Sådan fungerer Schrodingers kat

Erwin Schrodinger var en af ​​nøglefigurerne i kvantefysik, selv før hans berømte "Schrodinger's Cat"tankeeksperiment. Han havde skabt kvantebølgefunktionen, som nu var den definerende bevægelsesligning i universet, men problemet er, at det udtrykte al bevægelse i form af en række sandsynligheder - noget, der er i direkte krænkelse af, hvordan de fleste forskere i dag (og muligvis endda i dag) kan lide at tro på, hvordan den fysiske virkelighed opererer.

Schrodinger var selv en sådan videnskabsmand, og han kom med begrebet Schrodingers kat for at illustrere problemerne med kvantefysik. Lad os derefter overveje problemerne og se, hvordan Schrodinger forsøgte at illustrere dem gennem analogi.

Kvantebølgefunktionen fremstiller alle fysiske mængder som en række kvantetilstander sammen med en sandsynlighed for, at et system er i en given tilstand. Overvej et enkelt radioaktivt atom med en halveringstid på en time.

I henhold til kvantefysikens bølgefunktion vil det radioaktive atom efter en time være i en tilstand, hvor det er både forfaldent og ikke-henfaldet. Når en måling af atomet er foretaget, vil bølgefunktionen kollapse i en tilstand, men indtil da forbliver den som en superposition af de to kvante tilstande.

Dette er et centralt aspekt af Københavns fortolkning af kvantefysik - det er ikke kun, at forskeren ikke ved det hvilken tilstand den er i, men det er snarere, at den fysiske virkelighed ikke bestemmes, før måleenheden finder sted placere. På en eller anden ukendt måde er selve observationshandlingen det, der størkner situationen i en eller anden stat. Indtil denne observation finder sted, er den fysiske virkelighed delt mellem alle muligheder.

Schrodinger udvidede dette ved at foreslå, at en hypotetisk kat placeres i en hypotetisk kasse. I kassen med katten placerede vi et hætteglas med giftgas, som øjeblikkeligt ville dræbe katten. Hætteglasset er tilsluttet et apparat, der er kablet i en Geiger-tæller, en enhed der bruges til at detektere stråling. Ovennævnte radioaktive atom anbringes i nærheden af ​​Geiger-tælleren og forlades der i nøjagtigt en time.

Hvis atomet nedbrydes, vil Geiger-tælleren registrere strålingen, bryde hætteglasset og dræbe katten. Hvis atomet ikke nedbrydes, vil hætteglasset være intakt, og katten vil være i live.

Efter en times periode er atomet i en tilstand, hvor det både er forfaldent og ikke-henfaldet. I betragtning af hvordan vi har konstrueret situationen betyder det imidlertid, at hætteglasset både er brudt og ikke-brudt og i sidste ende ifølge Københavns fortolkning af kvantefysik katten er både død og i live.

Stephen Hawking er berømt citeret for at sige "Når jeg hører om Schrodingers kat, rækker jeg efter min pistol." Dette repræsenterer tanker fra mange fysikere, fordi der er flere aspekter ved tankeeksperimentet, der bringer op problemer. Det største problem med analogien er, at kvantefysik typisk kun fungerer på den mikroskopiske skala fra atomer og subatomære partikler, ikke på den makroskopiske skala fra katte og giftglas.

Københavns fortolkning siger, at handlingen af ​​at måle noget får kvantebølgefunktionen til at kollapse. I denne analogi finder måling faktisk sted af Geiger-tælleren. Der er scoringer af interaktioner langs kæden af ​​begivenheder - det er umuligt at isolere katten eller de separate dele af systemet, så det virkelig er kvantemekanisk.

Når katten selv går ind i ligningen, er målingen allerede foretaget... tusind gange er der foretaget målinger - af atomerne i Geiger-tælleren, hætteglasbryderapparatet, hætteglasset, giftgas og selve katten. Selv kassens atomer foretager "målinger", når du tænker på, at hvis katten falder over død, vil den komme i kontakt med forskellige atomer end hvis den skifter ængsteligt rundt om kassen.

Hvorvidt videnskabsmanden åbner kassen er ikke relevant, katten er enten levende eller død, ikke en superposition af de to stater.

I nogle strenge synspunkter af Københavns fortolkning er det stadig en observation af en bevidst enhed, der kræves. Denne strenge form for fortolkning er generelt mindretalets syn blandt fysikere i dag, selvom der forbliver et spændende argument, som sammenbruddet af kvantebølgefunktionerne muligvis er knyttet til bevidsthed. (For en mere grundig diskussion af bevidsthedens rolle i kvantefysik foreslår jeg Quantum Enigma: Fysik møder bevidsthed af Bruce Rosenblum & Fred Kuttner.)

Endnu en fortolkning er Mange verdensfortolkning (MWI) af kvantefysik, som foreslår, at situationen faktisk forgrener sig i mange verdener. I nogle af disse verdener er katten død ved åbning af kassen, i andre vil katten være i live. Mens de er fascinerende for offentligheden og bestemt for science fiction-forfattere, er de mange verdener Fortolkning er også et mindretal blandt fysikere, selvom der ikke er nogen specifik bevis for eller imod det.

Redigeret af Anne Marie Helmenstine, ph.d.