Fiolka jest podłączona do aparatu podłączonego do licznika Geigera, urządzenia służącego do wykrywania promieniowania. Wspomniany radioaktywny atom umieszcza się w pobliżu licznika Geigera i pozostawia tam na dokładnie godzinę.

Jeśli atom rozpadnie się, licznik Geigera wykryje promieniowanie, złamie fiolkę i zabije kota. Jeśli atom się nie rozpadnie, wówczas fiolka pozostanie nienaruszona, a kot będzie żył.

Po jednogodzinnym okresie atom znajduje się w stanie, w którym ulega zarówno rozpadowi, jak i rozpadowi. Biorąc jednak pod uwagę sposób, w jaki skonstruowaliśmy sytuację, oznacza to, że fiolka jest zarówno zepsuta, jak i niełamana, i ostatecznie zgodnie z kopenhaską interpretacją fizyki kwantowej kot jest martwy i żywy.

Stephen Hawking słynie cytat z powiedzenia: „Kiedy słyszę o kocie Schrodingera, sięgam po broń”. To reprezentuje myśli wielu fizyków, ponieważ przywołuje się kilka aspektów eksperymentu myślowego problemy. Największy problem z analogią polega na tym, że fizyka kwantowa zazwyczaj działa tylko w skali mikroskopowej atomów i cząstek subatomowych, a nie w skali makroskopowej kotów i fiolek z trucizną.

Interpretacja kopenhaska stwierdza, że ​​pomiar czegoś powoduje załamanie funkcji fali kwantowej. W tej analogii tak naprawdę czynność pomiaru odbywa się za pomocą licznika Geigera. Istnieje szereg interakcji wzdłuż łańcucha zdarzeń - nie można wyodrębnić kota ani oddzielnych części układu, aby miał on prawdziwie mechanikę kwantową.

Zanim sam kot wejdzie do równania, pomiar został już wykonany... tysiące razy dokonywano pomiarów - atomów licznika Geigera, aparatu do rozbijania fiolek, fiolki, trującego gazu i samego kota. Nawet atomy skrzynki wykonują „pomiary”, gdy weźmie się pod uwagę, że jeśli kot przewróci się martwy, wejdzie w kontakt z różnymi atomami, niż gdy niespokojnie krąży wokół pudełka.

Nieważne, czy naukowiec otworzy pudełko, nie ma znaczenia, kot jest żywy lub martwy, a nie superpozycja dwóch stanów.

Jednak w niektórych ścisłych poglądach na interpretację kopenhaską jest to w rzeczywistości obserwacja wymagana przez świadomy byt. Ta ścisła forma interpretacji jest ogólnie poglądem mniejszości wśród współczesnych fizyków, chociaż istnieje pozostaje intrygujący argument, z którym może wiązać się załamanie funkcji fal kwantowych świadomość. (Sugeruję bardziej szczegółową dyskusję na temat roli świadomości w fizyce kwantowej Enigma kwantowa: fizyka spotyka się ze świadomością autor: Bruce Rosenblum i Fred Kuttner.)

Jeszcze inną interpretacją jest Many Worlds Interpretation (MWI) fizyki kwantowej, która sugeruje, że sytuacja faktycznie rozgałęzia się na wiele światów. W niektórych z tych światów kot będzie martwy po otwarciu pudełka, w innych będzie żywy. Fascynujące dla publiczności, a na pewno dla autorów science fiction, Many Worlds Interpretacja jest również poglądem mniejszości wśród fizyków, chociaż nie ma konkretnych dowodów na lub przeciwko temu.

Edytowany przez Dr Anne Marie Helmenstine