Schrödingerjeva mačka: miselni eksperiment in razlaga v kvantni mehaniki

Schrödingerjeva mačka je miselni eksperiment o kvantni fiziki. Erwin Schrödinger ga je predlagal leta 1935 kot odziv na kopenhagensko interpretacijo kvantne fizike. Namen miselnega eksperimenta ni bil prikazati dejanskega poskusa z živalmi, temveč izpostaviti domnevno absurdne posledice prenosa kvantnih pravil neposrednega opazovanja na makroskopski svet.

Schrödinger je napisal:

Postavite lahko celo zelo smešne primere. Mačka je zaprta v jekleni komori skupaj z naslednjo napravo (ki mora biti zavarovana pred neposrednim posegom mačke): v Geigerjevem števcu je majhen košček radioaktivne snovi, tako majhen, da morda v eni uri razpade le en atom, z enako verjetnostjo pa tudi noben; če se to zgodi, se cev števca izprazni in prek releja sproži kladivo, ki razbije majhno bučko cianovodikove kisline. Če bi celoten sistem pustil pri miru eno uro, bi rekel, da mačka še vedno živi, če medtem noben atom ni razpadel. Psi-funkcija celotnega sistema bi to izrazila tako, da bi bila v njem živa in mrtva mačka (oprostite izrazu) pomešana ali razmazana v enakih delih.

Za te primere je značilno, da se nedoločenost, ki je bila prvotno omejena na atomsko področje, spremeni v makroskopsko nedoločenost, ki jo je nato mogoče odpraviti z neposrednim opazovanjem. To nam preprečuje, da bi tako naivno sprejeli kot veljaven "zamegljen model" za predstavitev resničnosti. Sam po sebi ne bi vseboval ničesar nejasnega ali protislovnega. Obstaja razlika med tresočo se ali neostro fotografijo ter posnetkom oblakov in meglenih ploskev.

- Erwin Schrödinger, Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik (Sedanji položaj v kvantni mehaniki), Naturwissenschaften
(v prevodu Johna D. Trimmerja v Proceedings of the American Philosophical Society)

Jedro miselnega eksperimenta

Preprosto povedano, Schrödinger je trdil, da če bi v škatlo položili mačko in nekaj, kar bi jo lahko ubilo (radioaktivni atom), ter jo zaprli, ne bi vedeli, ali je mačka mrtva ali živa, dokler škatle ne bi odprli, tako da bi bila mačka do odprtja škatle v nekem smislu "mrtva in živa". To se uporablja za predstavitev delovanja znanstvene teorije. Nihče ne ve, ali je katera koli znanstvena teorija pravilna ali ne, dokler te teorije ni mogoče preizkusiti in dokazati.

Kaj eksperiment kaže o kvantni mehaniki

V kvantni teoriji stanje sistema opisuje psi‑funkcija oziroma valovna funkcija, ki nosi informacije o verjetnostih različnih izidov. Kopenhagenska interpretacija (v poenostavljeni obliki) pravi, da kosmična verjetnostna kombinacija — superpozicija — "kolapsa" v en sam izid šele ob akterjevem opazovanju oziroma merjenju. Schrödinger je s hipotetičnim primerom hotel pokazati, da ta način razumevanja vodi v navidezne protislovnosti, če ga prenesemo na makroskopske predmete.

Oglejmo si korake eksperimenta, kot jih je opisal Schrödinger:

Mačka je nameščena v sobo, ki je ločena od zunanjega sveta.
V sobi sta Geigerjev števec in majhna količina radioaktivne snovi. V neki časovni enoti je določena verjetnost, da bo atom razpadel.
Če atom razpade, števec sproži mehanizem, ki povzroči izpust strupenega plina, zaradi česar mačka umre; če atom ne razpade, mačka ostane živa.
Po eni uri, brez vstopa opazovalca, po kopenhagenski interpretaciji sistem predstavlja superpozicijo obeh možnosti — mačka je "živa in mrtva" — dokler nekdo ne odpre škatle in ne izvede merjenja.

Kopenhagenska interpretacija in merilni problem

Københavnska interpretacija poudarja, da kvantna teorija napoveduje verjetnosti dogodkov in da rezultat merjenja nastopi pri trenutku opazovanja. V tem okviru so pojmi, kot so superpozicija ali odmevni val, uporabni za izračune, vendar naj bi se valovna funkcija "zrušila" ob meritvi v en sam določljiv izid (to je t. i. kolaps psi‑funkcije ali 'wavefunction collapse').

To je smiselno v kvantni fiziki, ni pa smiselno v klasični fiziki (realnem svetu). Schrödinger je želel pokazati, da bi takšen način razmišljanja o kvantni mehaniki pripeljal do absurdnih situacij. Zasnoval je miselni eksperiment.

Moderni pogledi: decoherence, alternativne interpretacije in poskusi

Sodobna fizika je razvila več pristopov, s katerimi pojasnjujejo, zakaj v praksi redko vidimo makroskopske superpozicije:

Kvantna dekoherenca: interakcija sistema z njegovo okolico vodi k hitri izgubi fazne povezave med komponentami superpozicije. Rezultat je, da sistem za pozornega opazovalca izgleda, kot da je prišlo do kolapsa, saj so interference izginile. Dekohereca pojasni prehod od kvantnega do klasičnega brez postulata nenadnega kolapsa, a ne odgovori na vse filozofske vidike merilnega problema (npr. zakaj se izbere prav en izid).
Mnogi svetovi (Everettova interpretacija): namesto kolapsa se vsi možni izidi uresničijo v različnih "vejah" realnosti; superpozicija ostane globalno veljavna, vendar vsak opazovalec vidi le en izid v svojem svetu.
Objektivni kolapsni modeli (npr. GRW): predlagajo, da je kolaps resničen fizični proces, ki se zgodi naključno, s frekvenco, ki je za makroskopske objekte velika, in za mikrodelce zelo majhna.
Bohmova mehanika (pilotni val): ponuja determinističen okvir s skritimi spremenljivkami, kjer delci vedno imajo določene položaje, valovna funkcija pa vodi njihov gib.

