Шредингерова мачка

Во квантната механика, мачката на Шредингер е мисловен експеримент што го илустрира очигледниот парадокс на квантната суперпозиција. Во мисловниот експеримент, хипотетичка мачка може истовремено да се разгледува како и жива и мртва како резултат на поврзаност со случаен субатомски настан што може да се случи или не.
Овој мисловен експеримент бил измислен од австриско-ирскиот физичар Ервин Шредингер во 1935 година, во дискусија со Алберт Ајнштајн, да го прикаже она што Шредингер го гледал како проблеми при копенхашката интерпретација на квантната механика. Сценариото често е прикажано во теоретските дискусии за толкувањата на квантната механика, особено во ситуации што вклучуваат проблем со мерењето.
1 Потекло и мотивација
Шредингер го наменил својот мисловен експеримент како дискусија во АПР статијата - именувана по неговите автори Ајнштајн, Подолски и Росен - во 1935 година. АПР статијата ја истакна контраинтуитивната природа на квантните суперпозиции, во кои квантен систем како атом или фотон може да постои како комбинација на повеќе состојби што одговараат на различни можни исходи.
Преовладувачката теорија, наречена копенхашка интерпретација, вели дека квантниот систем останува во суперпозиција сè додека не е во интеракција, или е набљудуван од надворешниот свет. Кога тоа ќе се случи, суперпозицијата се распаѓа во една или во друга од можните определени состојби. АПР експериментот покажува дека систем со повеќе честички одделени со големи растојанија може да биде во таква суперпозиција. Шредингер и Ајнштајн си размениле писма за Ајнштајновата АПР статија, во правец на којшто Ајнштајн посочил дека состојбата на нестабилно буре со барут, по некое време ќе содржи суперпозиција на двете состојби - експлодирана и неексплодирана состојба. 
За понатамошно илустрирање, Шредингер опишал како може, во принцип, да се создаде суперпозиција во систем од големи размери, правејќи ја зависна од квантна честичка што била во суперпозиција. Тој предложил сценарио со мачка во заклучена челична комора, при што животот или смртта на мачката зависеле од состојбата на радиоактивниот атом, без разлика дали се распаднал или емитувал зрачење. Според Шредингер, копенхашката интерпретација подразбира дека ''мачката останува и жива и мртва'' сè додека состојбата не ѝ се разгледа. Шредингер не сакал да ја промовира идејата за живи и мртви мачки како сериозна можност, напротив, тој имал за цел примерот да ја илустрира апсурдноста на постоечкиот поглед на квантната механика.
Сепак, од времето на Шредингер, други интерпретации на математиката на квантната механика биле напреднати од физичарите, од кои некои сметаат дека суперпозицијата на „живата и мртвата“ мачка е сосема реална. Наменет како критика на Копенхашката интерпретација (преовладувачка ортодоксност во 1935), мисловниот експеримент на Шрединговата мачка останува камен-темелник за модерните толкувања на квантната механика и може да биде искористен да ги илустрира и спореди нејзините предности и слабости.
2 Мисловен експеримент
Шредингер напишал:
Можно е да се постават и смешни случаи. Мачка заклучена во челична комора, заедно со следните уреди (кои мораат да бидат осигурани од директен контакт со мачката): во Гајгеров бројач, има малку радиоактивна супстанца, толку мала, што веројатно во рок од еден час атомот може да се распадне, но исто така, со еднаква можност, веројатно и тоа да не се случи; ако тоа се случи контра цевката се испушта и низ рели (електричен конектор) ослободува чекан што разбива мала кобла со цијановодна киселина. Ако некој го остави овој систем сам на себе еден час, би рекол дека мачката сè уште живее ако во меѓувреме ниеден атом не се распаднал. Првото атомско распаѓање би ја отрула мачката. Пси-функцијата на целиот систем би го изразило ова имајќи ја и живата и мртва мачка (извинете на изразот) распарчена и размачкана на еднакви парчиња.
Типично за овие случаи е тоа дека неопределеноста првично ограничена на атомски домен се претвора во макроскопска неопределеност, којашто може да се реши со директна опсервација. Тоа не штити толку наивно да го прифатиме како валиден „матниот модел“ за претставување на реалноста. Само по себе, тоа не би отелотворило ништо нејасно или контрадикторно. Постои разлика помеѓу разнишана или нефокусирана фотографија и слика од облаци и густа магла.
