Schrödingerova mačka

Schrödingerova mačka je misaoni eksperiment, ponekad opisan kao paradoks, koji je osmislio austrijski fizičar Erwin Schrödinger 1935. godine, iako je ideja potekla od Alberta Einsteina. To ilustrira ono što je vidio kao problem kopenhagenske interpretacije kvantne mehanike primijenjene na svakodnevne predmete. Scenarij predstavlja hipotetičku mačku koja može biti istovremeno i živa i mrtva, stanje poznato kao kvantna superpozicija, kao rezultat povezanosti na slučajni subatomski događaj koji se može dogoditi ili ne dogoditi.

Misaoni eksperiment je često predstavljen u teorijskim raspravama o interpretacijama kvantne mehanike, posebno u situacijama koje uključuju problem sa mjerenjem. Schrödinger je skovao termin Verschränkung (zapletenost) tokom razvijanja misaonog eksperimenta.

Schrödinger je svoj misaoni eksperiment zamislio kao diskusiju o članku EPR-a – nazvanom po svojim autorima Einstein, Podolsky i Rosen – 1935. godine. EPR članak naglasio je kontraintuitivnu prirodu kvantnih superpozicija, u kojima kvantni sistem poput atoma ili fotona može postojati kao kombinacija više stanja koja odgovaraju različitim mogućim ishodima.

Prevladavajuća teorija, nazvana interpretacijom iz Kopenhagena, kaže da kvantni sistem ostaje u superpoziciji sve dok ne djeluje na vanjski svijet ili ga ne promatra vanjski svijet. Kad se to dogodi, superpozicija se urušava u jedno ili drugo od mogućih definitivnih stanja. EPR eksperiment pokazuje da sistem s više čestica odvojenih velikim udaljenostima može biti u takvoj superpoziciji. Schrödinger i Einstein razmijenili su pisma o Einsteinovom članku o EPR-u, tokom kojeg je Einstein istaknuo da će stanje nestabilne bule baruta nakon nekog vremena sadržavati superpoziciju i eksplodiranih i neeksplodiranih stanja.

Da bi dodatno ilustrirao, Schrödinger je opisao kako se, u načelu, može stvoriti superpozicija u sistemu velikih razmjera, čineći ga ovisnim o kvantnoj čestici koja je bila u superpoziciji. Predložio je scenarij s mačkom u zaključanoj čeličnoj komori, pri čemu život ili smrt mačke ovisi o stanju radioaktivnog atoma, bilo da se raspada i emitira zračenje ili ne. Prema Schrödingeru, kopenhagenska interpretacija podrazumijeva da mačka ostaje i živa i mrtva dok ju neko ne promatra. Schrödinger nije želio promovirati ideju mrtvih i živih mačaka kao ozbiljnu mogućnost; naprotiv, namijenio je primjer da ilustrira apsurdnost postojećeg pogleda kvantne mehanike.

Međutim, od Schrödingerovog vremena fizičari su razvili i druge interpretacije matematike kvantne mehanike, od kojih neke smatraju mačkinu superpoziciju “živog i mrtvog stanja” sasvim stvarnom. Bez obzira da li se kutija, uređaj i mačka zapravo smatraju makroskopskim fizičkim objektima, razlikuje se u svrhi u kojoj se mislilo eksperiment koristi. Kada se koristi kao ilustrativni element u drugim misaonim eksperimentima, obično se smatra čisto metaforičnim sistemom da se izbjegne pitanje može li superpozicija trajati značajno u tako velikom obimu bez dekoherencije. Zamišljen kao kritika kopenhagenske interpretacije (prevladavajuća ortodoksija 1935.), Schrödingerov mačji eksperiment i dalje ostaje kamen temeljac za moderne interpretacije kvantne mehanike. Fizičari često koriste način na koji se svako tumačenje odnosi na Schrödingerovu mačku kao način ilustracije i uspoređivanja određenih osobina, snaga i slabosti svakog tumačenja.

Schrödinger je napisao / la:

Čak se mogu postaviti prilično smješni slučajevi. Mačka je stavljena u čeličnu komoru, zajedno sa sljedećim uređajem (koji mora biti zaštićen od direktne smetnje mačke): na Gegerovom brojaču nalazi se sitno malo radioaktivne tvari, tako malo, da je možda u toku sata kada se jedan od atoma raspada, ali isto tako, s jednakom verovatnoćom, možda i nijedan; ako se dogodi, brojač cijevi isprazni i putem releja pusti čekić koji razbija malu tikvicu cijanovodične kiseline. Ako je jedan cijeli sistem ostavio sebi sat vremena, rekli bi da mačka još živi ako se u međuvremenu ni nijedan atom ne raspadne. Prvo atomsko raspadanje otrovalo bi ga. Psi-funkcija čitavog sistema bi se izrazila time što bi živa i mrtva mačka bile pomiješane ili razmazane u jednakim dijelovima.

