Sokan hallották ezt a kifejezést, de talán nem mindenki érti annak egyszerűsített jelentését. Próbáljuk kitalálni, bonyolult elméletek és képletek nélkül.
A "Schrödinger-macska" a híres osztrák elméleti fizikus, Erwin Schrödinger híres gondolatkísérletének neve, aki szintén Nobel-díjas. Ezzel a kitalált tapasztalattal a tudós meg akarta mutatni a kvantummechanika hiányosságát a szubatomi rendszerekről a makroszkopikus rendszerekre való átmenet során.
Erwin Schrödinger eredeti cikke 1935-ben jelent meg. Itt egy idézet:
Olyan eseteket is felépíthet, amelyekben elegendő a burleszk. Zárja be néhány macskát egy acélkamrába a következő ördögi géppel együtt (amelynek függetlennek kell lennie a macska beavatkozásától): a Geiger-számlálón belül van egy kis mennyiségű radioaktív anyag, olyan kicsi, hogy csak egy atom bomlik óránként, de ugyanabban az a valószínűség nem széteshet; Ha ez megtörténik, az olvasócsövet kiürítik és a relét bekapcsolják, engedve a kalapácsot, amely a kúpot hidrogén-cianiddal megszakítja.
Ha ezt az egész rendszert egy órán át magára hagyja, akkor azt mondhatjuk, hogy a macska életben marad ezen idő után, mindaddig, amíg az atom bomlása nem fordul elő. Az atom legelső lebomlása megmérgezte a macskát. A rendszer egészének psi-funkciója kifejezi ezt azáltal, hogy egy élő és egy elhullott macskát egyenlő részekben összekeverve vagy elkenve (sajnálom a kifejezést). Ilyen esetekre jellemző, hogy a kezdetben az atomvilágra korlátozódó bizonytalanság makroszkopikus bizonytalansá alakul át, amelyet közvetlen megfigyeléssel lehet kiküszöbölni. Ez megakadályozza, hogy naiv módon elfogadjuk a „elmosódott modellt” mint a valóságot tükröző képet. Önmagában ez nem jelent semmilyen homályt vagy ellentmondást. Különbség van a homályos vagy a fókusztól mentes és a felhők vagy a köd között.
Más szavakkal:
- Van egy doboz és egy macska. A doboz tartalmaz egy mechanizmust, amely tartalmaz egy radioaktív atommagot, és egy tartályt mérgező gázzal. A kísérlet paramétereit úgy választottuk meg, hogy a nukleáris bomlás valószínűsége 1 órán belül 50% legyen. Ha a mag szétesik, kinyílik egy tartály gázzal és a macska meghal. Ha a sejtmag nem bomlik, akkor a macska él és jól marad.
- Zárjuk be a macskát egy dobozban, várjunk egy órát, és kérdezzük magunktól: él a macska vagy meghalt?
- A kvantummechanika önmagában azt mondja nekünk, hogy az atommag (és ezért a macska) minden lehetséges állapotban egyszerre van (lásd a kvantum szuperpozíciót). Mielőtt kinyitottuk volna a dobozt, a „macskamag” rendszer olyan állapotban van, hogy „a mag lebomlott, a macska meghalt” 50% valószínűséggel, és abban az állapotban, hogy „a mag nem pusztult el, a macska él” 50% valószínűséggel. Kiderül, hogy a dobozban ülő macska egyszerre él és halott.
- A modern koppenhágai értelmezés szerint a macska él / halott közbenső állapotok nélkül. A nukleáris bomlás állapotának megválasztása nem a doboz kinyitásának pillanatában történik, hanem akkor is, amikor a mag belép az detektorba. Mivel a "macskadetektor-mag" rendszer hullámfunkciójának csökkentését nem a doboz emberi megfigyelőjével, hanem a sejtmag detektor-megfigyelőjével társítják.
Promóciós videó:
A kvantummechanika szerint, ha nem történik megfigyelés egy atommag fölött, akkor annak állapotát két állapot - egy szétesett mag és egy fel nem oldott atommag - összekeverésével írják le, tehát egy dobozban ülő macska, amely egy atommag személyesítését végzi, egyszerre él és halott. Ha a dobozt kinyitják, akkor a kísérletező csak egy konkrét állapotot láthat - "a mag lebomlott, a macska meghalt" vagy "a sejtmag nem romlott meg, a macska él".
Az emberi nyelv lényege: Schrödinger kísérlete kimutatta, hogy a kvantummechanika szempontjából egy macska él és halott is, ami nem lehet. Ezért a kvantummechanikának jelentős hibái vannak.
