A Schrödinger macskája egy gondolatkísérlet, amelyet Erwin Schrödinger fizikus dolgozott ki 1935-ben , hogy rávilágítson a kvantumfizika koppenhágai értelmezésének állítólagos hiányosságaira , és különösen a mérés problémájára .
A kvantummechanikát viszonylag nehéz megtervezni, mert a világ leírása az amplitúdó valószínűségén ( hullámfüggvényeken ) alapszik . Ezek a hullámfüggvények lineáris kombinációban lehetnek, " szuperponált állapotokat " eredményezve. Azonban egy úgynevezett „mérési” művelet során a kvantum objektum meghatározott állapotban található; a hullámfüggvény megadja annak valószínűségét, hogy az objektum ilyen vagy olyan állapotban megtalálható.
A mérés zavarja a rendszert, és elágazik egy egymásra helyezett kvantum állapotból (például az atom ép és szétesett is ... de a szétesés valószínűségével egy adott időintervallumban, amelyet tökéletesen meghatározunk) egy mért állapotba. . Ez az állapot nem létezik az intézkedés előtt: az intézkedés váltja ki.
Azonban a mérték vagy a kettéágazás fogalma nem jelenik meg kifejezetten vagy akár közvetve a kvantumformalizmusban, és ennek a fogalomnak a megvalósítására tett kísérletek rendkívüli nehézségekkel szembesülnek. Ennek eredményeként néhány fizikus semmilyen fizikai valóságot nem tulajdonít a mérés vagy a megfigyelés fogalmának. Számukra az egymásra helyezett állapotok nem omlanak össze vagy „ágaznak el”, és a mért állapot valójában nem is létezik (lásd például: Hugh Everett ).
Ennek az álláspontnak a paradox jellegét kellett kihangsúlyozni, és a problémát feltűnően feltenni Schrödinger képzelte el ezt a gondolatkísérletet , más néven „Schrödinger-paradoxont”.
Erwin Schrödinger elképzelési kísérletet képzelt el, amelyben egy macskát egy dobozba zárnak egy eszközzel, amely megöli az állatot, amint észleli az atom szétesését egy radioaktív testben; például: egy Geiger típusú radioaktivitás-detektor , egy kapcsolóhoz csatlakoztatva, amely egy méregüveget megtörő kalapács leesését okozta - Schrödinger hidrogén- cianinsavat javasolt , amelyet folyékony formában lezárhatunk egy nyomás alatt álló fiolában, és egyszer elpárologhatva halálos gázzá válhat. az üveg eltört.
Ha a valószínűségek azt jelzik, hogy a bomlásnak egy az egyben esélye van egy perc elteltével bekövetkezni, a kvantummechanika azt jelzi, hogy amíg a megfigyelés meg nem történik (vagy pontosabban, hogy nem , a hullámcsomag nem csökkent ), az atom két állapot szuperpozíciójában van: ép és szétesett. Az Erwin Schrödinger által elképzelt mechanizmus azonban összekapcsolja a macska állapotát (elhalt vagy élve) a radioaktív részecskék állapotával, így a macska is államok ( holt állapot és élő állapot ) szuperpozíciójában lenne , egészen a a doboz megnyitása (megfigyelés) kiváltja a választást a két állapot között. Ezért egy perc múlva lehetetlen megmondani, hogy a macska meghalt-e vagy sem.
A fő nehézség tehát abban rejlik, hogy ha az ember általában kész elfogadni egy részecske ilyen helyzetét, az elme nem hajlandó könnyedén elfogadni egy olyan helyzetet, amely annyira természetellenesnek tűnik, amikor egy témáról van szó.
Ezt a kísérletet soha nem hajtották végre, mert:
Valójában a cél mindenekelőtt a szellemek megjelölése: ha a kvantumelmélet lehetővé teszi, hogy a macska egyszerre legyen holt és életben, akkor az vagy téves, vagy minden előítéletet felül kell vizsgálni.