Славниот мисловен експеримент на Шредингер го поставува прашањето: „''кога'' квантниот систем престанува да постои како суперпозиција на состојби и станува едно или друго?“ (Потехнички кажано, кога вистинската квантна состојба престанува да биде нетривијална линеарна комбинација на состојби, од кои секоја наликува на различни класични состојби, и наместо тоа, почнува да има единствен класичен опис?) Ако мачката преживее, „памти само дека била жива“. Но, објаснувањата за експериментите од АПР кои се конзистентни со стандардната микроскопска квантна механика бараат да макроскопските објекти, како што се мачки и нотеси, не секогаш имаат уникатни класични описи. Мисловниот експеримент го илустрира овој очигледен парадокс. Нашата интуиција вели дека ниеден набљудувач не може да биде во различна состојба истовремено - сепак мачката, се чини од мисловниот експеримент, може да биде во таква состојба. Дали од мачката се бара да биде набљудувач или нејзиното постоење во единствена добро дефинирана класична состојба има потреба од друг надворешен набљудувач? Секоја алтернатива му изгледала апсурдна на Ајнштајн, кој сепак бил импресиониран од можноста на мисловниот експеримент да ги потенцира овие прашања. Во едно писмо до Шредингер од 1950 година, тој напишал:
# „Вие сте единствениот современ физичар, покрај Лауе, кој гледа дека не може да се заобиколи претпоставката за реалноста, ако само еден (физичар) е искрен. Повеќето од нив едноставно не гледаат каква ризична игра играат со реалноста – реалноста е нешто независно од она што е експериментално потврдено. Нивната интерпретација е, каква и да е, најелегантно побиена од твојот систем на радиоактивен атом + засилувач + полнење барут + мачка во кутија, во која пси-функцијата на системот ги содржи и мачката жива и мачката распарчена на парчиња. Никој вистински не се двоуми дека присуството или отсуството на мачката е нешто независно од актот на набљудување.“
Битно е да се напомене дека полнењето барут не е спомнато во Шредингеровата поставка, кој што го користи Гајгеровиот бројач како засилувач, а цијановодна киселина како отров наместо барутот. Барутот бил спомнат во оригиналната сугестија кон Шредингер пред 15 години, и Ајнштајн го донел тој израз до сегашната дискусија.
3 Толкувања на експериментот
Од времето на Шредингер, други интерпретации на квантната механика биле предложувани кои давале различни одговори на прашањата поставени од Шредингеровата мачка за тоа колку долго суперпозициите траат и кога (и ''дали'') се распаѓаат.
3.1 Копенхашка интерпретација
Вообичаена интерпретација на квантната механика е Копенхашката интерпретација. Во оваа интерпретација, системот престанува да биде суперпозиција на состојби и станува или една или друга кога ќе започне набљудувањето. Овој мисловен експеримент го прави очигледен фактот дека природата на мерењето, или набљудувањето не е добро дефинирана во оваа интерпретација. Експериментот може да биде толкуван дека додека кутијата е затворена, системот истовремено постои во суперпозиција на состојбите „распаднато јадро/мртва мачка“ и „нераспаднато јадро/жива мачка“, и дека единствено кога кутијата е отворена и е изведено набљудување брановата функција ќе се сруши во една од двете состојби.
Еден од главните научници поврзани со копенхашката интерпретација, Нилс Бор, понудил толкување кое е независно од субјективниот набљудувачки резултат на рушење на брановата функција во една од двете состојби, или од мерењето; наместо тоа „неповратен“ или делотворно неповратен процес предизвикува распад на квантната кохерентност што дава класично однесување на „набљудување“ или „мерење“. Така, Шредингеровата мачка би била или мртва или жива долго пред кутијата да биде отворена од свесен набљудувач. Анализа на еден вистински експеримент откри дека самото мерење (пример Гајгеровиот бројач) е доволно да се сруши функцијата на квантен бран пред да има некакво свесно набљудување на мерeњето, иако валидноста на нивниот дизајн е оспорена.
3.2 Повеќе светска интерпретација и постојани истории
Во 1957 година, Хју Еверет ја формулирал повеќе светската интерпретација на квантната механика, која не го издвојува набљудувањето како единствен посебен процес. Во повеќе светската интерпретација, и двете состојби (мртва/жива мачка) постојат по отворањето на кутијата, но се декохерентни една од друга. Во други зборови, кога кутијата е отворена, набљудувачот и евентуално мртвата мачка се разделуваат во набљудувач кој гледа во кутија со мртва мачка, и набљудувач кој гледа во кутија со жива мачка. Но, бидејќи мртвата и живата состојба на мачката се декохерентни една од друга, нема делотворна комуникација или интеракција меѓу нив.
