Ένα από τα πιο σημαντικά πειράματα σκέψης στη σύγχρονη ιστορία της φυσικής και ιδιαίτερα δημοφιλές είναι “η γάτα του Schrödinger“
Ο Erwin Schrödinger, προκειμένου να αναδείξει τις αδυναμίες της ερμηνείας της Κοπεγχάγης στην Κβαντομηχανική, δημιούργησε άθελά του το πιο δυνατό επιχείρημα υπέρ της.
Σε μια ανταλλαγή αλληλογραφίας με τον Albert Einstein το 1935, συζητώντας για το παράδοξο EPR, (ένα άρθρο το οποίο είχαν μόλις δημοσιεύσει οι Einstein, Podolsky και Rosen), ο Schrödinger εξέφρασε τη δυσπιστία του σχετικά με την υπέρθεση των κβαντικών καταστάσεων και την κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης. Το παράδοξο EPR ήταν μία προσπάθεια αμφισβήτησης της ερμηνείας της Κοπεγχάγης, με την οποία ο Einstein διαφωνούσε σθεναρά.
Τι είναι όμως η ερμηνεία της Κοπεγχάγης, η κυματοσυνάρτηση και η κβαντική υπέρθεση;- Η Σχολή της Κοπεγχάγης και η ερμηνεία της
Ο Δανός Niels Bohr δημιούργησε στο Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης την καλύτερη, πιθανότατα ομάδα στην Κβαντική Φυσική, την ονομαζόμενη “Σχολή της Κοπεγχάγης“.
Η περίφημη αυτή συνεργασία βοήθησε στην ανάπτυξη της Κβαντικής Μηχανικής, δίνοντάς μας την αρχή της συμπληρωματικότητας, την αρχή της αβεβαιότητας και συνολικά την ερμηνεία της Κοπεγχάγης, η οποία είναι αποδεκτή από την πλειοψηφία της επιστημονικής κοινότητας.
- Κυματοσυνάρτηση
Η Κβαντομηχανική είναι η θεωρία της Φυσικής που περιγράφει τις κινήσεις των σωμάτων του μικρόκοσμου. Διαφέρει σημαντικά από την υπόλοιπη Φυσική διότι δεν μπορεί να προβλέψει την κατάσταση (όπως για παράδειγμα τη θέση ή την ορμή) ενός σωματιδίου μια χρονική στιγμή, αλλά μόνο την πιθανότητα το σωματίδιο αυτό να βρίσκεται στην κατάσταση αυτή.
Σύμφωνα με την θεωρία του De Broglie, ένα σωμάτιο συμπεριφέρεται σαν ένα κύμα (υλικό κύμα).
Η κατάσταση ενός στοιχειώδους σωματιδίου, κάθε χρονική στιγμή ορίζεται με το υλικό κύμα, που χαρακτηρίζεται από μια κυματική συνάρτηση, η οποία στην Κβαντική λέγεται κυματοσυνάρτηση.
Η κυματοσυνάρτηση , που περιγράφει το υλικό κύμα, περιέχει όλη την πληροφορία για το σωματίδιο και ικανοποιεί την εξίσωση Schrödinger. Σε αυτήν περιέχεται η πληροφορία για την κίνηση του σωματιδίου στο χώρο κάθε στιγμή.
Σύμφωνα με τη στατιστική ερμηνεία του Born, το τετράγωνο της κυματοσυνάρτησης μας δίνει την πυκνότητα πιθανότητας να βρεθεί ένα σωματίδιο, που περιγράφεται από την κυματοσυνάρτηση αυτή, μέσα σε έναν στοιχειώδη όγκο. Το σύστημα δηλ.εμφανίζει στατιστικά χαρακτηριστικά, είναι δηλαδή πιθανολογικό.
- κβαντική υπέρθεση – κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης
Σύμφωνα με την ερμηνεία της Κοπεγχάγης μέχρι να εξακριβώσουμε μία οποιαδήποτε μετρήσιμη πληροφορία για το σύστημα, για παράδειγμα τη θέση ή την ορμή του, όλες οι αντιπροσωπευτικές κυματοσυναρτήσεις, που προκύπτουν από τις λύσεις της εξίσωσης του Schrödinger, ισχύουν ταυτόχρονα. Το σύστημα επομένως βρίσκεται ταυτόχρονα σε όλες τις πιθανές καταστάσεις. Παρατηρείται δηλαδή το φαινόμενο της κβαντικής υπέρθεσης.
Μόλις πραγματοποιηθεί η μέτρηση, όμως, το σύστημα αντιπροσωπεύεται από μία μόνο κυματοσυνάρτηση και πλέον παύει να έχει στατιστική φύση. Λέμε τότε ότι γίνεται κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης.
- Η διαφωνία του Schrödinger για την ερμηνεία της Κοπεγχάγης
Ο Schrödinger λοιπόν, μη συμφωνώντας με την ερμηνεία της Κοπεγχάγης για την κβαντική υπέρθεση και την κατάρευση της κυματοσυνάρτησης, σε μια έξαρση δυσπιστίας έγραψε ένα γράμμα στον διάσημο συνάδελφο του, Albert Einstein, ο οποίος πρώτος είχε εκφράσει δημόσια τις αντιρρήσεις του σχετικά με την ερμηνεία της Κοπεγχάγης.