Tipično je za ove slučajeve da se neodređenost izvorno ograničena na atomsku domenu pretvara u makroskopsku neodređenost, koja se potom može riješiti izravnim promatranjem. To nas sprječava da naivno prihvatimo kao validan „zamagljeni model“ za predstavljanje stvarnosti. Sam po sebi, on ne bi utjelovio ništa nejasno ili kontradiktorno. Postoji razlika između drhtave fotografije i snimke oblaka i magle.

Schrödingerov čuveni misaoni eksperiment postavlja pitanje, “kada kvantni sistem prestaje postojati kao superpozicija stanja i kad postaje jedno ili drugo?” (Tehnički gledano, kada stvarno kvantno stanje prestaje biti netrivijalna linearna kombinacija stanja, od kojih svako nalikuje različitim klasičnim stanjima, i umjesto toga počinje imati jedinstveni klasični opis?). Ako mačka preživi, sjeća se samo žive . Ali objašnjenja EPR eksperimenata koja su u skladu sa standardnom mikroskopskom kvantnom mehanikom zahtijevaju da makroskopski predmeti, poput mačaka i bilježnica, nemaju uvijek jedinstvene klasične opise. Misaoni eksperiment ilustrira ovaj prividni paradoks. Naša intuicija kaže da nijedan promatrač ne može biti u mješavini stanja – ali mačka, čini se iz misaonog eksperimenta, može biti takva smjesa. Da li je mački potrebno da bude promatrač ili da li njeno postojanje u jednom dobro definiranom klasičnom stanju zahtijeva drugog vanjskog promatrača? Svaka alternativa djelovala je apsurdno Einsteinu, koji je bio impresioniran sposobnošću misaonog eksperimenta da istakne ta pitanja. U pismu Schrödingeru iz 1950. godine napisao je:

Vi ste jedini savremeni fizičar, pored Laue, koji vidi da se ne može zaobići pretpostavka stvarnosti, ako je samo jedan iskren. Većina njih jednostavno ne vidi kakvu rizičnu igru igraju sa stvarnošću – stvarnost kao nešto što je nezavisno od eksperimentalno utvrđenog. Njihovu interpretaciju, međutim, najelegantnije opovrgava vaš sistem radioaktivnog atoma + pojačalo + naboj pištolja u prahu + mačka u kutiji, u kojoj psi-funkcija sustava sadrži i mačku živu i raznesenu na komade. Nitko zaista ne sumnja da je prisustvo ili odsustvo mačke nešto nezavisno od čina opažanja.

Napominjemo da se naboj baruta ne spominje u Schrödingerovoj instalaciji, koja koristi Geigerov brojač kao pojačalo, a ugljikovodični otrov umjesto baruta. Barut je spomenut u Einsteinovoj originalnoj sugestiji Schrödinger-u, a Einstein ga je prenosio naprijed u ovu raspravu.

Interpretacije eksperimenta


Od Schrödingerovog vremena predložene su druge interpretacije kvantne mehanike koje daju različite odgovore na pitanja koja postavlja Schrödingerova mačka o tome koliko dugo traju superpozicije i kada (ili da li) propadaju.

Kopenhagenska interpretacija



Ova interpretacija kvantne mehanike je interpretacija iz Kopenhagena. U interpretaciji iz Kopenhagena, sistem prestaje biti superpozicija stanja i postaje jedno ili drugo kada se dogodi promatranje. Ovaj misaoni eksperiment otkriva činjenicu da priroda mjerenja ili promatranja nije dobro definirana u ovoj interpretaciji. Eksperiment se može protumačiti tako da sustav dok je zatvoren okvir istovremeno postoji u superpoziciji stanja “raspadnutog jezgra / mrtva mačka” i “neoplođeno jezgro / živa mačka”, i to samo kad se kutija otvori i promatranjem valna funkcijan se sruši u jedno od dva stanja.

Međutim, jedan od glavnih naučnika povezanih s interpretacijom iz Kopenhagena, Niels Bohr, nikada nije imao na umu propadanje valne funkcije uzrokovano promatračem, jer on valnu funkciju nije smatrao fizički stvarnom, već statističkim alatom; prema tome, Schrödingerova mačka nije mu predstavljala nikakvu zagonetku. Mačka bi bila mrtva ili živa mnogo prije nego što je svjesni promatrač otvorio kutiju. Analizom stvarnog eksperimenta utvrđeno je da je samo mjerenje (na primjer pomoću Geigerovog brojača) dovoljno za kolaps kvantne valne funkcije prije bilo kakvog svjesnog promatranja mjerenja, iako je valjanost njihovog dizajna osporavana. (Stav da se „opažanje“ zauzima kada čestica iz jezgre udari u detektor može se razviti u objektivne teorije kolapsa. Miselni eksperiment zahtijeva detektiranje „nesvjesnog promatranja“ kako bi se dogodio kolaps valnog oblika. Nasuprot tome, pristup mnogih svjetova negira da se kolaps ikad događa.)

