Wiele osób słyszało to wyrażenie, ale być może nie wszyscy rozumieją nawet jego uproszczone znaczenie. Spróbujmy to rozgryźć bez skomplikowanych teorii i formuł.
„Kot Schrödingera” to nazwa słynnego eksperymentu myślowego słynnego austriackiego fizyka teoretycznego Erwina Schrödingera, który jest także laureatem Nagrody Nobla. Za pomocą tego fikcyjnego doświadczenia naukowiec chciał pokazać niekompletność mechaniki kwantowej w przejściu od układów subatomowych do układów makroskopowych.
Oryginalny artykuł Erwina Schrödingera został opublikowany w 1935 roku. Oto cytat:
Możesz też konstruować przypadki, w których burleska wystarczy. Niech jakiś kot zostanie zamknięty w stalowej komorze wraz z następującą diabelską maszyną (która powinna być niezależna od interwencji kota): wewnątrz licznika Geigera znajduje się niewielka ilość substancji radioaktywnej, tak mała, że tylko jeden atom może rozpaść się w ciągu godziny, ale z taką samą prawdopodobieństwo nie może się rozpaść; jeśli tak się stanie, lampka odczytowa zostaje rozładowana i przekaźnik zostaje uruchomiony, zwalniając młotek, który rozbija stożek kwasem cyjanowodorowym.
Jeśli zostawisz cały ten system sam sobie na godzinę, to możemy powiedzieć, że kot po tym czasie będzie żył, o ile nie nastąpi rozpad atomu. Już pierwszy rozpad atomu zatrułby kota. Funkcja psi systemu jako całości wyraża to, mieszając lub rozmazując żywego i martwego kota (przepraszam za wyrażenie) w równych częściach. Typowe w takich przypadkach jest to, że niepewność początkowo ograniczona do świata atomowego przekształca się w niepewność makroskopową, którą można wyeliminować poprzez bezpośrednią obserwację. Uniemożliwia nam to naiwne zaakceptowanie „modelu rozmycia” jako odzwierciedlającego rzeczywistość. Samo w sobie nie oznacza to niczego niejasnego ani sprzecznego. Istnieje różnica między rozmazanym lub nieostrym zdjęciem a zdjęciem chmur lub mgły.
Innymi słowy:
- Jest pudełko i kot. Pudełko zawiera mechanizm zawierający radioaktywne jądro atomowe oraz pojemnik z trującym gazem. Parametry eksperymentu zostały tak dobrane, aby prawdopodobieństwo rozpadu jądra w ciągu 1 godziny wynosiło 50%. Jeśli jądro rozpadnie się, otwiera się pojemnik z gazem i kot umiera. Jeśli jądro nie rozpadnie się, kot pozostaje żywy i zdrowy.
- Zamykamy kota w pudełku, czekamy godzinę i zadajemy sobie pytanie: czy kot żyje czy nie żyje?
- W pewnym sensie mechanika kwantowa mówi nam, że jądro atomowe (a tym samym kot) znajduje się jednocześnie we wszystkich możliwych stanach (patrz superpozycja kwantowa). Zanim otworzyliśmy pudełko, system „kociego rdzenia” jest w stanie „jądro rozpadło się, kot nie żyje” z prawdopodobieństwem 50% oraz w stanie „jądro nie uległo rozkładowi, kot żyje” z prawdopodobieństwem 50%. Okazuje się, że kot siedzący w budce jest jednocześnie żywy i martwy.
- Według współczesnej interpretacji kopenhaskiej kot żyje / jest martwy bez żadnych stanów pośrednich. A wybór stanu rozpadu jądrowego następuje nie w momencie otwarcia pudełka, ale także wtedy, gdy jądro wejdzie do detektora. Ponieważ redukcja funkcji falowej układu „kot-detektor-jądro” nie jest związana z człowiekiem-obserwatorem w pudełku, ale jest związana z detektorem-obserwatorem jądra.
Film promocyjny:
Zgodnie z mechaniką kwantową, jeśli nie prowadzi się obserwacji nad jądrem atomu, to jego stan jest opisywany przez zmieszanie dwóch stanów - jądra rozpadającego się i jądra nierozdzielonego, dlatego kot siedzący w pudełku i uosabiający jądro atomu jest jednocześnie żywy i martwy. Jeśli pudełko jest otwarte, eksperymentator może zobaczyć tylko jeden określony stan - „jądro rozpadło się, kot nie żyje” lub „jądro nie uległo rozkładowi, kot żyje”.
Istota ludzkiego języka: eksperyment Schrödingera pokazał, że z punktu widzenia mechaniki kwantowej kot jest zarówno żywy, jak i martwy, czego nie może być. Stąd mechanika kwantowa ma znaczące wady.
Pytanie brzmi: kiedy system przestaje istnieć jako mieszanina dwóch stanów i wybiera jeden konkretny? Celem eksperymentu jest wykazanie, że mechanika kwantowa jest niekompletna bez pewnych reguł wskazujących, w jakich warunkach następuje załamanie funkcji falowej, a kot albo staje się martwy, albo pozostaje żywy, ale przestaje być mieszaniną obu. Ponieważ jest jasne, że kot musi koniecznie być żywy lub martwy (nie ma stanu pośredniego między życiem a śmiercią), to będzie to samo dla jądra atomowego. Musi być rozdrobniony lub nierozłożony (Wikipedia).
Inną nowszą interpretacją eksperymentu myślowego Schrödingera jest opowieść Sheldona Coopera, bohatera serialu Teoria wielkiego podrywu, którą przedstawił mniej wykształconej sąsiadce Penny. Istotą opowieści Sheldona jest to, że koncepcję kota Schrödingera można zastosować w relacjach międzyludzkich. Aby zrozumieć, co dzieje się między mężczyzną a kobietą, jaki rodzaj relacji między nimi: dobry czy zły, wystarczy otworzyć pudełko. Wcześniej relacje są zarówno dobre, jak i złe.
Poniżej znajduje się film przedstawiający dialog Teorii Wielkiego Wybuchu między Sheldonem a śpiewem.
Ilustracja Schrödingera jest najlepszym przykładem opisującym główny paradoks fizyki kwantowej: zgodnie z jej prawami cząstki takie jak elektrony, fotony, a nawet atomy istnieją w dwóch stanach jednocześnie („żywy” i „martwy”, jeśli pamiętasz długo cierpiącego kota). Te stany nazywane są superpozycjami.
Amerykański fizyk Art Hobson z University of Arkansas (Arkansas State University) zaproponował własne rozwiązanie tego paradoksu.
„Pomiary w fizyce kwantowej opierają się na działaniu pewnych makroskopowych urządzeń, takich jak licznik Geigera, które określają stan kwantowy mikroskopijnych układów - atomów, fotonów i elektronów. Teoria kwantowa zakłada, że jeśli podłączysz układ mikroskopowy (cząstkę) do pewnego makroskopowego urządzenia, które rozróżnia dwa różne stany układu, to urządzenie (na przykład licznik Geigera) przejdzie w stan splątania kwantowego i jednocześnie znajdzie się w dwóch superpozycjach. Niemożliwe jest jednak bezpośrednie obserwowanie tego zjawiska, przez co jest ono niedopuszczalne”- mówi fizyk.
Hobson mówi, że w paradoksie Schrödingera kot odgrywa rolę makroskopowego instrumentu, licznika Geigera dołączonego do radioaktywnego jądra, w celu określenia stanu rozpadu lub „braku rozpadu” tego jądra. W takim przypadku żywy kot będzie wskaźnikiem „braku rozkładu”, a martwy kot wskaźnikiem rozkładu. Ale zgodnie z teorią kwantową kot, podobnie jak jądro, musi znajdować się w dwóch superpozycjach życia i śmierci.
Zamiast tego, zdaniem fizyka, stan kwantowy kota powinien być splątany ze stanem atomu, co oznacza, że są one ze sobą w „nielokalnym połączeniu”. Oznacza to, że jeśli stan jednego ze splątanych obiektów nagle zmieni się na przeciwny, stan jego pary zmieni się dokładnie w ten sam sposób, bez względu na to, jak daleko od siebie są. Robiąc to, Hobson odwołuje się do eksperymentalnego potwierdzenia tej teorii kwantowej.
„Najbardziej interesującą rzeczą w teorii splątania kwantowego jest to, że zmiana stanu obu cząstek następuje natychmiastowo: żaden sygnał świetlny ani elektromagnetyczny nie zdążyłby przenieść informacji z jednego układu do drugiego. Możemy więc powiedzieć, że jest to jeden obiekt, podzielony przestrzenią na dwie części, niezależnie od odległości między nimi”- wyjaśnia Hobson.
Kot Schrödingera nie jest już jednocześnie żywy i martwy. Jest martwy, jeśli nastąpi rozkład, i żyje, jeśli rozkład nigdy nie nastąpi.
