Schrodingers Cat (forenklet): Hvad er det og hvorfor er det vigtigt?

I 1935 - to år efter at have vundet Nobelprisen for sine bidrag til kvantefysik - foreslog den østrigske fysiker Erwin Schrödinger det berømte tankeeksperiment kendt som Schrödingers katteparadoks .
Hvad er Schrödingers katteparadoks?

Paradokset er en af de mest kendte ting ved kvantemekanik i populærkulturen, men det er ikke kun en surrealistisk og morsom måde at beskrive, hvordan kvantet verden opfører sig, slår den faktisk til en nøglekritik af den dominerende fortolkning af kvantemekanikken.

Den holder ud, fordi den foreslår den absurde idé om en samtidig levende og død kat, men den har en vis filosofisk vægt, fordi i en forstand, dette er virkelig noget, som kvantemekanik muligvis antyder, er muligt.

Schrödinger kom med tankeeksperimentet af netop denne grund. Som mange andre fysikere var han ikke helt tilfreds med Københavns fortolkning af kvantemekanik, og han ledte efter en måde at formidle det, han så som den centrale mangel i det, som en måde at beskrive virkeligheden på. - Københavns fortolkning af kvantemekanik

Københavns fortolkning af kvantemekanik er stadig det mest accepterede forsøg på at give mening om, hvad kvantefysik faktisk betyder i en fysisk forstand.

Det siger i det væsentlige, at bølgefunktionen (som beskriver en partikels tilstand) og Schrödinger-ligningen (som du bruger til at bestemme bølgefunktionen) fortæller dig alt hvad du kan vide om en kvantetilstand. Det lyder måske fornuftigt i starten, men dette indebærer en masse ting om virkelighedens art, der ikke sidder godt sammen med mange mennesker.

For eksempel spreder en partikels bølgefunktion sig over rummet, og så København fortolkning siger, at en partikel ikke har en endelig placering, før en måling er foretaget.

Når du foretager en måling, forårsager du bølgefunktionskollaps, og partiklen falder øjeblikkeligt i en af flere mulige tilstande, og dette kan kun forudsiges i form af en sandsynlighed.

Fortolkningen siger, at kvantepartikler faktisk ikke har værdier af observerbare ting som position, momentum eller spin , indtil en observation er foretaget. De findes i en række potentielle tilstande, i det, der kaldes en "superposition" og kan i det væsentlige tænkes som dem alle på én gang, skønt de er vægtede på at erkende, at nogle stater er mere sandsynlige end andre.

tage denne fortolkning strengere end andre - for eksempel kunne bølgefunktionen simpelthen ses som en teoretisk konstruktion, der tillader forskere at forudsige resultaterne af eksperimenter - men det er i det store og hele, hvordan fortolkningen betragter kvanteteorien.
Schrödingers Cat

I tankeeksperimentet foreslog Schrödinger at placere en kat i en kasse, så den var skjult for observatører (du kan forestille dig, at dette også er en lydtæt kasse) sammen med et hætteglas med gift. Giftflasken er rigget til at bryde og dræbe katten, hvis en bestemt kvantehændelse finder sted, hvilket Schrödinger anså for at være forfaldet af et radioaktivt atom, som kan påvises med en Geiger-tæller.

Som en kvanteproces, tidspunktet for radioaktivt henfald kan ikke forudsiges i et specifikt tilfælde, kun som et gennemsnit over mange målinger. Så uden nogen måde at faktisk registrere forfaldet og hætteglasset med giftbrydning, er der bogstaveligt talt ingen måde at vide, om det er sket i eksperimentet.

På samme måde som partikler ikke anses for at være i en bestemt placering forud for måling i kvanteteori, men en kvantesuperposition af mulige tilstande, kan det radioaktive atom anses for at være i en superposition af "forfaldt" og "ikke forfaldt."