Додека ја отвора кутијата, набљудувачот е „заплеткан“ со мачката, па така се формираат „состојбите од набљудувачот“ што одговараат на живата или мртвата мачка; секоја состојба на набљудувачот е заплеткана или поврзана со мачката така што „набљудувањето на состојбата од мачката“ и „мачкината состојба“ си одговараат една со друга. Квантната декохерентност осигура дека различните исходи немаат интеракција една од друга. Истиот механизам на квантна декохерентност е исто така важен за интерпретацијата во смисла на постојаните истории. Само „мртвата мачка“ или „живата мачка“ можат да бидат дел од постојаната историја на ова толкување. Декохерентноста обично е земена предвид за да спречи истовремено набљудување на повеќе состојби.
Варијанта на експериментот со мачки од Шридингер, позната како машина на квантно самоубиство, е предложена од космологот Макс Тегмарк. Експериментот го испитува експериментот со мачки од Шредингер од гледна точка на мачката, и тврди дека со користење на овој пристап, може да се направи разлика помеѓу Копенхашката интерпретација и повеќе световната.
3.3 Склопна интерпретација
Склопната интерпретација наведува дека суперпозициите се ништо освен потсклопови од поголем статистички склоп. Состојбата на векторот не се однесува на поединечни експерименти со мачка, туку само на статистиката од послично подготвени експерименти со мачки. Застапниците на ова толкување наведуваат дека токму ова го прави Шредингеровиот мачкин парадокс тривијална материја, или непотребен проблем.
Оваа интерпретација послужила да се отфрли идејата дека еден физички систем во квантната механика има математички опис која му одговара во која било смисла.
3.4 Релациска интерпретација
Релациската интерпретација не прави темелна разлика помеѓу човечки експериментатор, мачка, и апарати или помеѓу живи и неживи системи; сите се квантни системи кои подлегнуваат на исти правила на еволуцијата на брановата функција, и сите можат да бидат земени предвид како „набљудувачи“. Но, релационата интерпретација дозволува различни набљудувачи да дадат различни профили од иста серија на настани, зависно од информацијата кои тие ја имаат за системот. Мачката може да биде набљудувач на апаратурата; во меѓувреме, експериментаторот да биде земен како друг набљудувач на системот во кутијата (мачката плус апаратурата). Пред кутијата да се отвори, мачката, од природата на нејзината состојба мртва или жива, има информации за состојбата на апаратурата (атомот или се распаднал или не); но експериментаторот нема информација за состојбата на содржината од кутијата. На овој начин, двајцата набљудувачи истовремено имаат различни профили за состојбата. За мачката, брановата функција на апаратурата се чини дека се „срушила“; за експериментаторот, содржината од кутијата се чини дека се во суперпозиција. Сè додека кутијата не се отвори, и двајцата набљудувачи не добијат иста информација за тоа што се случило, двете системски состојби се чини дека се „срушиле“ во истиот краен резултат, а мачката е или жива или мртва.
3.5 Трансакциско толкување
Во трансакциската интерпретација, апаратот испушта напреден бран назад во времето, што во комбинација со бранот што изворот го испушта напред со текот на времето, формира бран што стои. На брановите се гледа како на физички реален, а апаратот се смета за „набљудувач“. Во трансакциската интерпретација, падот на брановата функција е „атемпорален“ и се јавува по целата трансакција помеѓу изворот и апаратот. Мачката никогаш не е во суперпозиција. Наместо тоа, мачката е само во една состојба во одредено време, без оглед кога човечкиот експериментатор гледа во кутијата. Трансакциското толкување го решава овој квантен парадокс.
3.6 Ефекти на Зенон
Познато е дека ефектот Зенон предизвикува одложувања на какви било промени од почетната состојба.
Од друга страна, антизеновиот ефект ги забрзува промените. На пример, ако често ѕиркате во кутијата за мачки, може или да предизвикате одложувања на судбоносниот избор или, обратно, да го забрзате. И Зеновиот ефект и антизеновиот ефект се вистински и се знае дека им се случуваат на вистинските атоми. Квантниот систем што се мери мора да биде силно поврзан со околното опкружување (во овој случај со апаратот, просторијата за експерименти... итн.) За да се добијат попрецизни информации. Но, сè додека нема информации пренесени на надворешниот свет, се смета дека е ''квази мерење'', но штом информациите за благосостојбата на мачката се пренесат на надворешниот свет (ѕиркајќи во кутијата) квазимерењето се претвора во мерење. Квазимерењата, како и мерењата, ги предизвикуваат Зено-ефектите. Ефектите од Зенон нè учат дека дури и без да ѕирнеме во кутијата, смртта на мачката би била одложена или забрзана во секој случај, поради нејзината околина.
