Котката на Шрьодингер: обяснение на мисловния експеримент в квантовата физика

Котката на Шрьодингер — ясно и достъпно обяснение на класическия мисловен експеримент в квантовата физика, с примери и обяснение за интерпретациите и значимостта.

Котката на Шрьодингер е мисловен експеримент в областта на квантовата физика. Ервин Шрьодингер го предлага през 1935 г. в отговор на Копенхагенската интерпретация на квантовата физика.

Шрьодингер пише:

Можете да създадете дори доста смешни случаи. Една котка е затворена в стоманена камера, заедно със следното устройство (което трябва да бъде защитено от пряка намеса на котката): в Гайгеров брояч има малко радиоактивно вещество, толкова малко, че може би в рамките на един час само един от атомите се разпада, но също така, с еднаква вероятност, може би никой; ако това се случи, тръбата на брояча се разрежда и чрез реле пуска чукче, което разбива малка колба с циановодородна киселина. Ако оставим цялата тази система сама на себе си в продължение на един час, ще кажем, че котката все още живее, ако междувременно нито един атом не се е разпаднал. Пси-функцията на цялата система би изразила това, като в нея живата и мъртвата котка (простете за израза) са смесени или размазани в равни части.

Характерно за тези случаи е, че неопределеността, която първоначално е била ограничена до атомната област, се трансформира в макроскопична неопределеност, която след това може да бъде разрешена чрез пряко наблюдение. Това ни пречи да приемем толкова наивно за валиден един "размит модел" за представяне на реалността. Сам по себе си той не би въплътил нищо неясно или противоречиво. Има разлика между разтреперана или разфокусирана снимка и снимка на облаци и лавици мъгла.

- Erwin Schrödinger, Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik (Настоящата ситуация в квантовата механика), Naturwissenschaften
(в превод на John D. Trimmer в Proceedings of the American Philosophical Society)

На прост език Шрьодингер твърди, че ако поставите котка и нещо, което може да я убие (радиоактивен атом), в кутия и я запечатате, няма да разберете дали котката е жива или мъртва, докато не отворите кутията, така че докато кутията не бъде отворена, котката (в известен смисъл) е едновременно "жива и мъртва". Това се използва за представяне на начина, по който работи научната теория. Никой не знае дали дадена научна теория е правилна или не, докато не бъде проверена и доказана.

Физиката може да се раздели на два вида: класическа физика и квантова механика. Класическата физика обяснява повечето физични взаимодействия, като например защо топката отскача, когато падне. Тя може да се използва и за предсказване на физични взаимодействия, като например какво ще се случи, когато пуснете топка. Има обаче някои физически взаимодействия, които тя не обяснява; например как светлината може да се превърне в електричество. Квантовата механика дава възможност на физиците да обяснят защо се случват тези неща.

Копенхагенското тълкуване се използва, за да се обясни какво се случва с най-малката част на атома (субатомна частица), без да я гледаме (наблюдаваме или измерваме). Математиката се използва, за да се покаже колко вероятно е нещо да се случи с частицата. Частицата може да бъде описана като частица, за която има 50 % вероятност да се намира на едно място в един момент или 50 % вероятност да се намира на едно място в друг момент. Това може да бъде изразено и като диаграма (или форма на вълна). Това е много удобно, когато се правят изчисления в областта на квантовата физика.

Единственият начин да сме 100% сигурни къде се намира една частица обаче е да я наблюдаваме. До момента, в който я наблюдавате, Копенхагенската интерпретация казва, че частицата е там и не е там. Едва когато наблюдавате частицата, знаете дали тя е там, или не е там.

Макар че това е логично в квантовата физика, то не е логично в класическата физика (в реалния свят).

Шрьодингер иска да покаже, че този начин на мислене за квантовата механика би довел до абсурдни ситуации. Той разработва мисловен експеримент.

Котката се поставя в стая, която е отделена от външния свят.

В стаята има брояч на Гайгер, който отчита количеството радиоактивен разпад, и малко радиоактивен елемент.

В рамките на един час един от атомите на радиоактивния материал може да се разпадне (или да се разпадне, защото материалът не е стабилен), а може и да не се разпадне.

Ако материалът се разпадне, той ще освободи атомна частица, която ще попадне в гайгеровия брояч, който ще освободи отровен газ, който ще убие котката.

Въпросът сега е: в края на часа котката жива ли е или мъртва? Шрьодингер казва, че според Копенхагенската интерпретация, докато вратата е затворена, котката е жива и мъртва. Няма как да разберем това, докато вратата не се отвори. Но като отваря вратата, човекът се намесва в експеримента. Човекът и експериментът трябва да бъдат описани по отношение един на друг.

При разглеждането на експеримента лицето е повлияло на експеримента, поради което той може да не ни даде правилния отговор.

