Šrēdingera kaķis — kvantu mehānikas domas eksperiments un skaidrojums
Iepazīstinājums ar Šrēdingera kaķi — kvantu mehānikas domas eksperimentu, tā interpretācijām un skaidrojumu saprotamā valodā, ar piemēriem un filozofiskām sekām.
Šrēdingera kaķis ir domas eksperiments par kvantu fiziku. Ervins Šrēdingers to ierosināja 1935. gadā, reaģējot uz kvantu fizikas Kopenhāgenas interpretāciju.
Var pat izveidot diezgan smieklīgus gadījumus. Tērauda kamerā ir ieslēgts kaķis un šāda ierīce (kas jāaizsargā pret tiešu kaķa iejaukšanos): Geigera skaitītājā ir mazs radioaktīvās vielas gabaliņš, tik mazs, ka stundas laikā, iespējams, sabrūk tikai viens no atomiem, bet ar tādu pašu varbūtību, iespējams, arī neviens; ja tas notiek, skaitītāja caurulīte izlādējas un caur releju palaiž āmuru, kas sadragā nelielu ciānūdeņražskābes kolbu. Ja visu šo sistēmu būtu atstājis vienu stundu, varētu teikt, ka kaķis joprojām ir dzīvs, ja pa to laiku neviens atoms nav sabrucis. Visas sistēmas psi-funkcija to izteiktu, ja tajā dzīvs un miris kaķis (piedodiet par izteicienu) būtu sajaukti vai izsmērēti vienādās daļās.
Šādos gadījumos ir raksturīgi, ka nenoteiktība, kas sākotnēji aprobežojās ar atomu jomu, pārveidojas par makroskopisku nenoteiktību, ko pēc tam var atrisināt ar tiešu novērošanu. Tas neļauj mums tik naivi pieņemt par spēkā esošu "neskaidru modeli" realitātes attēlošanai. Pats par sevi tas neietver neko neskaidru vai pretrunīgu. Pastāv atšķirība starp drebošu vai nefokusētu fotogrāfiju un momentuzņēmumu, kurā redzami mākoņi un miglas plankumi.
- Erwin Schrödinger, Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik (Pašreizējā situācija kvantu mehānikā), Naturwissenschaften
(tulkojis John D. Trimmer Amerikas filozofiskās biedrības izdevumā Proceedings of the American Philosophical Society)
Vienkāršs skaidrojums
Vienkāršiem vārdiem sakot, Šrēdingers izmantoja kaķi kastes iekšpusē kā metaforu. Ja kastē ir gan kaķis, gan ierīce, kuras darbība atkarīga no radioaktīvā atomu sabrukuma, tad — saskaņā ar Kopenhāgenas interpretāciju — pirms kastes atvēršanas sistēma ir superpozīcijā: tajā vienlaikus eksistē stāvokļi, kas atbilst gan dzīvam, gan mirušam kaķim. Tikai novērojums (kastes atvēršana) it kā "sabrūk" viļņa funkciju un nosaka rezultātu. Šrēdingers to izmantoja, lai parādītu: ja šādu kvantu ideju piemēro makroskopiskiem objektiem (piemēram, kaķim), tas rada absurditātes, kas liek apšaubīt, ko nozīmē kvantu teorijas postulētā superpozīcija.
Eksperimenta soļi
Kaķi ievieto telpā, kas ir atdalīta no ārpasaules.
Telpā atrodas Geigera skaitītājs, kas skaita radioaktīvās sabrukšanas daudzumu, un nedaudz radioaktīvā elementa.
Vienas stundas laikā viens no radioaktīvā materiāla atomiem var sabrukt (vai sadalīties, jo materiāls nav stabils), bet var arī nesabrukt.
Ja materiāls sabrūk, tas izdala atomu daļiņu, kas nonāk geigera skaitītājā, kurš izdala indīgu gāzi, kas nogalina kaķi.
Kāpēc tas radīja diskusijas?
