Schrödingers katt - Schrödinger's cat

For annen bruk, se Schrödingers katt (disambiguation) .
Schrödingers katt: en katt, en kolbe med gift og en radioaktiv kilde plasseres i en forseglet eske. Hvis en intern skjerm (f.eks. Geiger -teller ) oppdager radioaktivitet (dvs. et enkelt atom forfaller), knuses kolben og frigjør giften, som dreper katten. Den København tolkning av kvantemekanikken innebærer at etter en stund, er katten samtidig levende og døde. Men når man ser i boksen, ser man katten enten levende eller død, ikke både levende og død. Dette stiller spørsmålet om når nøyaktig kvantesuperposisjon slutter og virkeligheten løser seg til en eller annen mulighet.

I kvantemekanikken er Schrödingers katt et tankeeksperiment som illustrerer et paradoks for kvantesuperposisjon . I tankeeksperimentet kan en hypotetisk katt anses samtidig både levende og død som følge av at skjebnen hans er knyttet til en tilfeldig subatomær hendelse som kan oppstå eller ikke.

Dette tankeeksperimentet ble utarbeidet av fysiker Erwin Schrödinger i 1935, i en diskusjon med Albert Einstein , for å illustrere hva Schrödinger så på som problemene ved København -tolkningen av kvantemekanikk. Scenariet er ofte omtalt i teoretiske diskusjoner om tolkninger av kvantemekanikk , spesielt i situasjoner som involverer måleproblemet .

Opprinnelse og motivasjon

En kattfigur i naturlig størrelse i hagen til Huttenstrasse 9, Zürich, hvor Erwin Schrödinger bodde 1921–1926. Avhengig av lysforholdene ser katten enten levende eller død ut.

Schrödinger mente tankeeksperimentet sitt som en diskusjon av EPR -artikkelen - oppkalt etter forfatterne Einstein , Podolsky og Rosen - i 1935. EPR -artikkelen fremhevet den kontraintuitive naturen til kvantesuperposisjoner , der et kvantesystem som et atom eller foton kan eksisterer som en kombinasjon av flere tilstander som tilsvarer forskjellige mulige utfall.

Den rådende teorien, kalt Copenhagen -tolkningen , sier at et kvantesystem forblir i superposisjon til det interagerer med, eller blir observert av den ytre verden. Når dette skjer, kollapser superposisjonen til en eller annen av de mulige bestemte tilstandene. EPR -eksperimentet viser at et system med flere partikler atskilt med store avstander kan være i en slik superposisjon. Schrödinger og Einstein utvekslet brev om Einsteins EPJ artikkel , i løpet av hvilke Einstein påpekte at staten en ustabil tønne av krutt vil, etter en stund, inneholde en superposisjon av både eksploderte og udetonerte stater.

For ytterligere illustrasjon beskrev Schrödinger hvordan man i prinsippet kunne lage en superposisjon i et storskala system ved å gjøre den avhengig av en kvantepartikkel som var i en superposisjon. Han foreslo et scenario med en katt i et låst stålkammer, der kattens liv eller død var avhengig av tilstanden til et radioaktivt atom, enten den hadde forfalt og avgitt stråling eller ikke. I følge Schrödinger innebærer København -tolkningen at katten forblir både levende og død til staten er blitt observert. Schrödinger ønsket ikke å fremme ideen om døde og levende katter som en alvorlig mulighet; tvert imot, han mente eksemplet for å illustrere absurditeten i det eksisterende synet på kvantemekanikk.

Siden Schrödingers tid har imidlertid andre tolkninger av matematikken i kvantemekanikk blitt fremført av fysikere, hvorav noen anser den "levende og døde" kattesuperposisjonen som ganske reell. Trodde som en kritikk av København -tolkningen (den rådende ortodoksien i 1935), er Schrödingers katt -tankeeksperiment fortsatt en berøringsstein for moderne tolkninger av kvantemekanikk og kan brukes til å illustrere og sammenligne deres styrker og svakheter.

Tankeeksperiment

Schrödinger skrev:

Man kan til og med sette opp ganske latterlige saker. En katt er festet i et stålkammer, sammen med følgende enhet (som må sikres mot direkte forstyrrelse fra katten): i en Geiger -teller er det en liten bit av radioaktivt stoff, så lite, at det kanskje i løpet av timen forfaller ett av atomene, men også, med like sannsynlighet, kanskje ingen; hvis det skjer, tømmes motrøret og gjennom et relé slippes en hammer som knuser en liten kolbe med hydrocyansyre . Hvis man har overlatt hele systemet til seg selv i en time, vil man si at katten fortsatt lever hvis intet atom har forfalt i mellomtiden . Det første atomforfallet ville ha forgiftet det. Den psi-funksjonen av hele systemet ville gi uttrykk for dette ved å ha i det levende og døde cat (tilgi uttrykket) blandet eller flekket ut i like deler.