Мисловният експеримент е измислен от Шрьодингер, за да покаже глупостта на мисленето за квантови състояния на големи обекти. Той е споменаван многократно и в попкултурата.

Какво точно илюстрира експериментът

Котката на Шрьодингер цели да покаже разликата между две неща:

• Квантова суперпозиция: квантовата система (напр. атом) може да бъде в смесено състояние — например едновременно разпаднат и неразпаднат — докато не бъде измерена.
• Класическа неяснота: при класическите системи „не знаем“ какво е състоянието, защото нямаме информация, но системата има определено състояние независимо от нашето наблюдение.

Шрьодингер настоява, че ако приложим квантовата логика директно върху макроскопични обекти (като котка), стигаме до абсурд: котката би била едновременно жива и мъртва. Той използва това, за да оспори наивната идея, че квантовата суперпозиция просто „преминава“ без промяна към макроскопичните измерения.

Копенхагенската интерпретация и „колапсът“

В класическата формулировка на Копенхагенското тълкуване квантовата система се описва чрез вълнова функция (ψ). Тази вълнова функция дава вероятности за различните възможни резултати. Когато се извърши измерване, според това тълкуване вълновата функция „колапсира“ до едно от възможните състояния — и наблюдателят вижда конкретен резултат. За котката това означава, че преди отварянето на кутията системата е в суперпозиция; при измерване се избира един от двата изхода (жива или мъртва).

Важно е да се отбележи, че „наблюдение“ в този контекст не винаги означава съзнателен човек — много физици разглеждат измерването като взаимодействие със среда или апарат, което предизвиква колапса. Въпросът кой или какво предизвиква колапса е част от т.нар. проблем на измерването в квантовата механика.

Съвременни виждания: декохеренция и интерпретации

От времето на Шрьодингер науката напредна и днес има по-сложни и нюансирани обяснения:

• Декохеренция: взаимодействието на квантова система с околната среда води до бързо „разпадане“ на известните квантови интерференции и прави суперпозициите невъзможни за наблюдение на макроскопично ниво. Това обяснява защо не виждаме „живи-и-мъртви“ котки в ежедневието — макроскопичните системи се свързват с околната среда и загубват кохерентност много бързо. Декохеренцията не „избира“ един резултат сама по себе си, но обяснява защо суперпозициите не са наблюдаем феномен при големи обекти.
• Много светове (Many-Worlds): тази интерпретация отхвърля колапса и твърди, че при всяко „измерване“ Вселената се разделя на клонове, във всеки от които се реализира един от възможните резултати. По този начин и в двата клона котката е или жива, или мъртва, но няма един общ „колапс“. Това елиминира нуждата от специален механизъм за колапс, но води до метафизични въпроси за множеството реалности.
• Бохмианска механика (пилотни вълни): тук има и скрити параметри, които определят конкретните резултати — системите имат ясно дефинирани позиции, а вълновата функция ги управлява. Тази теория възстановява реализъм, но е нелокална.

Практическа страна и експерименти

Съвременната техника позволява да се създават и изследват суперпозиции при системи, които са относително големи в сравнение със субатомните частици — напр. интерференция с молекули (C60 и по-големи), квантови състояния в свръхпроводящи кръгове (SQUID) и др. Въпреки това, достигането на „котешко“ ниво на суперпозиция остава практически невъзможно, защото декохеренцията действа изключително бързо при макроскопични обекти.

Често срещани недоразумения

• Котката не е мислен като реално едновременно живо и мъртво биологично същество по начин, в който човек би преживял това. Мисловният експеримент е инструмент за философска и физична критика.
• „Наблюдател“ не е задължително съзнателен човек — измерване може да бъде всяко взаимодействие, което прави различните квантови възможности разграничими.
• Декохеренцията не решава напълно проблема защо наблюдаваме конкретен резултат (т.нар. „проблем на резултатите“), но много физици я считат за ключов елемент в разбирането защо макроскопичните суперпозиции не се проявяват.

Защо експериментът остава важен

Котката на Шрьодингер е класически пример, който помага да се формулират и изследват дълбоки въпроси за природата на реалността, ролята на наблюдението и границите между квантовото и класическото. Той продължава да бъде учебен инструмент в курсове по квантова механика, философия на науката и попкултурата, като предизвиква дискусии за това как трябва да разбираме нашите най-добри физични теории.

За по-задълбочено четене може да се върнете към оригиналната статия на Шрьодингер (цитираната по-горе) и към съвременни прегледи за декохеренция и тълкуванията на квантовата механика.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява котката на Шрьодингер?

Въпрос: Какво казва копенхагенското тълкуване за частиците?

В: Как Шрьодингер демонстрира тази концепция?

Въпрос: Кои са двата вида физика, споменати в този текст?

Въпрос: Как наблюдението на нещо влияе на експеримента?

Въпрос: Какво означава "пси-функция"?

Търсене по буква