Ο Einstein σε αυτή την επικοινωνία τους, έπεισε τον Schrödinger να επανεξετάσει την Ερμηνεία της Κοπεγχάγης. Οι θέσεις του Schrödinger δημοσιοποιήθηκαν σε τρία άρθρα σε γερμανικό περιοδικό.
Σε μια παράγραφο του άρθρου “Η παρούσα κατάσταση στην Κβαντική Μηχανικη” παρουσιάζει το διάσημο νοητικό πείραμα “η γάτα του Schrödinger“.
Το νοητικό πείραμα
Αναλυτικά, μία γάτα τοποθετείται σε ένα αδιαφανές κουτί, μέσα στο οποίο υπάρχει μια μικρή ποσότητα ραδιενεργού υλικού, ένας μετρητής Geiger, δηλαδή μία συσκευή που μπορεί να ανιχνεύσει εάν έχει υπάρξει διάσπαση ατόμου από το ραδιενεργό υλικό, ένα σφυρί και ένα φιαλίδιο με υδροκυάνιο. Η ποσότητα αυτού του ραδιενεργού υλικού είναι τόσο μικρή, που κατά την πάροδο μίας ώρας, ένα άτομο έχει ίσες πιθανότητες να διασπαστεί και ίσες να μην διασπαστεί, έχουμε ουσιαστικά ένα σύστημα με πιθανότητες 50%.
Σε περίπτωση που διασπαστεί το άτομο και ανιχνευθεί από τον μετρητή Geiger, το σφυρί θα σπάσει το φιαλίδιο με το υδροκυάνιο, το δηλητήριο θα απελευθερωθεί και η γάτα θα πεθάνει. Αν το άτομο δε διασπαστεί, η γάτα θα παραμείνει ζωντανή.
Άρα η ζωή της γάτας, που είναι ένα μακροσκοπικό αντικείμενο, εξαρτάται από το άτομο, ένα κβαντικό σύστημα και επηρεάζεται άμεσα από την κατάστασή του.
Μέχρι να ανοίξουμε το κουτί, δεν μπορούμε να ξέρουμε αν η διάσπαση έχει συμβεί, άρα η κυματοσυνάρτηση του συστήματος δείχνει ότι το άτομο έχει διασπαστεί και ταυτόχρονα ότι δεν έχει διασπαστεί. Βρίσκεται δηλαδή σε μία κατάσταση κβαντικής υπέρθεσης. Είπαμε, όμως, πως το άτομο επηρεάζει άμεσα τη γάτα, άρα η ζωή της εμφανίζει την ίδια υπέρθεση. Επομένως, η κυματοσυνάρτηση του συστήματος δείχνει πως η γάτα είναι ζωντανή και ταυτόχρονα πως είναι νεκρή!
Ο ρόλος του παρατηρητή, λοιπόν, παίζει μεγάλο ρόλο στο παραπάνω πείραμα, καθώς είναι απαραίτητος ώστε οι πιθανές καταστάσεις που βρίσκεται η γάτα μέσα στο κουτί να μεταφραστούν σε πραγματικότητα κατά τη στιγμή της μέτρησης.
Είναι σημαντικό να κατανοήσουμε πως δεν πρόκειται απλά για αβεβαιότητα της τελικής κατάστασης, επειδή δε γνωρίζουμε τι συνέβη μέσα στο κουτί, αλλά πρέπει να δεχθούμε ότι όσο το κουτί παραμένει κλειστό, ισχύουν και οι δύο καταστάσεις ταυτόχρονα (!)
Το παράδοξο, σύμφωνα με τον Schrödinger που προκύπτει στο νοητικό πείραμα του , είναι η δυσκολία που παρουσιάζει η ερμηνεία της Κοπεγχάγης όταν επιχειρεί να περιγράψει τον εμπειρικό κόσμο. Προφανώς η γάτα είναι ζωντανή ή νεκρή και δεν μπορεί να περιμένει τη μέτρησή της για να αποφασίσει σε ποια κατάσταση βρίσκεται.
Παρότι ο Schrödinger ήθελε να τονίσει την “ανοησία” αυτού του παραδόξου, οι προβλέψεις της ερμηνείας της Κοπεγχάγης εξακολουθούν να συμφωνούν με την πληθώρα πειραμάτων που έχουν γίνει έκτοτε και η γάτα του έχει χρησιμοποιηθεί ως ένας από τους καλύτερους τρόπους εξήγησης αυτής της πολύ περίπλοκης κβαντικής κατάστασης.
Παρ’ όλα αυτά, πρέπει να πούμε πως η συνεισφορά του Schrödinger στην εξέλιξη της Κβαντικής Μηχανικής ήταν τρομερά σημαντική, καθώς ήταν εκείνος που χρησιμοποίησε πρώτος τη θεωρία κυμάτων για να περιγράψει κβαντικά συστήματα, καταλήγοντας φυσικά στην ανακάλυψη της διάσημης εξίσωσης του.
Σχετικές δημοσιεύσεις:
