Schrödingerin kissa: kvanttifysiikan ajatuskoe selitetty
Schrödingerin kissa: selkeä selitys kvanttifysiikan kuuluisasta ajatuskokeesta, sen merkityksestä ja tulkinnoista — ymmärrä superpositio helposti.
Schrödingerin kissa on ajatuskoe kvanttifysiikasta, jonka Erwin Schrödinger esitti vuonna 1935 vastalauseena kvanttifysiikan Kööpenhaminan tulkinnalle. Ajatuskokeen tarkoituksena ei ollut hupaisa kuvitteellinen koe sinänsä, vaan osoittaa, miten kvanttimekaniikan kuvaus voi johtaa näennäisesti järjettömiin päätelmiin, jos kvanttien "määrittelemättömyyttä" sovelletaan suoraan makroskooppisiin esineisiin.
Schrödingerin alkuperäinen teksti kuuluu näin:
Voidaan jopa laatia aivan naurettavia tapauksia. Kissa suljetaan teräskammioon ja siihen liitetään seuraava laite (joka on suojattava kissan suoraa häirintää vastaan): Geiger-laskurissa on pieni määrä radioaktiivista ainetta, niin pieni, että ehkä tunnin aikana hajoaa vain yksi atomi, mutta yhtä suurella todennäköisyydellä ehkä ei yhtään; jos näin tapahtuu, lasku-anturin putki purkautuu ja vapauttaa releen kautta vasaran, joka hajottaa pienen syaanivetyhappoa sisältävän pullon. Jos koko tämä järjestelmä jätetään tunnin ajaksi itsekseen, voidaan sanoa, että kissa elää yhä, jos yksikään atomi ei ole hajonnut. Koko järjestelmän psi-toiminto ilmaisisi tämän siten, että siinä olisi elävä ja kuollut kissa (anteeksi sanonta) sekaisin tai yhtä suurina osina.
Näille tapauksille on tyypillistä, että alun perin atomiselle alueelle rajoittunut määrittelemättömyys muuttuu makroskooppiseksi määrittelemättömyydeksi, joka voidaan sitten ratkaista suoralla havainnoinnilla. Tämä estää meitä hyväksymästä niin naiivisti "hämärtynyttä mallia" todellisuuden esittämiseksi. Se ei sinänsä sisältäisi mitään epäselvää tai ristiriitaista. On eroa tärisevän tai epätarkan valokuvan ja pilvistä ja sumupenkereistä otetun tilannekuvan välillä.
- Erwin Schrödinger, Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik (Kvanttimekaniikan nykytilanne), Naturwissenschaften
(John D. Trimmerin kääntämä julkaisussa Proceedings of the American Philosophical Society).
Ajatuskokeen rakenne selkokielellä
Ajatuskokeen perusasetelma voidaan tiivistää seuraavasti:
- Kissa sijoitetaan huoneeseen, joka on eristetty ulkomaailmasta.
- Huoneessa on Geiger-mittari ja pieni määrä radioaktiivista ainetta.
- Tunnin aikana yksi näistä atomista saattaa hajota — tai ei hajota. Hajonnan todennäköisyys on esimerkiksi 50 %.
- Jos materiaali hajoaa, Geiger-laskuri rekisteröi tapahtuman, laukaisee mekanismin, joka vapauttaa myrkkykaasua, ja kissa kuolee.
- Kysymys kuuluu: onko kissa tunnin lopussa elossa vai kuollut, ennen kuin laatikko avataan?
Kööpenhaminan tulkinnan yksinkertaistettu esitys sanoo, että kvanttitilaa kuvataan psi-funktiolla (aaltotoiminnolla), joka antaa erilaisten lopputulosten todennäköisyydet. Ennen mittausta järjestelmä voi olla superpositiossa — eri mahdollisuudet ovat "samanaikaisesti" läsnä kvanttihavainnon kannalta — ja vasta havainnoimalla psi-funktio "purkautuu" yhdeksi tulokseksi. Schrödingerin mukaan tämä johtaisi siihen, että makroskooppinen kissa olisi ikään kuin samanaikaisesti sekä kuollut että elossa, mikä tuntui hänestä absurdilta.