A kérdés az, hogy mikor szűnik meg a rendszer két állapot keverékeként, és válasszon egyet? A kísérlet célja annak bemutatása, hogy a kvantummechanika hiányos, néhány olyan szabály nélkül, amelyek megmutatják, hogy milyen körülmények között történik a hullámfunkció összeomlása, és a macska vagy elpusztul, vagy életben marad, de megszűnik mindkettő keveréke. Mivel egyértelmű, hogy a macskának feltétlenül életben vagy halottnak kell lennie (nincs élet közbeni állapot az élet és a halál között), akkor ugyanaz lesz az atommag számára. Legyen szétesett vagy nem szétesett (Wikipedia).
Schrödinger gondolatkísérletének legfrissebb értelmezése Sheldon Cooper, a Big Bang Theory sorozat hősének a története, amelyet Penny kevésbé képzett szomszédja elmondott. Sheldon történetének lényege, hogy Schrödinger macskájának fogalma alkalmazható az emberek közötti kapcsolatokban. Annak megértése érdekében, hogy mi történik egy férfi és egy nő között, milyen kapcsolat áll fenn közöttük: jó vagy rossz, csak ki kell nyitnia a dobozt. Ezt megelőzően a kapcsolatok jó és rossz is.
Az alábbiakban egy videó a Sheldon és az Singing közötti Big Bang Theory párbeszédről.
Schrödinger illusztrációja a legjobb példa a kvantumfizika fő paradoxonjának leírására: törvényei szerint olyan részecskék, mint elektronok, fotonok és akár atomok is léteznek egyidejűleg két állapotban ("élő" és "halott", ha emlékszel a régóta szenvedő macskára). Ezeket az állapotokat szuperpozícióknak nevezzük.
Art Hobson, az amerikai fizikus az Arkansasi Egyetemen (Arkansasi Állami Egyetem) felajánlotta saját megoldását erre a paradoxonra.
„A kvantumfizikában a mérések bizonyos makroszkopikus eszközök, például a Geiger-számláló működésén alapulnak, amelyek meghatározzák a mikroszkopikus rendszerek - atomok, fotonok és elektronok - kvantumállapotát. A kvantumelmélet azt sugallja, hogy ha mikroszkopikus rendszert (részecskét) csatlakoztat egy bizonyos makroszkopikus eszközhöz, amely megkülönbözteti a rendszer két különféle állapotát, akkor az eszköz (például Geiger-számláló) kvantumbeillesztési állapotba kerül, és ugyanakkor két szuperpozícióban lesz. Ezt a jelenséget azonban közvetlenül nem lehet megfigyelni, ami elfogadhatatlanná teszi”- mondja a fizikus.
Hobson szerint Schrödinger paradoxonjában a macska makroszkopikus eszköz, egy radioaktív maghoz kapcsolt Geiger-számláló szerepét játszik annak meghatározásában, hogy az adott atommag melyik bomlási állapota vagy "nem pusztulása". Ebben az esetben az élő macska a "pusztulás elmulasztásának", az elhullott macska pedig a pusztulás mutatója. A kvantumelmélet szerint azonban a macskának, mint a magnak, az élet és a halál két szuperpozíciójában kell lennie.
Ehelyett a fizikus szerint a macska kvantumállapotát össze kell kötni az atom állapotával, ami azt jelenti, hogy "nem helyi kapcsolatban vannak" egymással. Vagyis ha az egyik összegabalyodott tárgy állapota hirtelen ellenkezőre változik, akkor a párja állapota pontosan ugyanúgy megváltozik, függetlenül attól, hogy milyen messze vannak egymástól. Hobson ennek során a kvantumelmélet kísérleti megerősítésére utal.
„A kvantum összefonódás elméletében a legérdekesebb dolog, hogy mindkét részecske állapotának változása azonnal megtörténik: egyetlen fénynek sem az elektromágneses jelnek nincs ideje átjuttatni az információt egyik rendszerről a másikra. Tehát azt mondhatjuk, hogy ez egy objektum, térrel két részre osztva, függetlenül attól, hogy milyen nagy a távolság közöttük”- magyarázza Hobson.
Schrödinger macska már nem él és nem hal meg ugyanabban az időben. Halott, ha bomlás bekövetkezik, és él, ha a bomlás soha nem fordul elő.
