Šredingerio katė — minčių eksperimentas: paaiškinimas ir reikšmė
Schrödingerio katė - tai mintinis eksperimentas kvantinės fizikos srityje. Erwinas Schrödingeris jį pasiūlė 1935 m., reaguodamas į Kopenhagos kvantinės fizikos interpretaciją.
Schrödingeris rašė:
Galima sukurti net gana absurdiškų atvejų. Plieninėje kameroje uždaroma katė ir toks prietaisas (kuris turi būti apsaugotas nuo tiesioginio katės kišimosi): Geigerio skaitiklyje yra mažytis radioaktyvios medžiagos gabalėlis, toks mažas, kad galbūt per valandą suskyla tik vienas atomas, bet su tokia pat tikimybe galbūt ir nė vienas; jei taip atsitinka, skaitiklio vamzdelis išsikrauna ir per relę paleidžia plaktuką, kuris sudaužo nedidelę ciano vandenilio rūgšties kolbą. Jei visą šią sistemą paliktume vienai valandai, pasakytume, kad katė vis dar gyva, jei per tą laiką nesuyra nė vienas atomas. Visos sistemos psi-funkcija tai išreikštų tuo, kad joje gyvas ir negyvas katinas (atleiskite už išsireiškimą) būtų lygiomis dalimis sumaišyti arba ištepti.
Šiems atvejams būdinga, kad neapibrėžtumas, iš pradžių apsiribojęs atomine sritimi, virsta makroskopiniu neapibrėžtumu, kurį vėliau galima išspręsti tiesiogiai stebint. Tai neleidžia mums taip naiviai priimti kaip galiojančio "neryškaus modelio", kuriuo vaizduojama tikrovė. Pats savaime jis neįtvirtintų nieko neaiškaus ar prieštaringo. Yra skirtumas tarp drebančios ar nesufokusuotos nuotraukos ir momentinės debesų bei rūko krantų nuotraukos.
- Erwin Schrödinger, Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik (Dabartinė kvantinės mechanikos situacija), Naturwissenschaften
(išvertė John D. Trimmer, Proceedings of the American Philosophical Society)
Paprastai tariant, Schrödingeris teigė, kad jei į dėžę įdėtumėte katę ir kažką, kas galėtų ją nužudyti (radioaktyvų atomą), ir ją užantspauduotumėte, nežinotumėte, ar katė yra gyva, ar negyva, kol neatidarytumėte dėžės, taigi, kol dėžė neatidaryta, katė (tam tikra prasme) būtų ir "gyva, ir negyva". Taip vaizduojama, kaip veikia mokslinė teorija. Niekas nežino, ar kuri nors mokslinė teorija yra teisinga, ar ne, kol jos negalima patikrinti ir įrodyti.
Ką reiškia eksperimentas ir kodėl jis buvo pasiūlytas
Minties eksperimentas skirtas pabrėžti problemas, kylančias taikant Kopenhagos interpretaciją (ir panašius požiūrius) tiesiogiai iš atominių procesų pereinant prie kasdienių, makroskopinių objektų. Schrödingeris norėjo parodyti: jeigu kvantinėje mechanikoje dalelė gali būti superpozicijoje (vienu metu keliose kvantinėse būsenose), tai pagal tą patį principą tokia superpozicija teoriškai galėtų išplisti ir iki katės (makroskopinio objekto), kas atrodo absurdiška.
Kvantinė superpozicija ir matavimo problema
Fundamentali kvantinės mechanikos savybė yra superpozicija — vienos dalelės būsena aprašoma bangos funkcija, kuri yra kelių galimų būsenų kombinacija. Formaliai prieš matavimą sistema gali būti lygiagrečiai įvairiose kvantinėse būsenose. Problema prasideda, kai atliekamas matavimas: pagal tradicinę (Kopenhagos) formulaciją bangos funkcija „sugriūva“ į vieną konkrečią būseną ir mes gauname vieną rezultatą.
Minties eksperimentas pabrėžia klausimą: kas tiksliai įvyksta tarp „būsenos, kol niekas nežiūri“ ir „būsenos po to, kai kas nors pažiūrėjo“? Ar stebėjimas (arba stebėtojas) sukelia realų pokytį, ar tik mūsų žinios atnaujinimą?
