Kucing Schrödinger

Asal dan motivasi

Schrödinger mengajukan eksperimen pemikirannya sebagai diskusi tentang artikel EPR—yang dinamai sesuai dengan pengarangnya Einstein, Podolsky, dan Rosen—pada tahun 1935. Artikel EPR menyoroti sifat aneh dari superposisi kuantum, di mana sistem kuantum seperti atom atau foton dapat ada sebagai kombinasi dari beberapa keadaan yang sesuai dengan kemungkinan hasil yang berbeda. Teori yang berlaku, yang disebut interpretasi Kopenhagen, mengatakan bahwa sistem kuantum tetap berada dalam superposisi ini sampai berinteraksi dengan, atau telah diamati oleh, dunia luar, pada saat dimana waktu superposisi kolaps ke dalam satu keadaan definitif atau keadaan definitif lain yang mungkin. Percobaan EPR menunjukkan bahwa sistem dengan banyak partikel yang dipisahkan oleh jarak yang jauh bisa berada dalam posisi superposisi. Schrödinger dan Einstein bertukar surat tentang artikel EPR Einstein, yang mana pada waktu itu Einstein menunjukkan bahwa keadaan suatu drum bubuk mesiu yang tidak stabil, setelah beberapa saat, dapat mengandung superposisi dari kedua kondisi baik meledak dan tidak meledak.
Untuk lebih menggambarkannya, Schrödinger menggambarkan bagaimana seseorang pada prinsipnya dapat menciptakan superposisi dalam sistem berskala besar dengan membuatnya bergantung pada partikel kuantum yang berada dalam posisi superposisi. Dia mengusulkan skenario dengan seekor kucing di ruang baja yang terkunci, di mana kehidupan atau kematian kucing bergantung pada keadaan sebuah atom radioaktif, apakah atom itu akan meluruh dan memancarkan radiasi atau tidak. Menurut Schrödinger, penafsiran Kopenhagen menyiratkan bahwa kucing itu tetap dalam keadaan baik hidup maupun mati sampai peristiwa itu telah diamati. Schrödinger tidak ingin mempromosikan gagasan tentang kucing yang mati dan hidup sekaligus sebagai kemungkinan yang serius; Sebaliknya, ia menginginkan contoh tersebut untuk menggambarkan absurditas pandangan mekanika kuantum yang ada. Namun, sejak zaman Schrödinger, interpretasi matematika mekanika kuantum lainnya telah dikembangkan oleh para fisikawan, beberapa di antaranya menganggap superposisi kucing "hidup dan mati" itu cukup nyata. Ditujukan sebagai kritik terhadap interpretasi Kopenhagen (ortodoksi yang berlaku pada tahun 1935), eksperimen pemikiran kucing Schrödinger tetap merupakan pendefinisian batu ujian untuk interpretasi modern mekanika kuantum. Fisikawan sering menggunakan cara-cara setiap interpretasi berhubungan dengan kucing Schrödinger sebagai langkah untuk menggambarkan dan membandingkan ciri, kekuatan, dan kelemahan masing-masing interpretasi.