Tumačenje mnogih svjetova i dosljedne historije

Hugh Everett je 1957. formulisao interpretaciju kvantne mehanike u mnogim svjetovima, koja ne izdvaja promatranje kao poseban proces. U tumačenju mnogih svjetova, i živa i mrtva stanja mačke ostaju nakon otvaranja kutije, ali su međusobno ukrašena. Drugim riječima, kad se otvori kutija, posmatrač i eventualno mrtva mačka razdvajaju se u promatrača koji gleda u kutiju sa mrtvom mačkom, a promatrač koji gleda kutiju sa živom mačkom. Ali budući da su mrtva i živa stanja dekoncentrirana, nema učinkovite komunikacije ili interakcije između njih.

Prilikom otvaranja okvira promatrač se zapetljava u mačku, pa se formiraju „posmatračka stanja“ koja odgovaraju mački da je živa i mrtva; svako promatračko stanje je zapleteno ili povezano s mačkom tako da “promatranje stanja mačke” i “stanje mačke” korespondiraju jedno s drugim. Kvantna dekoherencija osigurava da različiti ishodi nemaju međusobnu interakciju. Isti mehanizam kvantne dekoherencije važan je i za interpretaciju u smislu konzistentne istorije. Samo „mrtva mačka“ ili „živa mačka“ mogu biti dio dosljedne historije u ovom tumačenju. Smatra se da dekoherencija sprječava istovremeno opažanje više stanja.

Varijantu Schrödingerovog eksperimenta, poznatu kao mašina za kvantno samoubistvo, predložio je kosmolog Max Tegmark. Ona ispituje Schrödingerov eksperiment s mačkama s gledišta mačke i tvrdi da se pomoću ovog pristupa može razlikovati kopenhaška interpretacija i ona mnogih svijetova.

Ansambl interpretacija


Interpretacija ansambla kaže da supozicije nisu ništa drugo nego podsemenici veće statističke cjeline. Vektor stanja ne bi se primjenjivao na pojedinačne eksperimente na mačkama, već samo na statistiku mnogih sličnih pripremljenih pokusa na mačkama. Zagovornici ove interpretacije tvrde da to paradoks Schrödingerove mačke čini trivijalnom materijom, ili ne-pitanjem.

Ovo tumačenje služi za odbacivanje ideje da jedan fizički sistem u kvantnoj mehanici ima matematički opis koji mu na bilo koji način odgovara.

Relacijsko tumačenje


Relacijsko tumačenje ne čini fundamentalnu razliku između ljudskog eksperimentatora, mačke ili uređaja ili između animiranih i neživih sistema; svi su kvantni sistemi kojima vladaju ista pravila evolucije talasnih funkcija i svi se mogu smatrati “promatračima”. Ali relacijsko tumačenje omogućava da različiti promatrači mogu dati različite izvještaje o istom nizu događaja, ovisno o informacijama koje imaju o sustavu. Mačka se može smatrati posmatračem aparata; u međuvremenu, eksperiment se može smatrati drugim posmatračem sistema u okviru (mačka plus uređaj). Prije nego što se kutija otvori, mačka, po prirodi da je živa ili mrtva, ima informacije o stanju aparata (atom je propadao ili nije propadao); ali eksperimentator nema informacije o stanju sadržaja kutije. Na ovaj način, dva promatrača istovremeno imaju različite izvještaje o situaciji: Mački se činilo da „talasa“ talasna funkcija aparata; eksperimentatoru, čini se da je sadržaj kutije u superpoziciji. Sve dok se okvir ne otvori, a oba promatrača imaju iste informacije o onome što se dogodilo, čini se da se oba stanja sustava “urušavaju” u isti definitivni rezultat, mačka koja je ili živa ili mrtva.

Transakcijsko tumačenje


U transakcijskoj interpretaciji aparat emitira napredni val unatrag u vremenu, koji u kombinaciji s valom koji izvor emitira naprijed u vremenu formira stojeći val. Valovi se vide kao fizički stvarni, a aparat se smatra “posmatračem”. U transakcijskoj interpretaciji kolaps valne funkcije je “atemporal” i događa se duž cijele transakcije između izvora i aparata. Mačka nikad nije u superpoziciji. Umjesto toga, mačka je samo u jednom stanju u bilo kojem trenutku, bez obzira na to kad ljudski eksperimentator gleda u kutiju. Transakcijska interpretacija rješava ovaj kvantni paradoks.