Šrēdingers vēlējās uzsvērt, ka kvantu nosacījumi, kuriem ir jēga atomu un subatomāro daļiņu pasaulē, šķiet problemātiski, ja tos burtiski pielieto ikdienas pasaules objektiem. Galvenie jautājumi, ko uzsvēra domas eksperiments, ir:
- Ko nozīmē novērojums? Vai "novērot" nozīmē, ka apzināta būtne aplūko sistēmu, vai arī pietiek ar jebkādu ierīci, kas veido faktu?
- Kā un kad notiek viļņa funkcijas "sabrukšana" (collapse)? Kopenhāgenas interpretācija to pareizi izmantotu aprēķinos, taču neatbild uz jautājumu par procesa fizioloģiju vai mehānismu.
- Kāpēc makroskopiskas superpozīcijas nav novērojamas? (Mūsdienu skaidrojums: dekoherences process.)
Mūsdienu perspektīva — dekoherence un alternatīvas interpretācijas
Lai gan Šrēdingers runāja par "absolūti dzīvu un mirušu" kaķi, mūsdienu kvantu fizika skaidro, kāpēc mēs neievēro šādas laikam pretrunīgas superpozīcijas lielos objektos. Galvenās pieejas:
- Dekoherence: kad kvantu sistēma mijiedarbojas ar apkārtējo vidi (fotonu plūsma, gaisa molekulas u.c.), kvantu fāzes informācija izkliedējas un dažādas superpozīcijas daļas vairs nespēj savstarpēji mijiedarboties. Tas rada to, ko mēs uztveram kā klasisku izlases rezultātu bez nepieciešamības postulēt kādu īpašu viļņa funkcijas "sabrukšanas" likumu.
- Daudzpasaules (Many-Worlds) interpretācija: superpozīcijas saglabājas; novērojums sadala Visumu zaros, kuros katrā branch rezultāts ir citāds. Šeit nav "sabrukšanas", bet gan koegzistējošu realitāšu sazarojums.
- Objektīvās sabrukšanas teorijas (piem., GRW): ierosina jaunu fiziku, kas patiesi nolauž viļņa funkciju pēc noteiktiem noteikumiem, neatkarīgi no novērotāja.
Kādu mācību dod domas eksperiments?
Šrēdingera kaķis nav domāts kā reāls eksperiments ar dzīvnieku cietumu — tas ir ierocis filozofiskai un teorētiskai debatēšanai. Tā mērķis ir izgaismot:
- atšķirību starp matemātisku aprakstu (psi-funkciju) un reālu fizisku stāvokli,
- mērījuma problēmu kvantu mehānikā,
- vajadzību pēc skaidrības, kad interpretējam teorijas prognozes.
Empīriskie rezultāti un "kaķa stāvokļi" laboratorijā
Šodien fiziķi spēj izveidot un novērot superpozīcijas mazos bet tomēr "makroskopiskos" sistēmās — piemēram, supervadītāju kubitos vai fotonu lauku "kaķa stāvokļos" (Schrödinger cat states). Šie eksperimentāli sasniegumi palīdz pārbaudīt, kā dekoherence un citas ietekmes ierobežo kvantu uzvedību, bet tie neatbalsta ideju par cilvēka raudzību kā vienīgo faktoru, kas nosaka rezultātu.
Kļūdas un maldīgi priekšstati
Daži bieži sastopami pārprotumi:
- Nav tā, ka kaķis tajā pašā brīdī "dziest un nedziest" tādā pašā nozīmē kā kvantu daļiņa; termins "abi stāvokļi vienlaikus" ir precīzs matemātiski, taču makroskopiskai realitātei to ietekmē dekoherence.
- Nav vienprātīgas vienotas "pareizas" interpretācijas — kvantu mehānikas formalizācija ir ļoti veiksmīga aprēķinos, bet tās filozofiskā nozīme un interpretācija joprojām ir diskusiju priekšmets.