Hozzátesszük, hogy hasonló lehetőségeket ennek a paradoxonnak a megoldására további három tudóscsoport javasolta az elmúlt harminc évben, ám ezeket nem vették komolyan, és a széles tudományos körökben észrevétlenül maradtak. Hobson megjegyzi, hogy a kvantummechanika paradoxonainak - akár elméleti - paradoxonjainak megoldása feltétlenül szükséges a mély megértéshez.
A fizikus munkájáról bővebben a Physical Review A folyóiratban megjelent cikkében olvashat.
Schrödinger.
Az utóbbi időben azonban az elmélet magyarázta, hogy a gravitáció hogyan ölte meg Schrodering macskáját, de ez már nehezebb …
A fizikusok általában megmagyarázzák azt a jelenséget, hogy a részecskék világában lehetséges a szuperpozíció, de a macskákkal vagy más makroobjektumokkal nem lehetséges, a környezet beavatkozása. Amikor egy kvantumobjektum átmegy egy mezőn, vagy kölcsönhatásba lép véletlenszerű részecskékkel, akkor azonnal csak egy állapotot vesz fel - mintha azt mérnék. Így pusztul el a szuperpozíció, ahogy a tudósok hitték.
De még ha valamilyen módon is lehetett volna elkülöníteni egy makroobjektumot a szuperpozíciós állapotban a más részecskékkel és mezőkkel való kölcsönhatásoktól, akkor előbb vagy utóbb továbbra is egyetlen állapotot feltételez. Legalább ez igaz a Föld felszínén zajló folyamatokra.
„Valahol a csillagközi térben egy macskának megvan az esélye a kvantum koherencia fenntartására, ám a Földön vagy bármely bolygó közelében ez rendkívül valószínűtlen. És ennek oka a gravitáció”- magyarázza az új tanulmány vezető szerzője, Igor Pikovski a Harvard-Smithsonian Asztrofizikai Központból.
Pikovsky és kollégái a bécsi egyetemen azt állítják, hogy a gravitáció romboló hatással van a makroobjektumok kvantum-szuperpozícióira, ezért a makrokozmoszban nem figyeljük meg ezeket a jelenségeket. Az új hipotézis alapfogalmát egyébként az Interstellar játékfilm foglalja össze.
Einstein általános relativitáselmélete kijelenti, hogy egy rendkívül hatalmas tárgy elhajlik a téridő közelében. Figyelembe véve a helyzetet finomabb szinten, elmondhatjuk, hogy a Föld felszíne közelében elhelyezett molekula számára az idő valamivel lassabban megy végbe, mint a bolygónk keringési pályájánál.
A gravitációnak a téridőre gyakorolt hatása miatt egy ilyen molekula, amelyre ez a behatás esik, a helyzetében eltérést tapasztal. És ennek viszont be kell hatnia a belső energiáját - a molekula részecskéinek rezgéseit, amelyek idővel megváltoznak. Ha egy molekulát két hely kvantum-szuperpozíciójának állapotába vezetnénk, akkor a helyzet és a belső energia közötti kapcsolat hamarosan arra kényszerítené a molekulát, hogy a térben lévő két helyzet közül csak egyet válasszon.
"A legtöbb esetben a dekoherencia jelensége külső befolyással van összekapcsolva, de ebben az esetben a részecskék belső rezgése kölcsönhatásba lép a maga molekulájának mozgásával" - magyarázza Pikovsky.
Ezt a hatást még nem figyelték meg, mivel más dekoherencia források, mint például a mágneses mezők, a hő sugárzás és a vibráció, általában sokkal erősebbek, és a kvantumrendszerek pusztulását okozzák sokkal korábban, mielőtt a gravitáció megtörténne. A kísérletezők azonban megpróbálják kipróbálni a megállapított hipotézist.
Markus Arndt, a Bécsi Egyetem kísérleti fizikusa kísérleteket folytat a makroszkopikus tárgyak kvantum-szuperpozíciójának megfigyelésére. Kis molekulákat küld az interferométerbe, hatékonyan megadva a részecskéknek a választást, melyik utat kell megtenni. A klasszikus mechanika szempontjából egy molekula csak egy irányba haladhat, de a kvantummolekula egyszerre két úton haladhat át, zavarhatja önmagát, és jellegzetes hullámos mintát hozhat létre.
Hasonló felépítés használható a gravitáció kvantumrendszerek elpusztítására való képességének tesztelésére is. Ehhez összehasonlítani kell a függőleges és a vízszintes interferomereket: az elsőben a szuperpozíció hamarosan eltűnik, az idő tágulása miatt az út különböző "magasságain", míg a másodikban a kvantum szuperpozíció megmarad.