Dodajemy, że podobne opcje rozwiązania tego paradoksu zostały zaproponowane przez trzy kolejne grupy naukowców w ciągu ostatnich trzydziestu lat, ale nie zostały one potraktowane poważnie i pozostały niezauważone w szerokich kręgach naukowych. Hobson zauważa, że rozwiązanie paradoksów mechaniki kwantowej, nawet teoretycznej, jest absolutnie niezbędne do jej dogłębnego zrozumienia.
Więcej o pracy fizyka można przeczytać w jego artykule, który został opublikowany w czasopiśmie Physical Review A.
Schrödinger.
Ale ostatnio TEORETYKA WYJAŚNIAJĄ, JAK GRAWITACJA ZABIJE KOTA SCHRODINGERA, ale to już jest trudniejsze …
Z reguły fizycy wyjaśniają zjawisko, że superpozycja jest możliwa w świecie cząstek, ale nie jest możliwa w przypadku kotów lub innych makroobiektów, ingerencji środowiska. Kiedy obiekt kwantowy przechodzi przez pole lub wchodzi w interakcję z przypadkowymi cząstkami, natychmiast przyjmuje tylko jeden stan - tak, jakby został zmierzony. W ten sposób, jak sądzili naukowcy, niszczy się superpozycja.
Ale nawet jeśli w jakiś sposób stało się możliwe wyodrębnienie makroobiektu w stanie superpozycji od interakcji z innymi cząstkami i polami, to prędzej czy później nadal przyjmowałby jeden stan. Przynajmniej dotyczy to procesów zachodzących na powierzchni Ziemi.
„Gdzieś w przestrzeni międzygwiazdowej może kot miałby szansę zachować spójność kwantową, ale na Ziemi lub w pobliżu jakiejkolwiek planety jest to bardzo mało prawdopodobne. A powodem tego jest grawitacja”, wyjaśnia główny autor nowego badania, Igor Pikovski z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.
Pikovsky i jego koledzy z Uniwersytetu Wiedeńskiego argumentują, że grawitacja ma destrukcyjny wpływ na kwantowe superpozycje makroobiektów, dlatego nie obserwujemy takich zjawisk w makrokosmosie. Nawiasem mówiąc, podstawowa koncepcja nowej hipotezy została podsumowana w filmie fabularnym Interstellar.
Ogólna teoria względności Einsteina głosi, że niezwykle masywny obiekt zagnie się w pobliżu czasoprzestrzeni. Rozważając sytuację na dokładniejszym poziomie, możemy powiedzieć, że dla cząsteczki umieszczonej blisko powierzchni Ziemi czas będzie płynął nieco wolniej niż dla tej na orbicie naszej planety.
Ze względu na wpływ grawitacji na czasoprzestrzeń cząsteczka, która znalazła się pod tym wpływem, ulegnie odchyleniu w swoim położeniu. A to z kolei powinno wpływać na jej energię wewnętrzną - drgania cząstek w cząsteczce, które zmieniają się w czasie. Gdyby cząsteczka została wprowadzona w stan kwantowej superpozycji dwóch miejsc, wówczas związek między położeniem a energią wewnętrzną szybko zmusiłby cząsteczkę do „wybrania” tylko jednej z dwóch pozycji w przestrzeni.
„W większości przypadków zjawisko dekoherencji jest związane z wpływem zewnętrznym, ale w tym przypadku wewnętrzna wibracja cząstek oddziałuje z ruchem samej cząsteczki” - wyjaśnia Pikovsky.
Efekt ten nie został jeszcze zaobserwowany, ponieważ inne źródła dekoherencji, takie jak pola magnetyczne, promieniowanie cieplne i wibracje, są zwykle znacznie silniejsze i powodują zniszczenie układów kwantowych na długo przed grawitacją. Ale eksperymentatorzy próbują przetestować postawioną hipotezę.
Markus Arndt, fizyk eksperymentalny z Uniwersytetu Wiedeńskiego, prowadzi eksperymenty mające na celu obserwację superpozycji kwantowej w obiektach makroskopowych. Wysyła małe cząsteczki do interferometru, skutecznie dając cząstce „wybór”, którą drogą wybrać. Z punktu widzenia mechaniki klasycznej cząsteczka może iść tylko w jedną stronę, ale cząsteczka kwantowa może przejść dwiema ścieżkami naraz, interferując ze sobą i tworząc charakterystyczny falisty wzór.
Podobną konfigurację można również wykorzystać do przetestowania zdolności grawitacji do niszczenia układów kwantowych. W tym celu konieczne będzie porównanie interferometrów pionowych i poziomych: w pierwszej superpozycja wkrótce zniknie z powodu dylatacji czasu na różnych „wysokościach” ścieżki, podczas gdy w drugiej superpozycja kwantowa może się utrzymać.