Veel mensen hebben deze uitdrukking gehoord, maar misschien begrijpt niet iedereen zelfs de vereenvoudigde betekenis ervan. Laten we proberen het uit te zoeken zonder ingewikkelde theorieën en formules.
"De kat van Schrödinger" is de naam van het beroemde gedachte-experiment van de beroemde Oostenrijkse theoretisch natuurkundige Erwin Schrödinger, die ook een Nobelprijswinnaar is. Met deze fictieve ervaring wilde de wetenschapper de onvolledigheid van de kwantummechanica aantonen in de overgang van subatomaire systemen naar macroscopische systemen.
Het oorspronkelijke artikel van Erwin Schrödinger werd in 1935 gepubliceerd. Hier is een citaat:
Je kunt ook zaken construeren waarin burlesk genoeg is. Laat een kat opgesloten worden in een stalen kamer samen met de volgende duivelse machine (die onafhankelijk zou moeten zijn van de tussenkomst van de kat): in de geigerteller zit een kleine hoeveelheid radioactieve stof, zo klein dat slechts één atoom in een uur kan vervallen, maar met hetzelfde waarschijnlijkheid valt niet uiteen; als dit gebeurt, wordt de leesbuis ontladen en wordt het relais geactiveerd, waarbij de hamer wordt losgelaten, die de kegel met blauwzuur breekt.
Als je dit hele systeem een uur voor zichzelf laat, dan kunnen we zeggen dat de kat na deze tijd nog leeft, zolang het verval van het atoom niet plaatsvindt. Het allereerste verval van een atoom zou de kat vergiftigd hebben. De psi-functie van het systeem als geheel zal dit uitdrukken door een levende en een dode kat (sorry voor de uitdrukking) in gelijke delen te mengen of uit te smeren. Typerend in dergelijke gevallen is dat de onzekerheid, aanvankelijk beperkt tot de atomaire wereld, wordt omgezet in macroscopische onzekerheid, die kan worden weggenomen door directe observatie. Dit weerhoudt ons ervan om naïef het "vervagingsmodel" te accepteren als een afspiegeling van de werkelijkheid. Op zich betekent dit niets onduidelijk of tegenstrijdig. Er is een verschil tussen een wazige of onscherpe foto en een foto van wolken of mist.
Met andere woorden:
- Er is een doos en een kat. De doos bevat een mechanisme met daarin een radioactieve atoomkern en een bakje met een giftig gas. De parameters van het experiment zijn zo gekozen dat de kans op nucleair verval in 1 uur 50% is. Als de kern uiteenvalt, gaat er een bak met gas open en sterft de kat. Als de kern niet vergaat, blijft de kat in leven.
- We sluiten de kat in een bak, wachten een uur en vragen ons af: is de kat levend of dood?
- De kwantummechanica vertelt ons als het ware dat de atoomkern (en dus de kat) in alle mogelijke toestanden tegelijk is (zie kwantumsuperpositie). Voordat we de doos openden, bevindt het "kat-kern" -systeem zich in de toestand "de kern is vervallen, de kat is dood" met een kans van 50% en in de toestand "de kern is niet vervallen, leeft de kat" met een kans van 50%. Het blijkt dat de kat die in de bak zit, zowel levend als dood is.
- Volgens de moderne interpretatie van Kopenhagen is de kat levend / dood zonder enige tussenliggende staten. En de keuze van de staat van nucleair verval vindt niet plaats op het moment dat de doos wordt geopend, maar ook wanneer de kern de detector binnengaat. Omdat de vermindering van de golffunctie van het "kat-detector-kern" -systeem niet geassocieerd is met de mens-waarnemer van de doos, maar met de detector-waarnemer van de kern.
Promotie video:
Volgens de kwantummechanica, als er geen observatie wordt gedaan over de kern van een atoom, wordt de toestand ervan beschreven door het mengen van twee toestanden - een uiteengevallen kern en een onopgeloste kern, dus een kat die in een doos zit en de kern van een atoom personifieert, is tegelijkertijd levend en dood. Als de doos wordt geopend, kan de onderzoeker slechts één specifieke toestand zien - 'de kern is vervallen, de kat is dood' of 'de kern is niet vervallen, de kat leeft'.
De essentie van menselijke taal: het experiment van Schrödinger toonde aan dat, vanuit het oogpunt van de kwantummechanica, een kat zowel levend als dood is, wat niet kan. Daarom heeft de kwantummechanica aanzienlijke gebreken.