Eksperimen pikiran

Schrödinger menulis:
Seseorang bahkan bisa mengatur kasus yang cukup konyol. Seekor kucing dikurung di ruang baja, bersama dengan alat berikut (yang harus diamankan terhadap gangguan langsung oleh kucing): di sebuah pencacah Geiger, ada sedikit zat radioaktif, yang memungkinkan dalam perjalanan satu jam atom meluruh, tetapi juga, dengan probabilitas yang sama, memungkinkan tidak ada [atom yang meluruh]; jika hal itu terjadi [atom yang meluruh], tabung pencacah akan terlepas dan melalui relay, akan melepaskan palu yang menghancurkan labu kecil asam hidrosianat. Jika seseorang meninggalkan keseluruhan sistem ini selama satu jam, orang akan mengatakan bahwa kucing itu masih hidup jika tidak ada atom yang meluruh. Peluruhan atom yang pertama pasti akan meracuninya. Fungsi psi dari keseluruhan sistem akan mengekspresikan hal ini dengan memiliki di dalamnya kucing hidup dan mati (maafkan ungkapannya) bercampur baur di bagian yang sama.
Suatu hal yang khas dari kasus-kasus ini adalah bahwa ketidakpastian yang awalnya terbatas pada domain atom berubah menjadi ketidakpastian makroskopis, yang kemudian dapat diatasi dengan pengamatan langsung. Itu menghalangi kita untuk secara tidak langsung menerima sebagai "model kabur" yang valid untuk merepresentasikan realitas. Dengan sendirinya, itu tidak akan mewujudkan sesuatu yang tidak jelas atau kontradiktif. Ada perbedaan antara foto yang goyah atau di luar fokus dengan potret awan dan kabut.
Eksperimen pemikiran Schrödinger yang terkenal mengajukan pertanyaan, "kapan sistem kuantum berhenti ada sebagai superposisi suatu keadaan dan menjadi satu atau keadaan yang lain?" (Secara lebih teknis, kapan keadaan kuantum yang sebenarnya berhenti menjadi kombinasi linear kejadian, yang masing-masing menyerupai kejadian-kejadian klasik yang berbeda, dan malah mulai memiliki deskripsi klasik yang unik?) Jika kucing bertahan hidup, ia hanya ingat hidup saja. Tapi penjelasan eksperimen EPR yang konsisten dengan mekanika kuantum mikroskopis standar mensyaratkan bahwa benda makroskopik, seperti kucing dan notebook, tidak selalu memiliki deskripsi klasik yang unik. Eksperimen pemikiran menggambarkan paradoks yang nyata ini. Intuisi kita mengatakan bahwa tidak ada pengamat yang bisa berada dalam pembauran kejadian-namun kucingnya, seperti tampak dari eksperimen pemikiran, bisa menjadi pembauran semacam itu. Apakah kucing itu harus menjadi pengamat, atau apakah keberadaannya dalam satu keadaan klasik yang terdefinisi dengan baik membutuhkan pengamat eksternal lain? Setiap alternatif tampak tidak masuk akal bagi Einstein, yang terkesan dengan kemampuan eksperimen pemikiran menyoroti masalah ini. Dalam sebuah surat kepada Schrödinger tertanggal 1950, dia menulis:
Anda adalah satu-satunya fisikawan kontemporer, selain Laue, yang melihat bahwa seseorang tidak dapat mengatasi asumsi kenyataan, jika hanya satu yang jujur. Kebanyakan dari mereka tidak melihat permainan berisiko seperti apa yang mereka mainkan dengan kenyataan-kenyataan sebagai sesuatu yang independen dari apa yang didirikan secara eksperimental. Namun, penafsiran mereka terbantahkan dengan elegan oleh sistem penguat atom radioaktif + muatan bubuk mesiu + kucing di dalam kotak, di mana fungsi psi dari sistem tersebut berisi  kucing itu hidup atau hancur terpotong-potong [terkena ledakan bubuk mesiu]. Tidak ada yang benar-benar meragukan bahwa ada atau tidaknya kucing itu adalah sesuatu yang terlepas dari tindakan observasi.
Perhatikan bahwa muatan bubuk mesiu tidak disebutkan dalam setingan Schrödinger, yang menggunakan pencacah Geiger sebagai penguat dan racun hidrogen sianida alih-alih bubuk mesiu. Bubuk mesiu itu telah disebutkan dalam saran awal Einstein kepada Schrödinger 15 tahun sebelumnya, dan Einstein meneruskannya ke diskusi saat ini.