Mitä Schrödinger halusi korostaa?
Schrödinger ei oikeasti odottanut, että mörkö kissa olisi samaan aikaan todellisuudessa kuollut ja elossa. Hän käytti esimerkkiä kritisoidakseen ajatusta siitä, että kvanttimäärittelemättömyyttä voitaisiin soveltaa suoraan arkimaailman esineisiin ilman selvää eroa mikromaailman ja makromaailman välillä. Ajatuskoe nostaa esiin mittausongelman: milloin ja miten kvanttijärjestelmä muuttuu yhdestä mahdollisuudesta konkreettiseksi havainnon tulokseksi?
Moderni näkökulma: dekoherenssi ja muut tulkinnat
Nykyfysiikassa yleinen selitys sille, miksi emme näe "elävää ja kuollutta kissaa", on dekoherenssi. Dekohereenssi selittää, että makroskooppiset järjestelmät ovat jatkuvasti vuorovaikutuksessa ympäristönsä kanssa (ilma, fotonit, lämpöliike jne.). Tämä vuorovaikutus rikkoo kvanttikoherenssin nopeasti ja saa superposition näyttämään siltä kuin psi-funktion purkautuminen olisi tapahtunut — käytännössä eri vaihtoehdot eivät enää häiritse toisiaan ja systeemi käyttäytyy klassisesti. Dekohereenssi ei kuitenkaan yksinään ratkaise kaikkia filosofisia tai matemaattisia mittausongelman kysymyksiä (kuten miksi juuri tietty tulos ilmenee), mutta se antaa teknisen ja mitattavissa olevan mekanismin, joka selittää miksi suurten kappaleiden kvanttisuperpositiot katoavat nopeasti.
On myös muita tapoja tulkita kvanttimekaniikkaa, jotka käsittelevät Schrödingerin kissaa eri tavoin:
- Monimaailmatulkinta (Everett): superpositio ei koskaan "purkaudu"; kaikki vaihtoehdot toteutuvat eri rinnakkaisissa haaroissa, jolloin havainnoija kokee vain yhden haaraan kuuluvan lopputuloksen.
- Bohmin mekaniikka: tarjoaa deterministisen mallin, jossa partikkelit ovat aina paikallaan ohjautuen aaltotoiminnosta; mittausongelma ilmenee eri muodossa mutta ilman ääritapauksena "kissan puolittamista".
- Objektiiviset romahdusteoriat (esim. GRW): ehdottavat, että psi-funktion purkautuminen on fysikaalinen prosessi, joka tapahtuu satunnaisesti ja useammin suurtarkkuuksissa, mikä estää makroskooppisen superposition pitkittymisen.
Kokeelliset havainnot ja sovellukset
Vaikka alkuperäinen ajatuskokeessa on puhtaasti filosofinen, kvanttifysiikan kokeelliset edistysaskeleet ovat osoittaneet superpositioita ja kvanttihäiriöitä yhä suuremmissa ja "kolkkisemmissa" järjestelmissä. Esimerkkejä:
- Elektronien, atomien ja molekyylien interferenssikokeet (massiivimmat molekyylit ovat osoittaneet kvanttihäiriön).
- Superkondensaattoreihin ja SQUID-laitteisiin perustuvat kokeet, joissa makroskooppisten muuttujien kvanttikäyttäytymistä selvitetään.
- Kvanttilaskennan ja kvantti-informaation kehitys, jossa superpositio ja kietoutuminen ovat hyödyllisiä resursseja käytännön sovelluksissa.
Miksi Schrödingerin kissa on edelleen merkityksellinen?
Ajatuskoe toimii edelleen tehokkaana oppimis- ja keskusteluvälineenä, koska se tiivistää mittausongelman ja kvanttimekaniikan tulkintojen filosofiset haasteet ymmärrettävään muotoon. Se havainnollistaa eron teoreettisen kuvauksen ja havaittavan todellisuuden välillä ja pakottaa pohtimaan, mitä tarkoitetaan "mittauksella", "havainnoijalla" ja "realismin" eri muodoilla kvanttimaailmassa.