Kelt kelt levelében 1935. augusztus 8címzett Schrödinger , Einstein javasol gondolat kísérlet, ahol egy hordó lőpor lenne szuperpoziciójával államok a hordó felrobbant és a hordó még nem robbant . Schrödinger válaszol továbbAugusztus 19azáltal, hogy a hordót lecserélik egy macskára, amelyet egy eszköz a halott és élő állapot szuperpozíciójába helyez . Ettől kezdve Einstein egy hordó port használt egy macskával a közelben. Schrödinger és Einstein úgy vélte, hogy az élőhalott macska lehetősége azt bizonyítja, hogy Max Born a hullámfüggvény értelmezése hiányos volt. A " milyen megoldás ?" Megmutatja, hogy ez a helyzet egyértelműen aláhúzza a kvantummechanika furcsaságait, de nem cáfolja.
Nyilvánvaló, hogy az a tény, hogy a kvantumfizika ortodox értelmezése egy halott és élő macskához is vezet, azt mutatja, hogy a kvantummechanika törvényeket engedelmeskedik, ellentétben intuíciónkkal. Rosszabb esetben belátjuk, hogy nem az a kérdés, hogy "hogyan lehetséges ez a kvantumvilágban?" "De" hogy lehetetlen ez a makroszkopikus világban? ".
Anekdotikusan azt is feltehetjük magunknak a kérdést ( Étienne Klein ezt csinálja a Hétszeres forradalom volt ), honnan származik a macska választása erre a gondolatkísérletre. A Sciences et Avenir Schrödinger macskájának szentelt különszámában azt a hipotézist javasolja, hogy Schrödinger hivatkozott a cheshire-i macskára .
A "A macska halott és életben" állítás valóban zavaró, és megérzésünk azt mondja nekünk, hogy a "macska halott" és "a macska életben" kifejezések mind a másik tagadását jelentik. Valójában van egy harmadik lehetőség is: a macska szuperpozíciós állapotban lehet, amelyben több összeférhetetlen klasszikus állapotot halmoz fel. Nincs logikai probléma (a kizárt harmadik fél elvét nem kérdőjelezik meg), csupán annyi, hogy egy kvantumobjektumnak lehetnek olyan tulajdonságai, amelyek ellentmondanak a napi tapasztalatainknak.
Az „ élőhalott macskán ” való visszaélések elkerülése érdekében inkább azt mondhatjuk, hogy a macska olyan állapotban van, hogy a szokásos kategorizációk (itt az élet vagy a halál) elveszítik értelmüket.
De Einsteinhez hasonlóan nem hajlandó beismerni, hogy a macskának nincs határozott állapota mindaddig, amíg nem végez megfigyelést, és feltételezhetjük, hogy ha valaki látja az élő macskát, az a bezárása óta van. Einstein előrevetítette Niels Bohr kifogását: "A pozitivista misztikus visszavágja, hogy nem lehet spekulálni a macska állapotával, mindaddig, amíg nem azzal az ürüggyel néznek, hogy az nem lenne tudományos".
Még annak elismerése sem, hogy a macska állapota szemantikai szempontból közvetlenül a részecske állapotából következik, azt mondani, hogy a macska halott és életben van, nem teljesen jogos: pontosabban , ha a bra-ket jelölést használjuk a Paul Dirac . És a „halott” és az „élő” vektorok előtti együtthatók összetett számok lehetnek. A mindennapi nyelv „és” kifejezésének ebben a helyzetben nincs igazán értelme, a logikai „és” szót újra kellene definiálni. A kérdés nem csak a kvantumfizikára jellemző: ha az együttható , függetlenül attól, hogy a macska él-e vagy meghalt, egyenértékű-e azzal a kérdéssel, hogy 13 óra 30 perckor az óra óramutatója vízszintes vagy függőleges.
Pontosan a Schrödinger-egyenlet engedélyezi ezeket a szuperpozíciókat: ez az egyenlet, amely a kvantumfizika keretein belül vizsgált részecske lehetséges állapotait szabályozza , lineáris , ami azt jelenti, hogy egy részecske két lehetséges állapota esetében e két állapot kombinációja lehetséges állapot is. A megfigyelés viszont kényszeríti az átmenetet e két állapot egyikébe.
Feltételezve, hogy a részecske állapota és a macska élete közvetlen függőséget mutat - a Schrödinger-egyenlet linearitása alapján - a macskának egymásra helyezett állapotban kell lennie, halottnak és életben kell maradnia a megfigyelésig, ami egyetlen eggyé csökkenti azt állapot.