Det er typisk for disse tilfellene at en ubestemmelighet som opprinnelig var begrenset til atomenet, blir transformert til makroskopisk ubestemmelighet, som deretter kan løses ved direkte observasjon. Det forhindrer oss i å så naivt akseptere en gyldig "uskarp modell" for å representere virkeligheten. I seg selv ville det ikke legemliggjøre noe uklart eller motstridende. Det er en forskjell mellom et vaklende eller uskarpt fotografi og et øyeblikksbilde av skyer og tåkebanker.

Schrödingers berømte tankeeksperiment stiller spørsmålet, " når slutter et kvantesystem å eksistere som en superposisjon av stater og blir det ene eller det andre?" (Mer teknisk, når slutter den faktiske kvantetilstanden å være en ikke-triviell lineær kombinasjon av tilstander, som hver ligner forskjellige klassiske tilstander, og i stedet begynner å ha en unik klassisk beskrivelse?) Hvis katten overlever, husker den at den bare var i live . Men forklaringer på EPR -eksperimentene som er i samsvar med standard mikroskopisk kvantemekanikk krever at makroskopiske objekter, for eksempel katter og notatblokker, ikke alltid har unike klassiske beskrivelser. Tankeeksperimentet illustrerer dette tilsynelatende paradokset. Vår intuisjon sier at ingen observatører kan være i mer enn én tilstand samtidig - men katten, som det ser ut fra tankeeksperimentet, kan være i en slik tilstand. Må katten være observatør, eller krever dens eksistens i en enkelt veldefinert klassisk tilstand en annen ekstern observatør? Hvert alternativ virket absurd for Einstein, som var imponert over tankeeksperimentets evne til å markere disse problemene. I et brev til Schrödinger fra 1950 skrev han:

Du er den eneste samtidige fysikeren, i tillegg til Laue , som ser at man ikke kommer utenom antagelsen om virkeligheten, hvis bare man er ærlig. De fleste av dem ser rett og slett ikke hva slags risikabelt spill de spiller med virkeligheten - virkeligheten som noe uavhengig av det som er eksperimentelt etablert. Deres tolkning tilbakevises imidlertid mest elegant av systemet ditt med radioaktivt atom + forsterker + ladning av pistolpulver + katt i en eske, der psi-funksjonen til systemet inneholder både katten i live og blåst i biter. Ingen tviler egentlig på at tilstedeværelsen eller fraværet av katten er noe uavhengig av observasjonshandlingen.

Vær oppmerksom på at ladningen av krutt ikke er nevnt i Schrödingers oppsett, som bruker en Geiger -teller som forsterker og hydrocyanisk gift i stedet for krutt. Kruttet hadde blitt nevnt i Einsteins originale forslag til Schrödinger 15 år før, og Einstein førte det videre til den nåværende diskusjonen.

Tolkninger

Siden Schrödingers tid har andre tolkninger av kvantemekanikk blitt foreslått som gir forskjellige svar på spørsmålene fra Schrödingers katt om hvor lenge superposisjoner varer og når (eller om ) de kollapser.

København tolkning

Hovedartikkel: København -tolkning

En vanlig tolkning av kvantemekanikk er København -tolkningen. I tolkningen i København slutter et system å være en superposisjon av stater og blir enten den ene eller den andre når en observasjon finner sted. Dette tankeeksperimentet viser det faktum at målingens eller observasjonens art ikke er godt definert i denne tolkningen. Eksperimentet kan tolkes slik at mens esken er lukket, eksisterer systemet samtidig i en superposisjon av tilstandene "forfalt kjerne/død katt" og "uforfalsket kjerne/levende katt", og det bare når esken åpnes og en observasjon utført kollapser bølgefunksjonen til en av de to tilstandene.

En av hovedforskerne knyttet til tolkningen i København, Niels Bohr , tilbød en tolkning som er uavhengig av en subjektiv observatørindusert kollaps av bølgefunksjonen, eller av måling; i stedet forårsaker en "irreversibel" eller effektivt irreversibel prosess forfall av kvantesammenheng som gir den klassiske oppførselen til "observasjon" eller "måling". Dermed ville Schrödingers katt enten være død eller levende lenge før esken åpnes av en bevisst observatør . Analyse av et faktisk eksperiment fant at måling alene (for eksempel med en Geiger -teller) er tilstrekkelig til å kollapse en kvantebølgefunksjon før det er noen bevisst observasjon av målingen, selv om gyldigheten av designet er omstridt.