Interpretasi eksperimen

Sejak zaman Schrödinger, interpretasi mekanika kuantum lainnya telah diajukan. Interpresi-interpretasi ini memberikan jawaban yang berbeda atas pertanyaan yang diajukan oleh kucing Schrödinger tentang berapa lama superposisi bertahan dan kapan (atau apakah) mereka runtuh.

Interpretasi Kopenhagen

Interpretasi mekanika kuantum yang umum dipegang adalah interpretasi Kopenhagen. Dalam penafsiran Kopenhagen, sebuah sistem berhenti menjadi superposisi suatu kejadian dan menjadi salah satu atau kejadian yang lain saat pengamatan berlangsung. Eksperimen pemikiran ini memperjelas fakta bahwa sifat pengukuran, atau observasi, tidak terdefinisi dengan baik pada interpretasi ini. Eksperimen ini dapat diinterpretasikan bahwa ketika kotak ditutup, sistem secara simultan ada dalam superposisi kejadian-kejadian "inti meluruh/kucing mati" dan "inti tidak meluruh/kucing hidup", dan hanya ketika kotak dibuka dan sebuah observasi dilakukan barulah fungsi gelombang runtuh ke salah satu dari dua keadaan.
Namun, salah satu ilmuwan utama yang terkait dengan penafsiran Kopenhagen, Niels Bohr, tidak pernah memikirkan keruntuhan fungsi gelombang yang diinduksi oleh pengamat, sehingga kucing Schrödinger tidak menjadikan teka-teki kepadanya. Kucing itu akan mati atau hidup lama sebelum kotak dibuka oleh seorang pengamat sadar. Analisis percobaan yang sebenarnya menemukan bahwa pengukuran saja (misalnya dengan pencacah Geiger) cukup untuk menutup fungsi gelombang kuantum sebelum ada pengamatan sadar terhadap pengukuran, meski validitas desain mereka diperdebatkan. Pandangan bahwa "pengamatan" diambil saat partikel dari nukleus menyentuh detektor dapat dikembangkan menjadi teori keruntuhan objektif. Eksperimen pemikiran membutuhkan "pengamatan tak sadar" oleh detektor agar bentuk gelombang runtuh terjadi. Sebaliknya, pendekatan banyak dunia menyangkal bahwa keruntuhan pernah terjadi.

Interpretasi banyak-dunia dan sejarah konsisten

Pada tahun 1957, Hugh Everett merumuskan interpretasi mekanika kuantum banyak dunia, yang tidak menghususkan pengamatan sebagai proses spesial. Dalam interpretasi banyak dunia, baik kucing dalam keadaan hidup ataupun mati tetap ada setelah kotak dibuka, tetapi dekoheren satu sama lain. Dengan kata lain, saat kotak dibuka, pengamat dan kucing yang mungkin tewas itu berpisah menjadi pengamat melihat sebuah kotak berisi seekor kucing mati, dan seorang pengamat lagi melihat sebuah kotak berisi kucing hidup. Tetapi karena keadaan mati dan hidup tidak jelas, tidak ada komunikasi atau interaksi yang efektif antara keduanya.
Saat membuka kotak, pengamat menjadi terlibat dengan kucing, jadi "keadaan pengamat" tergantung dari apakah kucing hidup atau kucing mati yang mewujud; masing-masing keadaan pengamat terjerat atau terbelit dengan kucing sehingga "pengamatan keadaan kucing" dan "keadaan kucing" saling terkait satu sama lain. Dekoherensi kuantum memastikan bahwa hasil yang berbeda tidak saling berinteraksi satu sama lain. Mekanisme yang sama dari dekoherensi kuantum juga penting untuk interpretasi dalam hal sejarah konsisten. Hanya "kucing mati" atau "kucing hidup" yang bisa menjadi bagian dari sejarah yang konsisten dalam interpretasi ini.
Roger Penrose mengkritisi hal ini:
Saya ingin menjelaskan bahwa, sebagaimana adanya, ini jauh dari resolusi paradoks kucing. Karena tidak ada formalisme mekanika kuantum yang menuntut agar keadaan kesadaran tidak dapat melibatkan persepsi simultan seekor kucing hidup dan seekor kucing mati.
 Namun, pandangan arus utama (tanpa harus mendukung interpretasi banyak-dunia) menyatakan bahwa dekoherensi adalah mekanisme yang melarang persepsi simultan semacam itu.
Sebuah varian dari percobaan kucing Schrödinger, yang dikenal sebagai mesin bunuh diri kuantum, telah diusulkan oleh ahli kosmologi Max Tegmark. Eksperimen pikiran ini mengkaji eksperimen kucing Schrödinger dari sudut pandang kucing, dan berpendapat bahwa dengan menggunakan pendekatan ini, seseorang mungkin dapat membedakan antara interpretasi Kopenhagen dan interpretasi banyak-dunia.

