Het gedachte-experiment 'Schrödinger's Cat' begrijpen

Levende Wonsilakij / Getty Images

Erwin Schrödinger was een van de sleutelfiguren in kwantumfysica , nog voor zijn beroemde ' De kat van Schrödinger ' gedachte experiment. Hij had de kwantumgolffunctie gecreëerd, die nu de bepalende bewegingsvergelijking in het universum was, maar het probleem is dat het alle beweging uitdrukte in de vorm van een reeks waarschijnlijkheden - iets wat in directe strijd is met hoe de meeste wetenschappers van het dag (en mogelijk zelfs vandaag) graag geloven over hoe de fysieke werkelijkheid werkt.

Schrodinger zelf was zo'n wetenschapper en hij bedacht het concept van Schrodinger's Cat om de problemen met de kwantumfysica te illustreren. Laten we de problemen dan eens bekijken en zien hoe Schrödinger ze probeerde te illustreren door middel van analogie.

Quantum onbepaaldheid

De kwantumgolffunctie beeldt alle fysieke grootheden af ​​als een reeks kwantumtoestanden, samen met een waarschijnlijkheid dat een systeem zich in een bepaalde toestand bevindt. Beschouw een enkel radioactief atoom met een halfwaardetijd van een uur.

Volgens de golffunctie van de kwantumfysica zal het radioactieve atoom na een uur in een staat zijn waarin het zowel is vervallen als niet is vergaan. Zodra een meting van het atoom is gemaakt, zal de golffunctie instorten in één toestand, maar tot die tijd zal het blijven als een superpositie van de twee kwantumtoestanden.

Dit is een belangrijk aspect van de Kopenhagen-interpretatie van de kwantumfysica - het is niet alleen dat de wetenschapper niet weet in welke staat het zich bevindt, maar het is eerder dat de fysieke realiteit niet wordt bepaald totdat de meting plaatsvindt. Op de een of andere onbekende manier is het alleen al het observeren wat de situatie in een of andere toestand verstevigt. Totdat die waarneming plaatsvindt, is de fysieke werkelijkheid verdeeld over alle mogelijkheden.

Op naar de kat

Schrödinger breidde dit uit door voor te stellen een hypothetische kat in een hypothetische doos te plaatsen. In de doos met de kat zouden we een flesje gifgas plaatsen, dat de kat onmiddellijk zou doden. De flacon is aangesloten op een apparaat dat is aangesloten op een geigerteller, een apparaat dat wordt gebruikt om straling te detecteren. Het eerder genoemde radioactieve atoom wordt bij de geigerteller geplaatst en daar precies een uur gelaten.

Als het atoom vervalt, zal de geigerteller de straling detecteren, het flesje breken en de kat doden. Als het atoom niet vergaat, is de flacon intact en zal de kat leven.

Na de periode van één uur bevindt het atoom zich in een staat waarin het zowel is vervallen als niet is vergaan. Echter, gezien hoe we de situatie hebben geconstrueerd, betekent dit dat de flacon zowel gebroken als niet gebroken is en, uiteindelijk, volgens de Kopenhagen-interpretatie van de kwantumfysica de kat is zowel dood als levend .

Interpretaties van Schrödinger's Cat

Stephen Hawking is beroemd geciteerd als te zeggen: 'Als ik hoor over Schrödinger's kat, reik ik naar mijn pistool.' Dit vertegenwoordigt de gedachten van veel natuurkundigen, omdat er verschillende aspecten aan het gedachte-experiment zijn die problemen opleveren. Het grootste probleem met de analogie is dat de kwantumfysica meestal alleen werkt op de microscopische schaal van atomen en subatomaire deeltjes, niet op de macroscopische schaal van katten en gifflesjes.

De Kopenhagen-interpretatie stelt dat het meten van iets ervoor zorgt dat de kwantumgolffunctie instort. In deze analogie vindt het meten eigenlijk plaats door de geigerteller. Er zijn tal van interacties langs de keten van gebeurtenissen - het is onmogelijk om de kat of de afzonderlijke delen van het systeem te isoleren zodat het echt kwantummechanisch van aard is.

Tegen de tijd dat de kat zelf in de vergelijking komt, is de meting al gedaan ... duizend keer zijn er metingen gedaan - door de atomen van de geigerteller, het apparaat om de flacon te breken, de flacon, het gifgas, en de kat zelf. Zelfs de atomen van de doos doen 'metingen' als je bedenkt dat als de kat dood omvalt, hij met andere atomen in contact zal komen dan wanneer hij angstig rond de doos loopt.

Of de wetenschapper de doos nu opent of niet, is niet relevant, de kat is levend of dood, niet een superpositie van de twee staten.

Toch is het in sommige strikte opvattingen van de Kopenhagen-interpretatie eigenlijk een observatie door een bewuste entiteit die vereist is. Deze strikte vorm van interpretatie is tegenwoordig over het algemeen de minderheidsopvatting onder natuurkundigen, hoewel er een intrigerend argument blijft bestaan ​​​​dat de ineenstorting van de kwantumgolffuncties mogelijk verband houdt met bewustzijn. (Voor een meer diepgaande bespreking van de rol van bewustzijn in de kwantumfysica, stel ik voor) Quantum Enigma: Natuurkunde ontmoet bewustzijn door Bruce Rosenblum en Fred Kuttner.)

Nog een andere interpretatie is de Vele Werelden Interpretatie (MWI) van de kwantumfysica, die suggereert dat de situatie zich in feite in vele werelden vertakt. In sommige van deze werelden zal de kat dood zijn bij het openen van de doos, in andere zal de kat leven. Hoewel fascinerend voor het publiek, en zeker voor sciencefictionauteurs, is de interpretatie van Many Worlds ook een minderheidsstandpunt onder natuurkundigen, hoewel er geen specifiek bewijs voor of tegen is.

Bewerkt doorAnne Marie Helmenstine, Ph.D.