Különböző lehetőségek javasolják ennek a paradoxonnak a megoldását:
Számos kvantumelméletíró azt állítja, hogy a szuperpozíció állapota csak akkor fenntartható, ha nincs kölcsönhatás a környezettel, amely „kiváltja” a választást a két állapot között (halott vagy életben). Ez a dekoherencia elmélete . A szakadást nem "tudatos" cselekedet okozza, amelyet "mérésként" értelmezünk, hanem a környezettel való fizikai interakciók, így a koherencia annál gyorsabban megtörik, amint több az interakció. Makroszkopikus skálán, több milliárd milliárd részecskénél a repedés tehát szinte azonnal bekövetkezik. Más szavakkal, a szuperpozíciós állapot csak nagyon apró tárgyak (néhány részecske) esetén tartható fenn. A dekoherencia megfigyelő, vagy akár mérés jelenlététől függetlenül következik be. Ezért nincs paradoxon : a macska határozott állapotban van jóval a doboz kinyitása előtt. Ezt az elméletet nevezetesen Roland Omnès és Jean-Marc Lévy-Leblond fizikusok , Murray Gell-Mann és Serge Haroche Nobel-díjak (a feltárt fény, Odile Jacob 2020) védik .
A dekoherencia elméletének egyik változatát különösen Roger Penrose , Rimini, Ghirardi és Weber fizikusok védik . Abból indul ki, hogy a dekoherenciát a kvantumtörvények csak bizonyos esetekben mutatják be, és egyszerűsítő feltételezéseket tesznek, és tetszőleges tartalommal rendelkeznek („durva szemcsés” történetek). Sőt, mivel a kvantumtörvények alapvetően lineárisak, és a dekoherencia lényegében nemlineáris, a második megszerzése az elsőtől nagyon gyanúsnak tűnik e fizikusok szemében. A kvantumtörvények ezért önmagukban nem lennének képesek megmagyarázni a dekoherenciát. Ezek a szerzők ezért további fizikai paramétereket vezetnek be a kvantumtörvényekbe (a gravitáció hatása például Penrose esetében), hogy megmagyarázzák a dekoherenciát, amely mindig függetlenül történik a megfigyelő jelenlététől, vagy akár a méréstől.
Ennek az elméletnek az az elõnye, hogy az elõzõvel szemben világos és objektív választ ad arra a kérdésre, hogy "mi történik a mikroszkopikus szint és a dekoherenciát magyarázó makroszkopikus szint között". Hátránya, hogy ezek a további paraméterek, bár kompatibilisek az ismert kísérletekkel, nem felelnek meg a mai napig teljes és jól megalapozott elméletnek.
Sok pozitivista fizikus , akiket Werner Heisenberg vagy Stephen Hawking jól képvisel , úgy gondolja, hogy a hullámfüggvény nem önmagában írja le a valóságot, hanem csak azt, amit tudunk róla (ez a megközelítés egybeesik Immanuel Kant filozófiájával , a noumenonnal , más szavakkal dolog önmagában , szemben a jelenséggel , a dologgal, ahogyan azt észleljük). Más szavakkal, a kvantumtörvények csak a kísérlet eredményének kiszámításához és előrejelzéséhez használhatók, a valóság leírásához azonban nem. Ebben a hipotézisben a macska egymásra helyezett állapota nem "valós" állapot, és nem kell erről filozofálni (ezért Stephen Hawking híres mondata "Amikor meghallom" Schrödinger macskáját ", előveszem a fegyvert" ). Hasonlóképpen, a "hullámfüggvény összeomlásának" nincs realitása, és egyszerűen leírja a rendszer ismereteink változását . Ebben a megközelítésben, amely még mindig meglehetősen elterjedt a fizikusok körében, a paradoxon megszűnik.