Interpretasi ansambel

Interpretasi ansambel menyatakan bahwa superposisi tidak lain adalah subansembel dari ansambel statistik yang lebih besar. Vektor kejadian tidak akan berlaku untuk percobaan kucing secara individu, tetapi hanya berlaku pada statistik dari banyak percobaan kucing yang disiapkan dengan sama. Pendukung penafsiran ini menyatakan bahwa hal ini membuat paradoks kucing Schrödinger menjadi masalah sepele, atau bukan sebuah masalah.
Interpretasi ini disajikan untuk membuang gagasan bahwa sistem fisik tunggal dalam mekanika kuantum memiliki deskripsi matematis yang sesuai dengannya dalam cara apa pun.

Interpretasi relasional

Interpretasi relasional tidak membuat perbedaan mendasar antara pengamat manusia, kucing, atau aparatus, atau antara sistem bernyawa dan mati; semua adalah sistem kuantum yang diatur oleh peraturan evolusi gelombang fungsi yang sama, tetapi, penafsiran relasional memungkinkan pengamat berbeda dapat memberikan berbagai catatan tentang serangkaian kejadian yang sama, bergantung pada informasi yang mereka miliki tentang sistem tersebut. Kucing dapat dianggap sebagai pengamat aparatus; Sementara itu, eksperimen bisa dianggap sebagai pengamat lain sistem di dalam kotak (kucing ditambah aparatus). Sebelum kotak dibuka, kucing, yang sifatnya hidup atau mati, memiliki informasi tentang keadaan aparatus (atom mengalami pembusukan atau tidak busuk); namun eksperimen tidak memiliki informasi tentang keadaan isi kotak. Dengan cara ini, kedua pengamat secara bersamaan memiliki catatan situasi yang berbeda: Kepada kucing, fungsi gelombang aparatus telah tampak "runtuh"; Untuk si penguji, isi kotak itu tampaknya berada dalam posisi superposisi. Tanpa harus menunggu kotak dibuka, kedua pengamat memiliki informasi yang sama tentang apa yang terjadi, yaitu apakah kedua sistem dinyatakan "runtuh" ​​ke hasil yang sama, seekor kucing yang hidup atau mati.

Interpretasi transaksional

Dalam interpretasi transaksional aparatus tersebut memancarkan gelombang mundur lanjutan dalam waktu, yang dikombinasikan dengan gelombang yang dipancarkan sumber ke depan pada waktunya, membentuk gelombang berdiri. Gelombang tersebut terlihat nyata secara fisik, dan aparatusnya dianggap sebagai "pengamat". Dalam penafsiran transaksional, keruntuhan fungsi gelombang adalah "atemporal" dan terjadi sepanjang keseluruhan transaksi antara sumber dan peralatan. Kucing itu tidak pernah berada dalam posisi superposisi. Kucing hanya berada dalam satu keadaan pada waktu tertentu, terlepas dari kapan pengamat manusia melihat dalam kotak. Interpretasi transaksional memecahkan paradoks kuantum ini.