Mange verdeners tolkning og konsekvente historier

Det kvantemekaniske "Schrödingers katt" -paradoks i henhold til tolkningen fra mange verdener. I denne tolkningen er hver hendelse et grenpunkt. Katten er både levende og død - uansett om boksen åpnes - men de "levende" og "døde" kattene er i forskjellige grener av universet som er like virkelige, men som ikke kan samhandle med hverandre.
Hovedartikkel: Tolkning av mange verdener

I 1957 formulerte Hugh Everett mange-tolkningen av kvantemekanikk, som ikke utpeker observasjon som en spesiell prosess. I mange verdeners tolkning vedvarer både levende og døde katttilstander etter at esken er åpnet, men er avhengige av hverandre. Med andre ord, når boksen åpnes, deles observatøren og den muligens døde katten i en observatør som ser på en boks med en død katt, og en observatør som ser på en boks med en levende katt. Men siden de døde og levende statene er dekoherente, er det ingen effektiv kommunikasjon eller interaksjon mellom dem.

Når du åpner esken, blir observatøren viklet inn i katten, så det dannes "observatortilstander" som tilsvarer at katten er levende og død; hver observatortilstand er viklet eller knyttet til katten slik at "observasjonen av kattens tilstand" og "kattens tilstand" samsvarer med hverandre. Quantum decoherence sikrer at de forskjellige resultatene ikke har noen interaksjon med hverandre. Den samme mekanismen for kvantedekoherens er også viktig for tolkningen når det gjelder konsistente historier . Bare den "døde katten" eller "den levende katten" kan være en del av en konsekvent historie i denne tolkningen. Dekoherens anses generelt for å forhindre samtidig observasjon av flere stater.

Kosmolog Max Tegmark har foreslått en variant av Schrödingers katteeksperiment, kjent som kvante -selvmordsmaskinen . Den undersøker Schrödingers katteeksperiment fra kattens synspunkt, og argumenterer for at man ved å bruke denne tilnærmingen kan skille mellom tolkningen i København og mange verdener.

Ensemble tolkning

Den ensemble tolkning sier at superpositions er ingenting, men subensembles av en større statistisk ensemble. Tilstandsvektoren ville ikke gjelde for individuelle katteeksperimenter, men bare for statistikken over mange lignende forberedte katteeksperimenter. Talsmenn for denne tolkningen sier at dette gjør Schrödingers katteparadoks til en triviell sak, eller et ikke-problem.

Denne tolkningen tjener til å forkaste ideen om at et enkelt fysisk system i kvantemekanikk har en matematisk beskrivelse som tilsvarer det på noen måte.

Relasjonell tolkning

Den relasjonelle tolkningen gjør ingen grunnleggende skille mellom den menneskelige eksperimentatoren, katten eller apparatet, eller mellom levende og livløse systemer; alle er kvantesystemer som styres av de samme reglene for evolusjon av bølgefunksjoner , og alle kan betraktes som "observatører". Men den relasjonelle tolkningen tillater at forskjellige observatører kan gi forskjellige beretninger om den samme hendelsen, avhengig av informasjonen de har om systemet. Katten kan betraktes som en observatør av apparatet; I mellomtiden kan eksperimentatoren betraktes som en annen observatør av systemet i esken (katten pluss apparatet). Før kassen åpnes, har katten, av natur at den er levende eller død, informasjon om apparatets tilstand (atomet har enten forfalt eller ikke forfallet); men eksperimentatoren har ikke informasjon om tilstanden til esken. På denne måten har de to observatørene samtidig forskjellige beretninger om situasjonen: For katten har apparatets bølgefunksjon sett ut til å "kollapse"; til eksperimentatoren, ser det ut til at innholdet i esken er i superposisjon. Ikke før esken er åpnet, og begge observatørene har samme informasjon om hva som skjedde, ser det ut til at begge systemtilstandene "kollapser" til det samme bestemte resultatet, en katt som enten er levende eller død.

Transaksjonell tolkning

I transaksjonstolkningen avgir apparatet en avansert bølge bakover i tid, som kombinert med bølgen som kilden sender ut i tid, danner en stående bølge. Bølgene blir sett på som fysisk virkelige, og apparatet regnes som en "observatør". I transaksjonstolkningen er bølgefunksjonens kollaps "atemporal" og skjer langs hele transaksjonen mellom kilden og apparatet. Katten er aldri i superposisjon. Katten er heller bare i en tilstand til enhver tid, uavhengig av når den menneskelige eksperimentatoren ser i boksen. Transaksjonell tolkning løser dette kvanteparadokset.

Zeno -effekter

Den Zeno-effekten er kjent for å føre til forsinkelser til eventuelle endringer i forhold til utgangstilstanden.