A párhuzamos univerzumok Hugh Everett által bevezetett elmélete ellentétes a pozitivista megközelítéssel, és kijelenti, hogy a hullámfüggvény leírja a valóságot és az egész valóságot. Ez a megközelítés lehetővé teszi a két egymásra helyezett állapot külön-külön történő leírását, és kettős valóságot ad nekik, amely látszólag eltűnt, feloldódott a paradoxonban (pontosabban két valóság két teljesen párhuzamos univerzumban - és kétségtelenül képtelen egymással kommunikálni teljesen különálló). Ez az elmélet nem dönt abban a kérdésben, hogy létezik-e a valóság duplikálása ( sok-világ ) vagy duplikáció, ellentétben ugyanezen valóság megfigyelőivel ( sok-elmék ), mivel ez a két lehetőség nem mutat különbséget.
Annak ellenére, hogy összetett és kétségei vannak a cáfolhatóságával kapcsolatban , ez az elmélet sok fizikus támogatását elnyeri, akiket a dekoherencia elmélete nem győz meg, nem a pozitivisták, és hiszik, hogy a kvantumtörvények pontosak és teljesek.
A macska-paradoxon forrása abban az értelmezésben, amelyet a kvantum szuperpozícióról teszünk. Az egymásra helyezett állapot matematikailag csak a megfigyelhető állapotok lineáris kombinációja, kettő a radioaktív atom esetében. A probléma azért merül fel, mert a klasszikus (makroszkopikus) világban ezek az egymásra helyezett állapotok nem léteznek, vagy legalábbis soha nem voltak megfigyelhetők. Csak a másik két állapotot figyeljük meg, pontosan megfigyelhető állapotoknak nevezzük. Kicsit olyan, mint a dobások vagy a farkak játékában, amikor a pénz a levegőben forog, a mérés előtt a farok és az arc állapota egymásra kerül, de a mérés végén csak a fej, ill. farok figyelhető meg. A De Broglie-Bohm-elmélet From a macskaparadoxont ugyanúgy oldja meg, mint az elem vagy a farok határozatlansága, kiegészítve a rendszerleírást.
Az érmevetés játékhoz meg kell adni a pontos kezdeti feltételeket (az alkatrész helyzetét és sebességét), hogy meghatározzuk, melyik arcot fogják mérni, és várni kell a mérésig (gravitáció), hogy arra kényszerítse az alkatrészt, hogy „válasszon” egy dobás között. vagy farka. A De Broglie-Bohm-elmélet From ugyanúgy halad a radioaktív atom szuperpozíciójának felvetésében. Ki kell egészítenünk egy kezdeti pozíciót a radioaktív atomhoz, annak hullámfüggvénye nem elegendő az élmény teljes leírásához.
Habár a De Broglie-Bohm-elmélet az összes ismert kvantumjelenséget megismétli, és ebben az elméletben nem azonosítottak objektív hibát, a fizikusok közösségének viszonylag ismeretlen, és kevéssé divatos. Érdekes példának, sőt a nem lokális rejtett változókat tartalmazó elmélet paradigmájának tekintik .
Az 1963-as fizikai Nobel-díj , Eugene Wigner támogatja a tudat kölcsönhatásának tézisét dekoherenciában (az állam szuperpozíciójának megszüntetése). Ebben az értelmezésben nem egy mérés vagy fizikai interakciók lennének, hanem a megfigyelő tudata az, ami végső soron "eldönti", hogy a macska meghalt vagy életben van-e. Az ablakon át nézve a szem (ebben az esetben a mérőeszköz) az állapotok egymásra helyezésébe kerül:
Wigner nem mondja meg, hogyan, de álláspontjának következményei fontosak: a világ anyagi valóságát tudatunk határozná meg, és ez egyedülálló (két emberi megfigyelőnek ugyanazt kell érzékelnie). Ez a megoldás a „rejtett változókkal” megoldás egyik változatának tekinthető, ahol a „kiegészítő paraméter” a tudatosság lenne. Ennek a megoldásnak az előnyei megegyeznek a rejtett változókat tartalmazó megoldással, hátrányai, hogy nem tudományos elképzeléseken alapulnak (a tudat tudományos definíciójának hiányában).
Egy érdekes változat még látványosabbá teszi az eredményt: egy kamera egy óra múlva készít képet a macskáról, majd a macskát tartalmazó helyiséget állandóan lezárják (lőrések lyukak). A fényképezés csak egy évvel később alakul ki. Az emberi lelkiismeret azonban csak akkor dönt a macska élete vagy halála között. Vajon visszamegy-e az idegjel a macska életéről vagy haláláról? Lehet, hogy abszurdul hangzik, de Marlan Scully kísérlete és az EPR-paradoxon szemlélteti a kvantumfizika látszólagos időbeli visszacsatolását .