De vraag is: wanneer houdt het systeem op te bestaan als een mengsel van twee toestanden en kiest u een specifieke? Het doel van het experiment is om aan te tonen dat de kwantummechanica onvolledig is zonder enkele regels die aangeven onder welke omstandigheden de ineenstorting van de golffunctie optreedt, en de kat dood wordt of blijft leven, maar niet langer een mengsel van beide is. Omdat het duidelijk is dat de kat noodzakelijkerwijs levend of dood moet zijn (er is geen tussenliggende toestand tussen leven en dood), zal dit hetzelfde zijn voor de atoomkern. Het moet ofwel gedesintegreerd zijn of niet gedesintegreerd (Wikipedia).
Een andere, recentere interpretatie van het gedachte-experiment van Schrödinger is een verhaal van Sheldon Cooper, de held van de tv-serie Big Bang Theory, dat hij afleverde aan Penny's lager opgeleide buurman. De essentie van het verhaal van Sheldon is dat het concept van de kat van Schrödinger kan worden toegepast in relaties tussen mensen. Om te begrijpen wat er gebeurt tussen een man en een vrouw, wat voor soort relatie er tussen hen is: goed of slecht, hoef je alleen maar de doos te openen. Voordien zijn relaties zowel goed als slecht.
Hieronder is een video van deze Big Bang Theory-dialoog tussen Sheldon en Singing.
De illustratie van Schrödinger is het beste voorbeeld om de belangrijkste paradox van de kwantumfysica te beschrijven: volgens haar wetten bestaan deeltjes zoals elektronen, fotonen en zelfs atomen in twee toestanden tegelijk ("levend" en "dood", als je je de lankmoedige kat herinnert). Deze staten worden superposities genoemd.
De Amerikaanse natuurkundige Art Hobson van de University of Arkansas (Arkansas State University) bood zijn eigen oplossing voor deze paradox.
“Metingen in de kwantumfysica zijn gebaseerd op de werking van bepaalde macroscopische apparaten, zoals de geigerteller, die de kwantumtoestand van microscopische systemen bepalen: atomen, fotonen en elektronen. Kwantumtheorie houdt in dat als je een microscopisch systeem (deeltje) aansluit op een bepaald macroscopisch apparaat dat onderscheid maakt tussen twee verschillende toestanden van het systeem, het apparaat (bijvoorbeeld een geigerteller) in een toestand van kwantumverstrengeling terechtkomt en ook in twee superposities tegelijk. Het is echter onmogelijk om dit fenomeen direct waar te nemen, waardoor het onaanvaardbaar is”, aldus de natuurkundige.
Hobson zegt dat in de paradox van Schrödinger de kat de rol speelt van een macroscopisch instrument, een geigerteller die aan een radioactieve kern is bevestigd, om de toestand van verval of "niet-verval" van die kern te bepalen. In dit geval zal een levende kat een indicator zijn van "niet-verval", en een dode kat is een indicator van verval. Maar volgens de kwantumtheorie moet de kat, net als de kern, in twee superposities van leven en dood zijn.
In plaats daarvan moet volgens de natuurkundige de kwantumtoestand van de kat verstrengeld zijn met de toestand van het atoom, wat betekent dat ze in "niet-lokale verbinding" met elkaar staan. Dat wil zeggen, als de toestand van een van de verstrengelde objecten plotseling verandert in het tegenovergestelde, dan zal de toestand van het paar op precies dezelfde manier veranderen, ongeacht hoe ver ze van elkaar verwijderd zijn. Hobson verwijst daarbij naar de experimentele bevestiging van deze kwantumtheorie.
“Het meest interessante in de theorie van kwantumverstrengeling is dat de verandering in de toestand van beide deeltjes onmiddellijk optreedt: geen licht of elektromagnetisch signaal zou tijd hebben om informatie van het ene systeem naar het andere over te brengen. We kunnen dus zeggen dat dit één object is, door de ruimte in twee delen verdeeld, hoe groot de afstand tussen hen ook is,”legt Hobson uit.
De kat van Schrödinger is niet meer tegelijkertijd levend en dood. Hij is dood als er verval optreedt, en in leven als er geen verval optreedt.