Eksperimentalno so kvantne superpozicije in njihov prehod v klasično vedenje raziskovali v številnih sistemih: interferenca elektronskih in nevtronskih žarkov, superpozicije pri velikih molekulah (npr. Fullerene), in koherentna stanja v superprevodnih krogih (SQUID), kjer se preizkuša meja, do katere lahko makroskopski objekti ohranijo kvantne lastnosti. Te preiskave kažejo, da kvantni efekti zdržijo dlje in pri večjih sistemih, kot so mislili zgodnji teoretiki, vendar so dekoherenca in tehnične omejitve še vedno glavna ovira za opazovanje "mačk" v superpoziciji.

Filosofske in praktične implikacije

Miselni eksperiment ni le prispodoba za fizike — odprl je široko debato v filozofiji znanosti o naravi resničnosti, vlogi opazovalca, objektivnosti merjenja in meje med kvantnim in klasičnim svetom. V popularni kulturi je Schrödingerjeva mačka pogosto uporabljena kot simbol paradoksa, negotovosti ali simultanih stanj.

Miselni eksperiment je izumil Schrödinger, da bi dokazal neumnost razmišljanja o kvantnih stanjih za velike predmete. Velikokrat je bil omenjen tudi v pop kulturi. Hkrati pa je prispeval k razvoju globljega razumevanja merilnega problema in spodbudil razvoj novih teorij in eksperimentalnih pristopov, s katerimi fiziki danes raziskujejo mejo med kvantnim in klasičnim.

Kratek povzetek

Schrödingerjeva mačka je miselni eksperiment, ki opozarja na vprašanja, povezana z razlago kvantne superpozicije pri makroskopskih sistemih.
Kopenhagenska interpretacija napoveduje kolaps valovne funkcije ob meritvi, kar privede do intuitivno neprijetnih zaključkov, ko se prenese na velike objekte.
Sodobni pristopi, kot sta dekoherenca in alternativne interpretacije, ponujajo različne rešitve, vendar merilni problem še vedno spodbuja filozofsko in eksperimentalno raziskovanje.

Figura mačke v pravi velikosti na vrtu Huttenstrasse 9 v Zürichu, kjer je Erwin Schrödinger živel med letoma 1921 in 1926. Odvisno od svetlobe je mačka videti živa ali mrtva.

Mačka z Geigerjevim števcem in nekaj strupa v zaprti škatli. Kvantna mehanika pravi, da je po določenem času mačka živa in mrtva. Oseba, ki pogleda v škatlo, bo našla mačko živo ali mrtvo, vendar se predpostavlja, da je mačka živa in mrtva, preden pogledate v škatlo.

Sorodne strani

Kolaps valovne funkcije

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je Schrödingerjeva mačka?

O: Schrödingerjeva mačka je miselni eksperiment o kvantni fiziki, ki ga je leta 1935 predlagal Erwin Schrödinger kot odziv na kopenhagensko interpretacijo kvantne fizike. Gre za hipotetični scenarij, v katerem je mačka postavljena v jekleno komoro z napravo, ki vsebuje radioaktivno snov in bi jo lahko ubila. Vprašanje, ki ga postavlja eksperiment, je, ali bo mačka živa ali mrtva, ko bo škatla odprta.

V: Kaj københavnska interpretacija pravi o delcih?

O: Københavnska interpretacija pravi, da je nemogoče z gotovostjo vedeti, v katerem stanju bo delec, dokler ga ne opazujemo, zato lahko rečemo, da pred opazovanjem obstaja v obeh stanjih hkrati.

V: Kako je Schrödinger dokazal ta koncept?

O: Schrödinger je ta koncept dokazal s svojim miselnim poskusom z mačko, ki je bila postavljena v zaprto škatlo z radioaktivnim materialom. Predlagal je, da dokler se škatla ne odpre, se ne ve, ali je mačka mrtva ali živa, tako da bi do takrat obstajala v obeh stanjih hkrati.

V: Kateri dve vrsti fizike sta omenjeni v tem besedilu?

O: Dve vrsti fizike, omenjeni v tem besedilu, sta klasična fizika in kvantna mehanika. Klasična fizika pojasnjuje večino fizikalnih interakcij in lahko napoveduje fizikalne interakcije, medtem ko kvantna mehanika pojasnjuje nekatere fizikalne interakcije, ki jih klasična fizika ne more pojasniti.

V: Kako opazovanje nečesa vpliva na poskus?

O: Opazovanje nečesa lahko vpliva na poskus, saj lahko pri opazovanju poskusa zaradi svoje prisotnosti in dejanj med opazovanjem posegamo v njegove rezultate. To pomeni, da vsi rezultati, pridobljeni s takim poskusom, ne odražajo nujno natančno resničnosti, saj so nanje vplivali zunanji dejavniki.

V: Na kaj se nanaša "psi-funkcija"?

O: Psi-funkcija se nanaša na matematične enačbe, ki se uporabljajo za opis verjetnosti, da se nekaj zgodi v kvantni mehaniki, ne da bi to dejansko videli (opazovali).