Sandsynligheden for hver kunne være forudsagt til et niveau, der ville være nøjagtigt over mange målinger, men ikke for et specifikt tilfælde. Så hvis det radioaktive atom er i en superposition, og kattenes liv helt afhænger af denne tilstand, betyder det så, at kattens tilstand også er i superposition af tilstande? Med andre ord, er katten i en kvantesuperposition af levende og døde?

Forekommer superpositionen af tilstande kun på kvanteniveau, eller viser tankeeksperimentet, at den logisk bør gælde også for makroskopiske objekter? Hvis det ikke kan gælde for makroskopiske objekter, hvorfor ikke? Og mest af alt: Er ikke alt dette lidt latterligt?
Hvorfor er det vigtigt?

Tankeeksperimentet kommer til kvantemekanikkens filosofiske hjerte. I et letforståeligt scenarie er de potentielle problemer med København-fortolkningen uklare, og talsmændene for forklaringen har nogle, der forklarer at gøre. En af grundene til, at det udholdes i populærkulturen, er utvivlsomt, at det levende viser forskellen mellem, hvordan kvantemekanik beskriver kvantpartiklernes tilstand, og den måde, du beskriver makroskopiske objekter på.

Dog takler den også forestillingen om hvad du mener med "måling" i kvantemekanik. Dette er et vigtigt koncept, fordi processen med bølgefunktionskollision grundlæggende afhænger af, om der er blevet observeret noget.

Skal folk fysisk observere resultatet af en kvantehændelse (for eksempel at læse Geiger-tælleren), eller har det simpelthen brug for at interagere med noget makroskopisk? Med andre ord, er katten en "måleenhed" i dette scenarie - er det, hvordan paradokset løses?

Der er ikke rigtig et svar på disse spørgsmål, der er bredt accepteret. Paradokset fanger perfekt, hvad det drejer sig om kvantemekanik, der er svær at mage for mennesker, der er vant til at opleve den makroskopiske verden, og faktisk, hvis hjerner i sidste ende har udviklet sig til at forstå den verden, du lever i, og ikke en verden af subatomiske partikler.
EPJ-paradokset

EPJ-paradokset er et andet tankeeksperiment, der har til formål at vise problemer med kvantemekanik, og det blev opkaldt efter Albert Einstein, Boris Podolsky og Nathan Rosen, der udtænkte paradokset. Dette angår kvanteforvikling, som Einstein berømt kaldte "uhyggelig handling på afstand." til den anden - deres kvantetilstander er beskrevet af en delt bølgefunktion, der ikke kan opdeles i en for en partikel og en for en anden.

For eksempel kan to partikler i en bestemt sammenfiltret tilstand have deres "spin" målt, og hvis den ene måles som at have spin “up”, skal den anden have spin “down”, og vice versa, selvom dette ikke er bestemt på forhånd.

Dette er alligevel lidt vanskeligt at acceptere , men hvad nu, EPR-paradokset foreslår, de to partikler blev adskilt med en enorm afstand. Den første måling foretages og afslører "spin down", men derefter meget kort efterpå (så hurtigt, at selv et lyssignal ikke kunne have kørt fra det ene sted til det andet i tide) foretages en måling på den anden partikel.

Hvordan kender den anden partikel resultatet af den første måling, hvis det er umuligt for et signal at have rejst mellem de to?

Einstein mente, at dette var beviset for, at kvantemekanikken var "ufuldstændig," og at der var ”skjulte variabler” ved spil, der ville forklare tilsyneladende ulogiske resultater som disse. I 1964 fandt John Bell imidlertid en måde at teste for tilstedeværelsen af de skjulte variabler, som Einstein foreslog, og fandt en ulighed, som, hvis den var brudt, kunne bevise, at resultatet ikke kunne opnås med en skjult variabelteori.

Eksperimenter udført på grundlag af dette har fundet, at Bells ulighed er brudt, og paradokset er derfor blot et andet aspekt af kvantemekanik, som synes at være mærkelig, men som simpelthen er den måde kvantemekanik fungerer.