Lopuksi: Schrödingerin kissa ei ole niinkään erikoinen fyysinen ilmiö, vaan ajatusharjoitus, joka auttaa erottamaan tekniset laskelmat (psi-funktio, todennäköisyydet) ja niiden filosofiset tulkinnat. Nykyinen tutkimus jatkaa molempia: kehittää tarkempia malleja mittausprosessista ja suorittaa kokeita, jotka lähentävät kvanttimaailman periaatteita makroskooppiseen kokemukseemme.
Kissa, Geiger-mittari ja myrkkyä suljetussa laatikossa. Kvanttimekaniikan mukaan kissa on jonkin ajan kuluttua sekä elossa että kuollut. Laatikkoon katsova henkilö löytää kissan joko elävänä tai kuolleena, mutta sen oletetaan kuitenkin olevan sekä elossa että kuollut ennen kuin laatikkoon katsotaan.
Oikean kokoinen kissahahmo puutarhassa osoitteessa Huttenstrasse 9, Zürich, jossa Erwin Schrödinger asui 1921-1926. Valo-olosuhteista riippuen kissa näyttää joko elävältä tai kuolleelta.
Aiheeseen liittyvät sivut
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on Schrödingerin kissa?
V: Schrödingerin kissa on kvanttifysiikkaa koskeva ajatuskokeilu, jonka Erwin Schrödinger ehdotti vuonna 1935 vastareaktiona kvanttifysiikan Kööpenhaminan tulkinnalle. Se sisältää hypoteettisen skenaarion, jossa kissa asetetaan teräskammioon, jossa on radioaktiivista ainetta sisältävä laite, joka voi mahdollisesti tappaa kissan. Kokeessa kysytään, onko kissa elossa vai kuollut, kun laatikko avataan.
Kysymys: Mitä Kööpenhaminan tulkinta sanoo hiukkasista?
V: Kööpenhaminan tulkinnan mukaan hiukkasen tilasta ei voi tietää varmasti, ennen kuin se on havaittu, joten hiukkasen voidaan sanoa olevan olemassa molemmissa tiloissa yhtä aikaa ennen havaintoa.
K: Miten Schrödinger osoitti tämän käsitteen?
V: Schrödinger osoitti tämän käsitteen ajatuskokeella, jossa kissa asetettiin suljettuun laatikkoon, jossa oli radioaktiivista ainetta. Hän esitti, että ennen kuin laatikko avattiin, ei voitu tietää, oliko kissa kuollut vai elossa, joten siihen asti kissa oli olemassa molemmissa tiloissa yhtä aikaa.
Kysymys: Mitkä kaksi fysiikan lajia mainitaan tässä tekstissä?
V: Kaksi tässä tekstissä mainittua fysiikan lajia ovat klassinen fysiikka ja kvanttimekaniikka. Klassinen fysiikka selittää useimmat fysikaaliset vuorovaikutukset ja voi ennustaa fysikaalisia vuorovaikutuksia, kun taas kvanttimekaniikka antaa selityksen joillekin fysikaalisille vuorovaikutuksille, joita klassinen fysiikka ei voi selittää.
Kysymys: Miten jonkin asian havainnointi vaikuttaa kokeeseen?
V: Jonkin asian havainnointi voi vaikuttaa kokeeseen, koska havainnoidessaan koetta joku voi häiritä sen tuloksia läsnäolollaan ja toiminnallaan havainnoinnin aikana. Tämä tarkoittaa, että tällaisesta kokeesta saadut tulokset eivät välttämättä vastaa todellisuutta tarkasti, koska ulkopuoliset tekijät ovat vaikuttaneet niihin.
K: Mitä tarkoitetaan "psi-toiminnolla"?
V: Psi-funktio viittaa matemaattisiin yhtälöihin, joita käytetään kuvaamaan, kuinka todennäköisesti jokin asia tapahtuu kvanttimekaniikassa ilman, että sitä todella katsotaan (havainnoidaan).
Etsiä