Kas iš tikrųjų nutinka — dekoherecija ir šiuolaikinis požiūris
Per pastaruosius dešimtmečius kvantinės teorijos plėtra pateikė aiškesnį mechanizmą, kaip kvantiniai neapibrėžtumai „neišlenda“ į kasdienį pasaulį: tai yra dekoherecija. Dekoherecija reiškia, kad kvantinė sistema, kuri sąveikauja su aplinka (pvz., molekulėmis, šilumine triukšmu, fotonais), netenka savo kvantinių tarpusavio fazinių ryšių. Dėl to vietoje grynos superpozicijos gauname mišrų (statistinį) aprašymą, kur kvantinės alternatyvos praktiškai niekada neparodo tarpusavio interferencijos ir tad elgiasi kaip klasikinės tikimybinės būsenos.
Taigi, realiame gyvenime makroskopinė „katė“ greitai prarastų visus koherentiškus kvantinius ryšius su savimi susijusių atominių sistemų dėka, ir mes praktiškai niekada nematytume gyvos/negydvos superpozicijos. Dekoherecija paaiškina, kodėl kvantiniai efektai yra svarbūs mikroskopiniame lygyje, bet ne kasdieniame.
Skirtingos interpretacijos ir alternatyvos
- Kopenhagos interpretacija — iki matavimo sistema yra aprašoma bangos funkcijos superpozicija; matavimo metu vyksta kolapsas. Ši interpretacija pabrėžia matavimo aktą ir observatorių, bet nelabai aiškiai pasako, kas mechanistiškai priverčia bangos funkciją „sugriūti“.
- Daugelio pasaulių (Everetto) interpretacija — kolapsas neegzistuoja: kiekviena galimybė realizuojasi savo „pasaulyje“. Taigi, po valandos viename pasaulyje gyvų katė, kitame — mirusi; mes tiesiog randamės tik viename iš šių pasaulių.
- Objektyvaus kolapso teorijos — siūlo modifikacijas kvantinei mechanikai (pvz., GRW modelis), kad kolapsas įvyktų atsitiktinai ir objektyviai, priklausomai nuo sistemos dydžio ar masės, todėl didelės sistemos natūraliai pereina į vieną iš būsenų.
- Bohmo mechanika (deterministinė) — turi papildomas „slaptas“ kintamąsias (pvz., tikrasis dalelių išsidėstymas), todėl nėra tikro superpozicijos paradokso: bangos funkcija egzistuoja, bet dalelės visada turi apibrėžtas padėtis.
Praktiniai bandymai ir makroskopinės superpozicijos
Nors originali „katė“ yra tik minties eksperimentas, fizikai sukūrė realias sistemas, kuriose pastebimi kvantiniai superpozicijos efektai makroskopiniame lygyje:
- Superlaidžių kilpų (SQUID) eksperimentai, kur pasiekiamos superpozicijos tarp skirtingų srovės krypčių.
- Didelės molekulės (pvz., fulerenų) interferencijos eksperimentai, parodantys kvantinę elgseną didesniu mastu.
- Optomechaninės sistemos, kuriuose mikroskopiniai svyravimai galima priversti būti superpozicijoje ir vėliau stebėti jų koherenciją.
Šie bandymai patvirtina, kad kvantiniai efektai gali išlikti didesnėse sistemose, jei jos gerai izoliuotos nuo aplinkos — tačiau praktiškai visi kasdieniai objektai greitai praranda koherenciją dėl sąveikų su aplinka.
Filosofinė ir mokslinė reikšmė
Schrödingerio katė išlieka svarbi dėl kelių priežasčių:
- Ji aiškiai iliustruoja matavimo problemą kvantinėje mechanikoje ir skatina diskusijas apie realybės prigimtį bei stebėtojo vaidmenį.
- Skatina vystytis teorijas ir eksperimentus, bandančius paaiškinti perėjimą nuo kvantinės prie klasikinės elgsenos (pvz., dekoherecijos tyrimai).
- Yra naudingas pedagoginis įrankis, padedantis suprasti skirtumą tarp matematinio aprašymo (bangos funkcijos) ir fizinių stebimųjų rezultatų.