Efek Zeno

Efek Zeno diketahui menyebabkan penundaan perubahan dari keadaan awal.
Di sisi lain, efek anti-Zeno mempercepat perubahan. Misalnya, jika Anda berulang kali mengintip ke dalam kotak kucing mungkin Anda akan menyebabkan penundaan pada pilihan yang menentukan atau, sebaliknya, mempercepatnya. Efek Zeno dan efek anti-Zeno adalah nyata dan diketahui terjadi pada atom nyata. Sistem kuantum yang diukur harus digabungkan dengan kuat ke lingkungan sekitarnya (dalam hal ini ke aparatus, ruang percobaan... dll.) untuk mendapatkan informasi yang lebih akurat. Tetapi meskipun tidak ada informasi yang diteruskan ke dunia luar, ini dianggap sebagai ukuran-kuasi, tetapi begitu informasi tentang keselamatan kucing diteruskan ke dunia luar (dengan mengintip ke dalam kotak) pengukuran kuasi berubah menjadi pengukuran. Pengukuran kuasi, sama halnya seperti pengukuran, menyebabkan efek Zeno. Efek Zeno mengajari kita bahwa, meskipun tanpa mengintip ke dalam kotak, kematian kucing pasti akan tertunda atau dipercepat tergantung lingkungannya.

Teori keruntuhan objektif

Menurut teori keruntuhan objektif, superposisi hancur secara spontan (terlepas dari pengamatan eksternal) ketika beberapa ambang fisik objektif (waktu, massa, suhu, ireversibilitas, dll.) tercapai. Dengan demikian, kucing tersebut diperkirakan akan berada dalam keadaan pasti jauh sebelum kotak dibuka. Dengan kata lain, "kucing itu mengamati dirinya sendiri", atau "lingkungan mengamati kucing itu".
Teori keruntuhan objektif memerlukan modifikasi mekanika kuantum standar untuk memungkinkan superposisi dihancurkan oleh proses evolusi waktu.

Penyelesaian berdasarkan teori kuantum standar dan eksperimen

Schrodinger meninggal sebelum investigasi sifat nonlokal dari sistem terjerat yang diprakarsai oleh karya John Bell pada tahun 1964.  Paragraf ini meninjau kembali masalah kucing Schrodinger sehubungan dengan pengetahuan terkini tentang nonlokalitas. Karya Bell telah menuntun kepada eksperimen dengan pasangan foton terbelit yang menunjukkan sifat keterikatan nonlokal.   Pengujicoba mampu memvariasikan "fase" kuantum dari subsistem yang terjerat (yaitu kedua foton), sehingga memungkinkan untuk pertama kalinya memahami dengan tepat apa yang diposisikan saat sistem kuantum terbelit.   Efek interferensi yang diamati pada berbagai fase foton mengungkapkan bahwa keadaan yang dililit bukanlah superposisi dari keadaan foton individu yang berbeda, tetapi merupakan superposisi dari kemungkinan korelasi antara keadaan foton. Keadaan terjerat yang timbul dari pengukuran hanyalah kasus khusus dari keadaan terjerat nonlokal, yaitu kasus di mana kedua fase subsistem ditetapkan menjadi nol sehingga hasilnya berkorelasi 100% secara positif. Dengan demikian, keadaan kucing Schrodinger hanyalah sebuah superposisi dari dua korelasi: Seekor kucing hidup berkorelasi sempurna dengan inti yang tidak meluruh, dan seekor kucing yang mati berkorelasi sempurna dengan inti yang meluruh. Artinya, dalam setiap uji coba eksperimental percobaan kucing, kita akan menemukan kucing hidup dan inti yang tidak meluruh atau kucing mati dan inti yang meluruh. Inilah yang kita inginkan, dan tidak ada paradoks disini. Fisika kuantum tidak memprediksi kucing mati-dan-hidup yang tersuperposisikan, dan paradoks tersebut seharusnya tidak ada.