We voegen eraan toe dat soortgelijke opties om deze paradox op te lossen de afgelopen dertig jaar door nog drie groepen wetenschappers werden voorgesteld, maar dat ze niet serieus werden genomen en onopgemerkt bleven in brede wetenschappelijke kringen. Hobson merkt op dat het oplossen van de paradoxen van de kwantummechanica, zelfs theoretische, absoluut noodzakelijk is voor een diepgaand begrip ervan.
U kunt meer lezen over het werk van de natuurkundige in zijn artikel, dat is gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review A.
Schrödinger.
Maar recenter legde THEORETICA UIT HOE ZWAARTEKRACHT DE KAT VAN SCHRODINGER DOODT, maar dit is al moeilijker …
In de regel verklaren natuurkundigen het fenomeen dat superpositie mogelijk is in de wereld van deeltjes, maar niet mogelijk bij katten of andere macro-objecten, interferentie vanuit de omgeving. Wanneer een kwantumobject door een veld gaat of interactie heeft met willekeurige deeltjes, neemt het onmiddellijk slechts één toestand aan - alsof het gemeten is. Dit is hoe de superpositie wordt vernietigd, zoals wetenschappers geloofden.
Maar zelfs als het op de een of andere manier mogelijk zou worden om een macro-object in een staat van superpositie te isoleren van interacties met andere deeltjes en velden, dan zou het vroeg of laat toch een enkele staat aannemen. Dit geldt tenminste voor de processen die plaatsvinden op het aardoppervlak.
“Ergens in de interstellaire ruimte heeft een kat misschien de kans om de kwantumcoherentie te behouden, maar op aarde of in de buurt van een planeet is dit buitengewoon onwaarschijnlijk. En de reden daarvoor is de zwaartekracht”, legt de hoofdauteur van de nieuwe studie, Igor Pikovski van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, uit.
Pikovsky en zijn collega's aan de Universiteit van Wenen stellen dat zwaartekracht een destructief effect heeft op kwantumsuperposities van macroobjecten, en daarom zien we dergelijke verschijnselen niet in de macrokosmos. Het basisconcept van de nieuwe hypothese wordt overigens samengevat in de speelfilm Interstellar.
Einsteins algemene relativiteitstheorie stelt dat een extreem massief object de ruimtetijd er dichtbij zal buigen. Als we de situatie op een fijner niveau bekijken, kunnen we zeggen dat voor een molecuul dat dichtbij het aardoppervlak is geplaatst, de tijd iets langzamer zal gaan dan voor dat in de baan van onze planeet.
Door de invloed van de zwaartekracht op de ruimte-tijd zal een molecuul dat onder deze invloed is gekomen een afbuiging in zijn positie ervaren. En dit zou op zijn beurt de interne energie moeten beïnvloeden - trillingen van deeltjes in een molecuul, die in de loop van de tijd veranderen. Als een molecuul in een toestand van een kwantumsuperpositie van twee locaties zou worden gebracht, dan zou de relatie tussen positie en interne energie het molecuul al snel dwingen om slechts één van de twee posities in de ruimte te 'kiezen'.
"In de meeste gevallen wordt het fenomeen van decoherentie geassocieerd met externe invloeden, maar in dit geval interageert de interne trilling van deeltjes met de beweging van het molecuul zelf", legt Pikovsky uit.
Dit effect is nog niet waargenomen, aangezien andere bronnen van decoherentie, zoals magnetische velden, warmtestraling en trillingen, gewoonlijk veel sterker zijn en de vernietiging van kwantumsystemen veroorzaken lang voordat de zwaartekracht dat doet. Maar onderzoekers proberen de gestelde hypothese te testen.
Markus Arndt, een experimenteel natuurkundige aan de Universiteit van Wenen, voert experimenten uit om kwantumsuperpositie in macroscopische objecten te observeren. Het stuurt kleine moleculen de interferometer in, waardoor het deeltje effectief een "keuze" krijgt welke weg het moet inslaan. Vanuit het oogpunt van de klassieke mechanica kan een molecuul maar één kant op, maar een kwantummolecuul kan twee kanten tegelijk gaan, zichzelf verstoren en een karakteristiek golfpatroon creëren.
Een vergelijkbare opstelling kan ook worden gebruikt om het vermogen van de zwaartekracht te testen om kwantumsystemen te vernietigen. Om dit te doen, zal het nodig zijn om de verticale en horizontale interferometers te vergelijken: in de eerste zal de superpositie snel verdwijnen door de tijddilatatie op verschillende "hoogten" van het pad, terwijl in de tweede de kwantumsuperpositie behouden kan blijven.