Išvados
Schrödingerio katė — tai ne tik grafinis paradoksas, bet ir raktas į gilesnes kvantinės mechanikos problemas. Šis minties eksperimentas parodo, kad paprasta kvantinės mechanikos taikymo metafora aktualesnė nei atrodo: jis verčia mokslininkus ir filosofus aiškintis, ką reiškia matuoti, stebėti ir turėti „realų“ pasaulį. Šiuolaikiniai paaiškinimai, ypač dekoherecija, daugeliu atvejų sumažina paradokso praktinę reikšmę — tačiau teorinės ir filosofinės diskusijos apie interpretacijas ir toliau tęsiasi.
Mąstymo eksperimentą sugalvojo Schrödingeris, norėdamas parodyti, kaip kvaila mąstyti apie didelių objektų kvantines būsenas. Jis taip pat daug kartų buvo minimas popkultūroje.
Tikro dydžio katės figūra Huttenstrasse 9, Ciuriche, kur 1921-1926 m. gyveno Erwinas Schrödingeris, sode. Priklausomai nuo apšvietimo sąlygų katė atrodo gyva arba negyva.
Katė su Geigerio skaitikliu ir trupučiu nuodų sandarioje dėžutėje. Kvantinė mechanika sako, kad po kurio laiko katė bus ir gyva, ir negyva. Žmogus, pažvelgęs į dėžutę, ras katę arba gyvą, arba negyvą, tačiau daroma prielaida, kad prieš pažvelgiant į dėžutę ji bus ir gyva, ir negyva.
Susiję puslapiai
Klausimai ir atsakymai
Klausimas: Kas yra Šredingerio katė?
A: Šrödingerio katė - tai mintinis eksperimentas kvantinės fizikos srityje, kurį 1935 m. pasiūlė Ervinas Šrödingeris, reaguodamas į Kopenhagos kvantinės fizikos interpretaciją. Tai hipotetinis scenarijus, kai katė patalpinama į plieninę kamerą su prietaisu, kuriame yra radioaktyviųjų medžiagų ir kuris gali katę nužudyti. Eksperimente keliamas klausimas, ar katė bus gyva, ar ne, kai dėžė bus atidaryta.
K: Ką Kopenhagos interpretacija sako apie daleles?
A: Kopenhagos interpretacija teigia, kad neįmanoma tiksliai žinoti, kokioje būsenoje bus dalelė, kol ji nebus stebima, todėl galima teigti, kad prieš stebėjimą ji egzistuoja abiejose būsenose vienu metu.
K: Kaip Schrödingeris įrodė šią koncepciją?
A: Šredingeris šią koncepciją įrodė atlikdamas mintinį eksperimentą, kurio metu katė buvo patalpinta į sandarią dėžę su radioaktyviąja medžiaga. Jis teigė, kad kol dėžė nebus atidaryta, nebus žinoma, ar katė yra gyva, ar negyva, taigi iki tol ji egzistuos abiejose būsenose vienu metu.
Klausimas: Kokios dvi fizikos rūšys paminėtos šiame tekste?
A: Šiame tekste minimi du fizikos tipai: klasikinė fizika ir kvantinė mechanika. Klasikinė fizika paaiškina didžiąją dalį fizikinių sąveikų ir gali prognozuoti fizikines sąveikas, o kvantinė mechanika paaiškina kai kurias fizikines sąveikas, kurių klasikinė fizika negali paaiškinti.
Klausimas: Kokią įtaką eksperimentui daro stebėjimas?
A: Kažko stebėjimas gali turėti įtakos eksperimentui, nes stebėdami eksperimentą, dėl savo buvimo ir veiksmų stebėjimo metu galime daryti įtaką jo rezultatams. Tai reiškia, kad bet kokie tokio eksperimento rezultatai nebūtinai tiksliai atspindi tikrovę, nes juos paveikė išoriniai veiksniai.
K: Ką reiškia "psi funkcija"?
A: Psi funkcija - tai matematinės lygtys, naudojamos kvantinėje mechanikoje nusakyti, kokia tikimybė, kad kažkas įvyks, iš tikrųjų į tai nežiūrint (nepastebint).
