Schrödinger macskája – a kvantumgondolatkísérlet magyarázata és jelentése
Schrödinger macskája — világos, részletes magyarázat a kvantumgondolatkísérletről, jelentéséről és filozófiai következményeiről, szemléletes példákkal.
Schrödinger macskája egy gondolatkísérlet a kvantumfizikáról. Erwin Schrödinger 1935-ben javasolta, a kvantumfizika koppenhágai értelmezésére reagálva. Célja nem egy valós, megvalósítandó kísérlet volt, hanem hogy szemléltessen egy elméleti problémát: mi történik, ha a mikroszkopikus kvantumjelenségeket makroszkopikus tárgyakra (például egy macskára) alkalmazzuk?
Schrödinger írta:
Egészen nevetséges eseteket is fel lehet állítani. Egy macskát bezárnak egy acélkamrába a következő eszközzel együtt (amelyet a macska közvetlen beavatkozása ellen kell biztosítani): egy Geiger-számlálóban van egy parányi radioaktív anyag, olyan kicsi, hogy egy óra alatt talán csak egy atomja bomlik el, de ugyanilyen valószínűséggel talán egy sem; ha ez megtörténik, a számlálócső kisül, és egy relén keresztül egy kalapácsot bocsát ki, amely szétzúz egy kis lombiknyi ciánhidrátot. Ha ezt az egész rendszert egy órán át magára hagyjuk, azt mondhatjuk, hogy a macska még él, ha időközben egyetlen atom sem bomlott el. Az egész rendszer pszi-funkciója ezt úgy fejezné ki, hogy benne az élő és a halott macska (bocsánat a kifejezésért) egyenlő arányban keveredik vagy kenődik ki.
Ezekre az esetekre jellemző, hogy az eredetileg az atomi tartományra korlátozódó meghatározatlanság makroszkopikus meghatározatlansággá alakul át, amely aztán közvetlen megfigyeléssel feloldható. Ez megakadályozza, hogy ilyen naivan érvényesnek fogadjunk el egy "homályos modellt" a valóság ábrázolására. Önmagában ez nem testesítene meg semmi homályos vagy ellentmondásos dolgot. Különbség van egy remegő vagy fókuszálatlan fotó és egy felhőkről és ködfoltokról készült pillanatkép között.
- Erwin Schrödinger, Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik (A kvantummechanika jelenlegi helyzete), Naturwissenschaften
(John D. Trimmer fordítása a Proceedings of the American Philosophical Society-ban)
Mi történik a gondolatkísérletben (röviden és pontosabban)?
Egyszerűbben: ha egy macskát és valamit, ami megölheti a macskát (egy radioaktív atom) egy dobozba teszünk, és azt lezárjuk, akkor a doboz kinyitásáig nem tudjuk, hogy a macska él-e vagy halott. A koppenhágai értelmezés nyelvén ez úgy fogalmazható meg, hogy a teljes rendszer hullámfüggvénye egy szuperpozíciót ír le: egyszerre van benne komponens, amelyben az atom lebomlott és a macska meghalt, és komponens, amelyben az atom nem bomlott és a macska él. Az állapot tehát entanglált: az atom állapota és a macska élettani állapota összekapcsolódik.
Mit akart Schrödinger bizonyítani?
Schrödinger célja az volt, hogy rávilágítson a "méréssel kapcsolatos problémára": hogyan lesz a kvantummechanika valószínűségi, hullámfüggvényben leírt szuperpozícióból egyetlen, egyszeri, makroszkopikus tény (például „a macska él” vagy „a macska halott”)? A gondolatkísérlet azt mutatja, hogy ha a kvantummechanikát szó szerint alkalmazzuk, akkor elméletileg abszurd helyzetekhez (például egy egyszerre élő és halott macskához) juthatunk, ha nem tisztázzuk, mi a szerepe a megfigyelésnek és mi a határa a kvantum-társulásoknak.
Modern magyarázatok és értelmezések
- Koppenhágai értelmezés: a mérés pillanatában „összeomlik” a hullámfüggvény, és az egyik lehetséges kimenetel realizálódik. A kérdés, hogy mi számít mérésnek vagy megfigyelésnek, filozófiai vitákat váltott ki.
- Dezkoherencia: a környezettel való kölcsönhatás (hő, fotonok, levegőmolekulák stb.) gyorsan „elveszíti” a kvantumkoherenciát nagy rendszerekben, így a szuperpozíciók makroszkopikus léptéken rendkívül rövid idő alatt effektíve klasszikus valószínűségekké bomlanak. Ez nem magyarázza meg önmagában a végső egyedi kimenetel kiválasztását, de megmagyarázza, miért nem figyelünk meg tartós, Nagyméretű szuperpozíciókat a mindennapi világban.
- Sokvilág-értelmezés (Many-worlds): minden lehetséges kimenetel ténylegesen realizálódik, de külön elágazó „világokban”. Így nincs hullámfüggvény-összeomlás: az egyik világban a macska él, egy másikban halott.
- Objektív összeomlási elméletek: vannak olyan elméletek (pl. GRW), amelyek szerint a hullámfüggvény spontán összeomlik nagy rendszerek esetén — ez a folyamat fizikailag megadott, nem a megfigyelőtől függ.
Fontos megjegyzések és félreértések
- A macska nem „két titokban létező lény” egyszerre — helyesebb úgy fogalmazni, hogy a macska és a radioaktív atom közötti kvantumállapotok összekapcsolódtak (entanglement), és a teljes rendszer leírása szuperpozíció. A „halott és élő egyszerre” kifejezés pedagógiai túlzás, amely a probléma lényegét szemlélteti.