3.7 Теории на објективен колапс
Според теориите на објективен колапс, суперпозициите се уништени спонтано (без оглед на надворешното набљудување), кога ќе се достигне некаков објективен физички праг (време, маса, температура, неповратност, итн.). Така, од мачката се очекува да се смести во одредена состојба долго пред да се отвори кутијата. Ова може слободно да се формулира како „мачката се набљудува себеси“ или „околината ја набљудува мачката“.
Теориите на објективен колапс бараат модификација на стандардната квантна механика за да се овозможи суперпозициите да бидат уништени со процесот на временската еволуција. Овој процес познат под името декохерентност се наоѓа меѓу најбрзите процеси досега познати на физиката.
4 Апликации и тестови
Онака како што е опишан експериментот е чисто теоретски, а предложената машина е непознато дали некогаш е конструирана. Како и да е, успешни експерименти вклучувајќи исти принципи, пример: суперпозиции на релативно големи (по стандарди на квантна физика) објекти биле изведени. Овие експерименти не покажуваат дека објект во големина од мачка може да биде суперпозициониран, но познатиот горен лимит на „мачкини состојби“ бил турнат нагоре од нив. Во многу случаи состојбата е кратко-животна, дури и оладена приближно до апсолутна нула.
* „Состојба на мачка“ е постигната со фотони.* Јон од Берилиум е заробен во суперпозиционирана состојба.* Експеримент кој вклучува магнетометар - суперспроводен уред за квантно интерферирање („SQUID“) е поврзан со темата на мисловниот експеримент: „Состојбата на суперпозицијата не одговара на милијарда електрони што течат на еден начин и милијарда електрони што течат на друг начин. Суперспроводните електрони се движат масовно. Сите суперспроводни електрони во SQUID течат на двата начина околу јамката наеднаш кога се во состојбата на Шредингеровата мачка.* Конструирана е пиезоелектрична „виљушка за нагодување“, која може да биде поставена во вибрирачка и невибрирачка состојба. Резонаторот содржи околу 10 трилиони атоми. Предложен е експеримент кој вклучува вирусен грип.* Предложен е експеримент кој вклучува бактерија и електромагнетен осцилатор.
Во квантното сметање, реченицата „мачкина состојба“ понекогаш се однесува на GHZ состојба (Greenberger-Horne-Zeilinger state), при што неколку кубити се во еднаква суперпозиција, сите постанувајќи 0 и сите 1. на пр.
:<math> | \psi \rangle = \frac{1}{\sqrt{2 \bigg( | 00\ldots0 \rangle + |11\ldots1 \rangle \bigg). </math>
Според барем еден предлог, може да биде можно да се одреди состојбата на мачката ''пред да се'' набљудува.
5 Екстензии
Вигнеровиот пријател е варијанта на експериментот со двајца човечки набљудувачи: првиот прави опсервација дали се гледа блесок на светлина и потоа му го соопштува неговото набљудување на другиот набљудувач. Проблемот овде е, дали брановата функција „пропаѓа“ кога првиот набљудувач гледа во експериментот, или само кога вториот набљудувач е информиран за набљудувањата од првиот набљудувач?
За уште едно прошираување, истакнати физичари отишле дотаму што предложиле дека астрономите набљудувајќи ја темната енергија во универзумот во 1998 можеби го „намалиле неговиот животен век“ преку псевдошредингеровото сценарио со мачка, иако ова е контроверзно гледиште.
Во август 2020, физичарите презентирале студии кои вклучуваат толкувања од квантната механика што се поврзани со парадоксите на Шредингеровата мачка и парадоксите на Вигнеровиот пријател, што резултирало со заклучоци кои ги оспоруваат навидум утврдените претпоставки за реалноста.
6 Дополнителна литература
* АПР-трудот: * Напис за експерименти со суперпозиции во состојба на мачка во суперспроводливи прстени, во кои електроните одат околу прстенот истовремено во две насоки.
** Опис на истрагите за квантната „состојба на мачката“ и падот на функцијата на бранот од страна на Серж Хароче и Дејвид Вајнленд, за што тие ја добиле Нобеловата награда за физика во 2012 година.