Mi lenne, ha a macska megfigyelő lenne?Schrödinger macskaparadoxonának feloldásában úgy vélik, hogy a macskának nincs tudata, amely lehetővé tenné számára, hogy megfigyelő szerepet töltsön be. Ezért feltételezzük, hogy Schrödinger macskájának kísérlete egyenértékű Einstein porhordójával . Azok, akik ellentmondásosnak tartják, hogy a macskáról pusztán tudattalan tárgyról gondolkodnak, kifejezetten helyettesíthetik a macskát a hordó hordóval.
Ha éppen ellenkezőleg, azt szeretnénk megvizsgálni, hogy mi történik, ha a megfigyelő tudatos, akkor a macskát egy emberre cseréljük, vagy egy embert adunk a láncba, hogy elkerüljük a vitákat arról, hogy a megfigyelő tudatos. Ezek a Wigner barát és a kvantum öngyilkosság változatai.
Meg kell érteni, hogy a tudatos megfigyelők esetei a kezdeti probléma változatait alkotják , míg azok, amelyekben a megfigyelő nincs tudatában, ekvivalens újrafogalmazások .
Wigner barátjaEbben az Eugene Wigner által elképzelt változatban egyik barátja folyamatosan figyeli a macskát egy ablakon keresztül. Ez a barát szereti a macskákat.
Tehát a döglött / élő macskaállamok egymásra helyezése szomorú / boldog Wigner barátállamok szuperpozíciójához vezetne, feltételezve, hogy egy tudatos megfigyelő is egymásra helyezhető állapotba kerülhet. A fenti értelmezések többsége éppen ellenkezőleg arra a következtetésre jut, hogy az államok szuperpozíciója megszakadna, mielőtt Wigner barátjához vezetne.
A kvantum öngyilkosság azt sugallja, hogy egy ember, aki képes megfigyelő szerepét betölteni, vegye át a macska helyét. Ez a helyzet problémát jelent a tudatban szerepet játszó értelmezések számára, mert bátor önkéntesünk csak az élet létének meghatározásával tudatosul. Ez új kérdésekhez vezet.
A macska esetétől eltérően (nem tudatos, ne felejtsük el, hogy ebben a témában kétség merül fel Schrödinger macskáját Einstein porhordójával helyettesíthetjük), ez a kísérlet az értelmezésektől függően különböző eredményekhez vezetne. Ezért lehetővé tenné több értelmezés kiküszöbölését, ha ez nyilvánvaló okok sokasága miatt nem lenne kivitelezhetetlen.
Wigner értelmezése önkéntesünk halálának lehetetlenségéhez vezet ... aminek ezért meg kell tiltania az atom szétesését.
Wigner szerint valóban egy állapot tudata okozza közvetlenül vagy közvetve a hullámfunkció összeomlását. Mivel a tudatosság csak "élő" esetben lehetséges, ez lehetetlenné teszi a hullámfüggvény összeomlását a "halott" állapotban (mindenesetre mindaddig, amíg nincs Wigner "barátja", hogy tudomást szerezzen az állapotról kísérletezője).
Mi történik, ha a bomlás valószínűsége nagyon közel kerül az 1-hez? Meddig fognak megállapodni az atomok, hogy nem bomlanak szét, mert az ember nem tudhat saját haláláról?
A "kvantum öngyilkosság" esetét eredetileg úgy gondolták, hogy ellensúlyozza ezt az értelmezést.
Ez az értelmezés szerepet játszik a tudatosságban is, mert előírja, hogy minden megfigyelésnél a tudat annyi univerzumra "hasít", ahány fizikailag lehetséges megfigyelés van ...
Ebben az értelmezésben mindig van legalább egy univerzum, amelyben a kísérletező él (kivéve, ha a halálozás valószínűsége 100%). Ezért felmerülhet a kérdés, hogy vajon a „tudatosság” nem szisztematikusan ágazik-e el az univerzumban az „élő” eredménnyel, ami egyfajta „kvantumhalhatatlansághoz” vezet? szerző és színész, Norbert Aboudarham hímezte Schrödinger macskája című darabját e téma köré .