Kultūras ietekme
Šrēdingera kaķis ir kļuvusi par populāru simbolu, ko izmanto filozofijā, literatūrā, mākslā un popkultūrā, lai ilustrētu pretrunīgas vai paradoksālas situācijas, kas radušās no teorētiskām abstrakcijām. Tomēr svarīgi atcerēties: tas ir domas eksperiments — rīks domāšanai, ne praktiska instrukcija.
Domas eksperimentu izgudroja Šrēdingers, lai parādītu, cik muļķīgi ir domāt par kvantu stāvokļiem lieliem objektiem. Uz to daudzkārt atsaukts arī popkultūrā.
Īsta izmēra kaķa figūra dārzā Huttenstrasse 9, Cīrihē, kur 1921.-1926. gadā dzīvoja Ervins Šrēdingers. Atkarībā no gaismas apstākļiem kaķis izskatās dzīvs vai miris.
Kaķis ar Geigera skaitītāju un nedaudz indes aizzīmogotā kastītē. Kvantu mehānika saka, ka pēc kāda laika kaķis ir gan dzīvs, gan miris. Cilvēks, ielūkojoties kastē, atradīs kaķi vai nu dzīvu, vai mirušu, tomēr tiek pieņemts, ka ka kaķis ir gan dzīvs, gan miris, pirms jūs ielūkojaties kastē.
Saistītās lapas
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir Šrēdingera kaķis?
A: Šrēdingera kaķis ir domu eksperiments par kvantu fiziku, ko 1935. gadā ierosināja Ervins Šrēdingers, reaģējot uz kvantu fizikas Kopenhāgenas interpretāciju. Tas ietver hipotētisku scenāriju, kurā kaķis tiek ievietots tērauda kamerā ar ierīci, kas satur radioaktīvu materiālu un potenciāli var nogalināt kaķi. Eksperimentā uzdotais jautājums ir, vai kaķis būs dzīvs vai miris, kad kaste tiks atvērta.
J: Ko Kopenhāgenas interpretācija saka par daļiņām?
A: Kopenhāgenas interpretācija apgalvo, ka nav iespējams droši zināt, kādā stāvoklī daļiņa būs, kamēr tā nav novērota, tāpēc pirms novērošanas var teikt, ka tā eksistē abos stāvokļos vienlaicīgi.
J: Kā Šrēdingers pierādīja šo koncepciju?
A: Šrēdingers šo koncepciju pierādīja, veicot domu eksperimentu ar kaķi, kas tika ievietots aizzīmogotā kastē ar radioaktīvu materiālu. Viņš ierosināja, ka līdz brīdim, kad kastīte tiks atvērta, nebūs zināms, vai kaķis ir dzīvs vai miris, tātad līdz tam brīdim tas eksistēs abos stāvokļos vienlaicīgi.
Kādi ir divi fizikas veidi, kas minēti šajā tekstā?
A: Divi fizikas veidi, kas minēti šajā tekstā, ir klasiskā fizika un kvantu mehānika. Klasiskā fizika izskaidro lielāko daļu fizikālo mijiedarbību un var paredzēt fizikālās mijiedarbības, savukārt kvantu mehānika sniedz skaidrojumu dažām fizikālajām mijiedarbībām, kuras klasiskā fizika nevar izskaidrot.
Jautājums: Kā kaut kā novērošana ietekmē eksperimentu?
A: Kaut kā novērošana var ietekmēt eksperimentu, jo, novērojot eksperimentu, cilvēks ar savu klātbūtni un darbībām novērošanas laikā var ietekmēt tā rezultātus. Tas nozīmē, ka šādā eksperimentā iegūtie rezultāti ne vienmēr precīzi atspoguļo realitāti, jo tos ir ietekmējuši ārēji faktori.
J: Ko nozīmē jēdziens "psi-funkcija"?
A: Psi-funkcija ir matemātisks vienādojums, ko izmanto, lai aprakstītu, cik iespējams, ka kaut kas notiks kvantu mehānikā, faktiski to neaplūkojot (nepamanot).
Meklēt