På den annen side akselererer anti-Zeno-effekten endringene. For eksempel, hvis du titter inn i katteboksen ofte, kan du enten forårsake forsinkelser i det skjebnesvangre valget, eller omvendt øke hastigheten. Både Zeno-effekten og anti-Zeno-effekten er ekte og kjent for å skje med virkelige atomer. Kvantumsystemet som måles må være sterkt koblet til omgivelsene (i dette tilfellet til apparatet, eksperimentrommet ... etc.) for å få mer nøyaktig informasjon. Men selv om det ikke overføres informasjon til omverdenen, regnes det som en kvasimåling , men så snart informasjonen om kattens velvære videreformidles til omverdenen (ved å kikke inn i boksen) kvasi- måling blir til måling. Kvasimålinger, som målinger, forårsaker Zeno-effektene. Zeno -effekter lærer oss at selv uten å kikke inn i boksen, ville kattens død ha blitt forsinket eller akselerert uansett på grunn av miljøet.

Objektive kollapssteorier

I henhold til objektive kollapssteorier ødelegges superposisjoner spontant (uavhengig av ekstern observasjon) når en objektiv fysisk terskel (tid, masse, temperatur, irreversibilitet , etc.) er nådd. Dermed forventes det at katten har slått seg ned i en bestemt tilstand lenge før esken åpnes. Dette kan løst formuleres som "katten observerer seg selv", eller "miljøet observerer katten".

Objektive kollapssteorier krever en modifikasjon av standard kvantemekanikk for å tillate superposisjoner å bli ødelagt av prosessen med tidsutvikling. Disse modellene kan ideelt sett testes ved å lage mesoskopiske superposisjonstilstander i eksperimentet. For eksempel har energikatttilstander blitt foreslått som en presis detektor for de kvantegravitasjonsrelaterte energidekoherensmodellene.

Søknader og tester

Schrödingers kattkvante -superposisjon av tilstander og miljøeffekt gjennom dekoherens

Eksperimentet som beskrevet er et rent teoretisk, og det er ikke kjent at den foreslåtte maskinen er konstruert. Imidlertid har vellykkede eksperimenter som involverer lignende prinsipper, f.eks. Superposisjoner av relativt store objekter (etter kvantefysikkens standarder) blitt utført. Disse forsøkene viser ikke at et objekt i kattstørrelse kan legges over hverandre, men den kjente øvre grensen for " katttilstander " har blitt presset oppover av dem. I mange tilfeller er staten kortvarig, selv når den er avkjølt til nær absolutt null .

  • En "katttilstand" er oppnådd med fotoner.
  • Et berylliumion har blitt fanget i en overlappet tilstand.
  • Et eksperiment som involverer en superledende kvanteforstyrrelsesenhet ("SQUID") har vært knyttet til temaet for tankeeksperimentet: "Superposisjonstilstanden tilsvarer ikke en milliard elektroner som flyter en vei og en milliard andre flyter den andre veien. Superledende elektroner beveger seg Alle de superledende elektronene i SQUID flyter begge veier rundt sløyfen på en gang når de er i Schrödingers katttilstand. "
  • Det er konstruert en piezoelektrisk "stemmegaffel", som kan plasseres i en superposisjon av vibrerende og ikke -vibrerende tilstander. Resonatoren består av omtrent 10 billioner atomer.
  • Et forsøk med influensavirus har blitt foreslått.
  • Et eksperiment med en bakterie og en elektromekanisk oscillator er blitt foreslått.

Ved kvanteberegning refererer uttrykket "katttilstand" noen ganger til GHZ -tilstanden , hvor flere qubits er i en like superposisjon at alle er 0 og alle er 1; f.eks.

I henhold til minst ett forslag kan det være mulig å bestemme kattens tilstand før du observerer den.

Utvidelser

Wigners venn er en variant av eksperimentet med to menneskelige observatører: den første gjør en observasjon av om et lysglimt blir sett og kommuniserer deretter observasjonen sin til en andre observatør. Spørsmålet her er, "bølger" bølgefunksjonen når den første observatøren ser på eksperimentet, eller bare når den andre observatøren blir informert om den første observatørens observasjoner?

I en annen forlengelse har fremtredende fysikere gått så langt som å antyde at astronomer som observerer mørk energi i universet i 1998 kan ha "redusert forventet levetid" gjennom et pseudo-Schrödingers kattescenario, selv om dette er et kontroversielt synspunkt.

I august 2020 presenterte fysikere studier som involverte tolkninger av kvantemekanikk som er relatert til Schrödingers katt og Wigners venneparadokser, noe som resulterte i konklusjoner som utfordrer tilsynelatende etablerte antagelser om virkeligheten .

Se også

Referanser

Videre lesning

Eksterne linker