- A megfigyelés szerepe: nem feltétlenül kell, hogy egy tudatos megfigyelő nyissa ki az ajtót; elég, ha a rendszer kölcsönhatásba lép a környezetével (dezkoherencia). A „megfigyelés” fogalma a kvantumelméletekben sok azonosítást és félreértést okozott.
- A gondolatkísérlet nem utasítja el a kvantummechanikát, hanem rámutat arra, hogy a mérés és a makroszkopikus világ kapcsolatát gondosan kell kezelni.
Van-e valós kísérleti megfelelője?
Közvetlenül egy „élő macska” szuperpozícióját laborban nem demonstrálták (és etikailag sem volna célravezető). Ugyanakkor sok kísérlet mutatott már fel szuperpozíciót nagyobb, többatomos rendszerekben:
- szupervezető hurkok (SQUID-ok),
- atomok és molekulák interferometriája (egyes esetekben nagyon nagy molekulák szintjén),
- Bose–Einstein kondenzátumok és koherens kvantumállapotok makroszkopikus megjelenései.
Ezek a kísérletek azt mutatják, hogy a kvantumhatások nem csak elvont elméleti fogalmak, hanem valós, mérhető jelenségek — ugyanakkor a koherencia fenntartása nehéz a környezeti hatások miatt.
Miért maradt fontos a gondolatkísérlet?
Schrödinger macskája azért maradt a kultúrában és a tudományfilozófiában meghatározó példa, mert tömören mutatja meg a kvantumelmélet és a mindennapi világ közti feszültséget. Tanulságai:
- a kvantumleírásokat nem mindig szabad szó szerint átemelni makroszkopikus tárgyakra;
- a mérés és információ szerepe alapvető kérdés a kvantumfizikában;
- különböző értelmezések más-más módon közelítik meg ugyanazt a problémát, és nincsenek egyértelmű, mindenki által elfogadott válaszok.
Rövid összefoglaló
Schrödinger macskája egy gondolatkísérlet, amely arra hívja fel a figyelmet, hogy a kvantumelmélet alapvető fogalmai (szuperpozíció, mérések, hullámfüggvény-összeomlás) milyen problémákat okoznak, ha a mikroszkopikus leírást makroszkopikus tárgyakra kiterjesztjük. A modern fizika részben a dezkoherencia fogalmával, részben pedig különböző értelmezésekkel (koppenhágai, sokvilág, objektív összeomlás) kezeli a problémát, de a vita részben filozófiai, részben kísérleti kérdés is maradt. A gondolatkísérlet elsősorban gondolkodásra és vitára ösztönöz — nem arra, hogy szó szerint megvalósítsuk.
Valódi méretű macskafigura a zürichi Huttenstrasse 9 kertjében, ahol Erwin Schrödinger 1921-1926 között élt. A macska a fényviszonyoktól függően élve vagy halva jelenik meg.
Egy macska, egy Geiger-számlálóval és egy kis méreggel egy lezárt dobozban. A kvantummechanika szerint egy idő után a macska egyszerre él és halott. Ha valaki belenéz a dobozba, a macskát vagy élve, vagy halva találja, azonban feltételezzük, hogy a macska egyszerre él és halott, mielőtt belenéz a dobozba.
Kapcsolódó oldalak
Kérdések és válaszok
K: Mi az a Schrödinger macskája?
V: Schrödinger macskája egy kvantumfizikai gondolatkísérlet, amelyet Erwin Schrödinger 1935-ben javasolt a kvantumfizika koppenhágai értelmezésére reagálva. Ez egy olyan hipotetikus forgatókönyvet foglal magában, amelyben egy macskát egy acélkamrába helyeznek egy radioaktív anyagot tartalmazó eszközzel, amely potenciálisan megölheti a macskát. A kísérlet által felvetett kérdés az, hogy a macska élni fog-e vagy meghal, amikor a dobozt kinyitják.
K: Mit mond a koppenhágai értelmezés a részecskékről?
V: A koppenhágai értelmezés szerint nem lehet biztosan tudni, hogy egy részecske milyen állapotban lesz, amíg meg nem figyelték, ezért a megfigyelés előtt azt lehet mondani, hogy egyszerre mindkét állapotban létezik.
K: Hogyan bizonyította Schrödinger ezt az elképzelést?
V: Schrödinger ezt a koncepciót a gondolatkísérletével mutatta be, amelyben egy macskát helyeztek egy lezárt, radioaktív anyaggal teli dobozba. Azt állította, hogy amíg a dobozt ki nem nyitják, nem lehet tudni, hogy a macska él-e vagy halott, tehát addig egyszerre mindkét állapotban létezik.
Kérdés: Melyik kétféle fizikát említi a szöveg?
V: A szövegben említett kétféle fizika a klasszikus fizika és a kvantummechanika. A klasszikus fizika megmagyarázza a legtöbb fizikai kölcsönhatást, és képes megjósolni a fizikai kölcsönhatásokat, míg a kvantummechanika magyarázatot ad néhány olyan fizikai kölcsönhatásra, amelyet a klasszikus fizika nem tud megmagyarázni.
K: Hogyan befolyásolja egy kísérletet valaminek a megfigyelése?
V: Valaminek a megfigyelése befolyásolhat egy kísérletet, mert egy kísérlet megfigyelésekor az ember a megfigyelés során jelenlétével és cselekedeteivel befolyásolhatja annak eredményeit. Ez azt jelenti, hogy az ilyen kísérletből kapott eredmények nem feltétlenül tükrözik pontosan a valóságot, mivel azokat külső tényezők befolyásolták.
K: Mit jelent a "pszi-funkció" kifejezés?
V: A pszi-funkció olyan matematikai egyenletekre utal, amelyeket arra használnak, hogy leírják, hogy a kvantummechanikán belül milyen valószínűséggel történik valami anélkül, hogy ténylegesen megnéznénk (megfigyelnénk).
Keres