Het 'Schrodinger's Cat'-gedachte-experiment begrijpen

Erwin Schrodinger was een van de sleutelfiguren in de kwantumfysica, zelfs vóór zijn beroemde 'Schrodinger's Cat'-gedachte-experiment. Hij had de kwantumgolffunctie gecreëerd, die nu de bepalende bewegingsvergelijking in het universum was, maar het probleem is dat deze alle beweging uitdrukte in de vorm van een reeks waarschijnlijkheden - iets dat in directe tegenstelling staat tot hoe de meeste wetenschappers van de dag (en mogelijk zelfs vandaag) graag geloven in hoe de fysieke realiteit 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 kwesties eens bekijken en kijken hoe Schrodinger ze door middel van analogie wilde illustreren.

Kwantumbepaling

De kwantumgolffunctie beeldt alle fysische grootheden af ​​als een reeks kwantumtoestanden samen met een waarschijnlijkheid dat een systeem zich in een gegeven toestand bevindt. Overweeg een enkel radioactief atoom met een halfwaardetijd van één uur.

Volgens de kwantumfysische golffunctie zal het radioactieve atoom na een uur in een toestand verkeren waarin het zowel vervallen als niet vervallen is. Zodra een meting van het atoom is uitgevoerd, zal de golffunctie in één toestand instorten, maar tot die tijd blijft het 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 handeling plaatsvindt. Op een onbekende manier is juist de waarneming de oorzaak van de situatie in een of andere staat. Totdat die observatie plaatsvindt, is de fysieke realiteit verdeeld over alle mogelijkheden.

Op naar de kat

Schrodinger breidde dit uit door voor te stellen dat een hypothetische kat in een hypothetische doos wordt geplaatst. 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 bovengenoemde radioactieve atoom wordt in de buurt van de Geigerteller geplaatst en daar precies een uur achtergelaten.

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

Na de periode van één uur bevindt het atoom zich in een toestand waarin het zowel vervallen als niet vervallen is. Gezien de manier waarop we de situatie hebben geconstrueerd, betekent dit echter dat het flesje zowel gebroken als niet-gebroken is en, uiteindelijk, volgens de Kopenhagen-interpretatie van de kwantumfysica de kat is zowel dood als levend.

Interpretaties van Schrodinger's Cat

Stephen Hawking wordt beroemd geciteerd als zeggende: "Als ik hoor over de kat van Schrodinger, reik ik naar mijn pistool." Dit vertegenwoordigt de gedachten van veel natuurkundigen, omdat er aan het gedachte-experiment verschillende aspecten zijn die problemen oproepen. 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 interpretatie van Kopenhagen stelt dat het meten van iets ervoor zorgt dat de kwantumgolffunctie instort. In deze analogie vindt de meting 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 de vergelijking invoert, is de meting al gedaan ... duizend keer zijn er metingen gedaan - door de atomen van de Geigerteller, het flesje-brekende apparaat, het flesje, het gifgas en de kat zelf. Zelfs de atomen van de doos doen "metingen" wanneer je bedenkt dat als de kat dood omvalt, hij in contact zal komen met verschillende atomen dan wanneer hij angstig rond de doos loopt.

Het maakt niet uit of de wetenschapper de doos opent, de kat is levend of dood, geen superpositie van de twee staten.

Toch is het in sommige strikte visies op de interpretatie van Kopenhagen eigenlijk een observatie door een bewuste entiteit die vereist is. Deze strikte vorm van de interpretatie is tegenwoordig in het algemeen de minderheid onder fysici, hoewel er nog steeds een intrigerend argument is dat de ineenstorting van de kwantumgolffuncties mogelijk verband houdt met bewustzijn. (Voor een grondiger bespreking van de rol van bewustzijn in de kwantumfysica, stel ik voor Quantum Enigma: fysica ontmoet bewustzijn door Bruce Rosenblum & Fred Kuttner.)

Nog een andere interpretatie is de Many Worlds Interpretation (MWI) van de kwantumfysica, die suggereert dat de situatie zich daadwerkelijk in vele werelden aftekent. In sommige van deze werelden zal de kat dood zijn bij het openen van de doos, in andere zal de kat in leven zijn. Hoewel fascinerend voor het publiek, en zeker voor science fiction-auteurs, is de Many Worlds Interpretation ook een minderheidsbeeld onder natuurkundigen, hoewel er geen specifiek bewijs voor of tegen is.

Uitgegeven door Anne Marie Helmenstine, Ph.D.