A mérési probléma megoldási fája | |||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Kvantum elmélet | |||||||||||||||||
Nem a valóságot hivatott reprezentálni | Nem reprezentálja teljes mértékben a valóságot | Teljesen képviseli a valóságot | |||||||||||||||
Pozitivizmus | Módosított kvantumtörvények | A tudat hatása | További változó hozzáadása: a pozíció | Kvantum dekoherencia | Több univerzum | ||||||||||||
Stephen Hawking Niels Bohr |
Roger penrose | Eugene Wigner | De Broglie-Bohm elmélet |
Roland Omnès Murray Gell-Mann James Hartle |
Hugh Everett David Deutsch |
||||||||||||
Giancarlo Ghirardi Alberto Rimini Wilhelm Eduard Weber |
John von Neumann Fritz London és Edmond Bauer |
John bell |
Hans-Dieter Zeh Wojciech Zurek |
||||||||||||||
Bernard d'Espagnat Olivier Costa de Beauregard |
Mindenesetre ez a gondolatkísérlet és a hozzá kapcsolódó paradoxon ma felvette a kvantumfizika központi szimbólumainak értékét . Függetlenül attól, hogy ennek az elméletnek egy aspektusát támogatják, vagy egy eltérő elméleti lehetőség védelmét szolgálják, szinte minden alkalommal segítségül hívják őket, amikor a makroszkopikus valóság és a mikroszkopikus valóság (a kvantumvilágra jellemző helyzet) nehéz konvergenciáját észlelik. vagy feltételezik.
Ez az élőhalott macska őrült gondolatkísérletnek tűnhet, de jó bevezetés a kvantummechanika bonyodalmaiba. Fontos megjegyezni azt is, hogy egy kvantumszámítógép megvalósítása éppen a szuperpozíció és a dekoherencia (és ezért a paradoxon megoldásának) állapotainak elsajátításától függ.
Ha nem tudunk egy macskát egymással össze nem egyeztethető állapotokba helyezni, másrészt egyszerű részecskékkel is megtehetjük. A leggyakrabban használt fotonok. Az első kísérletet 1996-ban, a másodikat 2007 augusztusában hajtották végre fotonokon a párizsi Sud optikai intézet kutatói (köztük a francia Philippe Grangier ).
"Macskaállapotról" beszélünk, ha azt akarjuk mondani, hogy egy kvantumobjektum összeférhetetlen állapotok szuperpozíciójában van.
Schrödinger macskája, olyan sajátos állapotban, sok viccet hozott fel. Először is, gyakran szellemként mutatják be , mivel egyszerre halott és életben van. Mint még soha nem figyelték meg, a fizikusok kutatási közleményeket rajzoltak: „KÍVÁNTAK! Schrödinger macskája. Holtan és élve ”.
És néha, hogy szigorúbb legyek: „WANTED! Schrödinger macskája. Holtan, élve vagy ”.
Azt is néha írva a chat n ' jelentése nem halott, merész szavakkal villog.
Néhányan megjegyezték, hogy amint a doboz kinyitása megöljük a macskát (vagy sem), Schrödinger új értelmet adott az angol „ közönség megölte a macskát ” ( „a kíváncsiság megölte a macskát” ) közmondásnak .
"- A macska meghal, ha nincs több levegő?"
- Azt hiszem, meghalhat, igen, uram, válaszolta inas Albert. De véleményem szerint nem ez a fontos. Ha jól értem, addig nem fogja tudni, hogy a macska meghalt vagy életben van, amíg meg nem nézte.
- Gyönyörű lepelben lennénk, Albert, igen, nem tudtam, hogyan ismerhetem fel életben a halottakat anélkül, hogy jobban megnézném.
- Ööö ... Elméletileg, uram, a keresés ténye határozza meg, hogy életben van-e vagy sem.
A halál döbbenten nézett ki.
- Azt javasolja, hogy megöljem a macskát, csak úgy, hogy ránézek?
- Ez nem igazán az, uram.
- Úgy értem, nem mintha pofáznék, ilyesmi. "