Zeno efekti


Zeno efekt zna da uzrokuje kašnjenja u bilo kakvim promjenama od početnog stanja.

S druge strane, anti-zeno efekat ubrzava promjene. Na primjer, ako često zavirite u mačji okvir, možete uzrokovati odgađanja sudbonosnog izbora ili, obrnuto, ubrzati ga. I Zeno efekat i anti-Zeno efekat su stvarni i za koje se zna da se dešavaju sa stvarnim atomima. Kvantni sistem koji se mjeri mora biti snažno povezan s okolnim okruženjem (u ovom slučaju s aparatom, eksperimentalnom prostorom … itd.) Kako bi se dobili tačniji podaci. No, iako nema informacija koje su prenesene u vanjski svijet, smatra se kvazi-mjerenjem, ali čim se informacije o dobrobiti mačke prenose u vanjski svijet (zavirivanjem u okvir) kvazi- merenje se pretvara u mjerenje. Kvazi-merenja, poput merenja, uzrokuju efekte Zenova. Zeno efekti nas uče da bi čak i bez zavirivanja u kutiju mačkina smrt bila odgođena ili ubrzana zbog svog okruženja.

Objektivne teorije kolapsa


Prema objektivnim teorijama kolapsa, superpozicije se uništavaju spontano (bez obzira na vanjsko promatranje), kad se dostigne neki objektivni fizički prag (vremena, mase, temperature, nepovratnosti itd.). Tako bi se očekivalo da bi se mačka doselila u određeno stanje puno prije otvaranja kutije. To bi se moglo lagano izraziti kao “mačka promatra sebe” ili “okolina promatra mačku”.

Objektivne teorije kolapsa zahtijevaju modifikaciju standardne kvantne mehanike kako bi se omogućilo uništavanje superpozicija procesom evolucije vremena.

Prijave i testovi



Schrödingerova mačja kvantna superpozicija stanja i utjecaja okoline kroz dekoherenciju
Opisani eksperiment je čisto teorijski i nije poznato da je predloženi stroj konstruiran. Međutim, uspješni eksperimenti koji uključuju slične principe, npr. izvršena su superpozicije relativno velikih (po standardima kvantne fizike) objekata. Ovi eksperimenti ne pokazuju da se objekt veličine mačke može nanositi, ali već ih je gornja granica “stanja mačaka” pomaknula prema gore. U mnogim slučajevima stanje je kratkotrajno, čak i kada se ohladi na gotovo apsolutnu nulu.


Eksperiment koji uključuje superprevodni uređaj za kvantnu interferenciju (“SQUID”) povezan je s temom misaonog eksperimenta: “Stanje superpozicije ne odgovara milijardi elektrona koji teku jednim smjerom i milijardi drugih koji teče drugim putem. Superprevodni elektroni se kreću masovno. Svi supravodljivi elektroni u SQUID struji oba puta oko petlje odjednom kada su u Schrödingerovom mačjem stanju.
Izgrađen je piezoelektrični “tuning vilica”, koji se može staviti u superpoziciju vibrirajućeg i ne vibrirajućeg stanja. Rezonator sadrži oko 10 biliona atoma.
Predložen je eksperiment koji uključuje virus gripa.
Predložen je eksperiment koji uključuje bakteriju i elektromehanički oscilator.
U kvantnom računanju izraz “mačje stanje” ponekad se odnosi na stanje GHZ, pri čemu je nekoliko kubita u jednakom superpoziciji od svih 0 i svi su 1; npr.


Prema barem jednom prijedlogu, moguće je utvrditi stanje mačke prije nego što je promatrate.

Proširenja


Wignerov prijatelj varijanta eksperimenta sa dva ljudska promatrača: prvi vrši promatranje vidi li bljesak svjetlosti, a zatim svoje promatranje prosljeđuje drugom promatraču. Ovdje je pitanje: da li se valna funkcija “kolabira” kada prvi promatrač pogleda eksperiment, ili tek kad drugi promatrač bude obaviješten o opažanjima prvog promatrača?

U drugom su dodatku ugledni fizičari otišli toliko daleko da su sugerisali da su astronomi koji su 1998. promatrali tamnu energiju u svemiru možda “smanjili životni vijek” kroz pseudo-Schrödinger-ov scenarij za mačke, iako je to kontroverzno stajalište.

 2,095 total views,  14 views today

Arnes K.

Ja sam nastavnik i profesor fizike koji nastoji da ispuni rupe u svom i svačijem znanju kako bi svi bili bolje informisani i mogli da donosimo bolje odluke i živimo bolji život.

Šta vi mislite o ovom? Ostavite vaš komentar i podijelite mišljenje sa svima.

Sva Fizika
%d bloggers like this: