Schrödingeri kass – kvantfüüsika mõtteeksperiment ja selgitus
Schrödingeri kass on kvantfüüsika mõtteeksperiment. Erwin Schrödinger pakkus selle välja 1935. aastal, reageerides kvantfüüsika Kopenhaageni tõlgendusele.
Schrödinger kirjutas:
Võib isegi luua üsna naeruväärseid juhtumeid. Kass on lukustatud teraskambrisse koos järgmise seadmega (mis peab olema kindlustatud kassi otsese sekkumise vastu): Geigeri loenduris on pisike kogus radioaktiivset ainet, nii väike, et võib-olla laguneb tunni aja jooksul ainult üks aatom, aga sama suure tõenäosusega võib-olla ka mitte ükski; kui see juhtub, siis loenduri toru tühjeneb ja vabastab relee kaudu haamri, mis purustab väikese kolvi vesinikhapet. Kui kogu see süsteem on tunniks ajaks endale jäetud, siis ütleksime, et kass elab veel, kui vahepeal ei ole ükski aatom lagunenud. Kogu süsteemi psi-funktsioon väljendaks seda sellega, et selles on elav ja surnud kass (vabandust väljenduse eest) võrdsetes osades segunenud või välja määritud.
Sellistele juhtumitele on iseloomulik, et algselt aatomi valdkonda piiritletud määramatus muutub makroskoopiliseks määramatuseks, mida saab seejärel lahendada otsese vaatlusega. See takistab meid nii naiivselt aktsepteerimast "hägusat mudelit" tegelikkuse kujutamiseks kehtivana. Iseenesest ei kehastaks see midagi ebaselget või vastuolulist. On erinevus hägusa või ebatäpse foto ja pilvede ja udupankade pildi vahel.
- Erwin Schrödinger, Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik (Kvantmehaanika praegune olukord), Naturwissenschaften
(tõlkinud John D. Trimmer ajakirjas Proceedings of the American Philosophical Society).
Lihtsustatult öeldes väitis Schrödinger, et kui panna kass ja midagi, mis võib kassi tappa (radioaktiivne aatom), kasti ja sulgeda see, siis ei saa enne kasti avamist teada, kas kass on surnud või elus, nii et kuni kasti avamiseni on kass (teatud mõttes) nii "surnud kui ka elus". Seda kasutatakse selleks, et kujutada, kuidas teaduslik teooria toimib. Keegi ei tea, kas mõni teaduslik teooria on õige või vale, kuni nimetatud teooriat ei saa testida ja tõestada.
Mis Schrödingeri kass tegelikult illustreerib?
Schrödingeri kass on mõtteline demonstratsioon kvantmehaanika üksikute printsiipide ja nende vaidlustatud tõlgenduste kohta. Peamised punktid:
- Superpositsioon: kvantolekuid kirjeldab lainefunktsioon (psi), mis võib kanda mitut võimalikku tulemust samaaegselt kuni mõõtmiseni.
- Mõõtmise (lainete “lagunemise”) probleem: kvantolek tundub üheks konkreetseks tulemuseks "otsustavat" alles siis, kui toimub mõõtmine või vaatlus — aga mis täpselt selle otsuse põhjustab, on filosoofiline ja teaduslik küsimus.
- Makroskoopiline absurd: Schrödinger tahtis näidata, et kvantprintsiipide otsene rakendamine igapäevasesse makroskoopilisse maailma viib intuitiivselt vastuoluliste olukordadeni (nt elav ja surnud kass samal ajal).
Kopenhaageni tõlgendus ja selle kriitika
Kopenhaageni tõlgendus leiab, et kvantolek on määratlemata kuni mõõtmiseni: mõõtmine „murrab kokku” lainefunktsiooni üheks konkreetseks tulemiseks. Schrödingeri argument oli, et selline lähenemine tundub absurdne, kui laiendada seda igapäevastele objektidele. Tema mõte oli rõhutada mõõtmise probleemile vajaliku selgituse puudumist — kuidas täpselt ja millal kvantolek „muutub” makroskoopiliseks reaalsuseks?
Kaasaegne vaade: dekohereerumine ja tõlgendused
Tänapäeval kasutatakse palju mõistet dekohereerumine, et selgitada, miks me makroskoopilises maailmas superpositsioone ei näe. Dekohereerumine on protsess, mille kaudu kvantsüsteem seostub ümbritseva keskkonnaga nii, et erinevad võimalused muutuvad vastastikku mittesegunevateks ja kaotavad kiiresti nähtava kvantsuperpositsiooni. See seletus ei lahenda mõõtmise filosoofilist probleemi täielikult (st miks üks konkreetne tulemus valitakse), kuid näitab, miks makroskoopilised objektid praktiliselt ei näita kvantkäitumist.
On ka teisi tõlgendusi, näiteks mitmemailmade tõlgendus (many-worlds), kus kõigi võimalike tulemite realiseerumine toimub eri "maailmades" ning lainefunktsiooni kokkukukkumist ei toimu vaid universum jaguneb. Igal tõlgendusel on oma tugevused ja puudused ning teaduslikult ei ole üksnes ühe tõlgenduse üle kokkulepet.
Kas kass oleks tegelikult samaaegselt elus ja surnud?
Praktiliselt mitte. Kui kass oleks tõeliselt suletud süsteem ja poleks mingit kokkupuudet väliskeskkonnaga (mis reaalses maailmas on peaaegu võimatu), võiks teoreetiliselt tekkida olukord, mida kirjeldab superpositsioon. Reaalses maailmas aga kass, õhk, kasti seinad ja kõik muud osakesed suhtlevad pidevalt ümbritsevaga — dekohereerumine on erakordselt kiire makroskoopilistel objektidel, mistõttu me ei tuvasta elava ja surnud kassi superpositsiooni. Schrödingeri eksperiment oli seega pigem kriitika Kopenhaageni lähenemisele kui ettepanek reaalse eksperimendi jaoks.
Praktilised eksperimendid ja piirid
Tänapäeval suudetakse kvantsuperpositsiooni uurida ja säilitada ka keerukamates süsteemides: elektronide ja aatomite puhul, molekulide difraktsioonis, samuti makroskoopsemates kvbitsüsteemides (nt superconducting qubits). Kuid suuruse ja soojustundlikkuse suurenedes muutub kvantselgus väga habraks — keskkonnaabituse tõttu decoherence kiirus kasvab ning superpositsioon kaob kiiresti.
Filosoofiline ja kultuuriline mõju
Schrödingeri kassist on saanud ikooniline metafoor, mida kasutatakse nii teaduses kui ka popkultuuris, et arutleda reaalsuse, teadmise ja vaatluse piiride üle. Mõte ärgitab küsimusi selle kohta, mida me teadmisena peame ning millal midagi on „reaalne”: kas reaalsus on sõltumatu vaatlejast või on vaatlus osa reaalsuse loomise protsessist?
Kokkuvõte
Schrödingeri kass on mõtteeksperiment, mille eesmärk ei olnud tõsiselt kassi panna kasti ja oodata, vaid rõhutada kvantteooria tõlgenduste vastuolusid ja mõõtmise probleemi. Tänapäevane füüsika selgitab palju protsesse (nt dekohereerumise) ja suudab kvantkäitumist kirjeldada täpsemalt, kuid paljud fundamentaalsed filosoofilised küsimused kvantmehaanika tõlgendamise kohta on endiselt lahtised ja aktuaalsed.
Märkus: Schrödingeri kass on abstraktne mõttekonstrukt ja seda ei tohi tõlgendada kutse või soovitusena tegelikku looma sellesama eksperimendi läbiviimiseks — eksperiment oli mõeldud ainult teoreetiliseks mõtteharjutuseks.
Ehtsas suuruses kassifiguur Huttenstrasse 9 aias Zürichis, kus Erwin Schrödinger elas 1921-1926. Sõltuvalt valgustingimustest näib kass kas elus või surnud.
Kass, Geigeri loendur ja natuke mürki suletud karbis. Kvantmehaanika ütleb, et mõne aja pärast on kass nii elus kui ka surnud. Inimene, kes vaatab kasti, leiab kassi elusana või surnuna, kuid eeldatakse, et enne kasti vaatamist on kass nii elus kui ka surnud.
Seotud leheküljed
Küsimused ja vastused
K: Mis on Šrödingeri kass?
V: Schrödingeri kass on kvantfüüsika mõtteeksperiment, mille Erwin Schrödinger pakkus välja 1935. aastal vastuseks kvantfüüsika Kopenhaageni tõlgendusele. See hõlmab hüpoteetilist stsenaariumi, kus kass pannakse teraskambrisse koos radioaktiivset materjali sisaldava seadmega, mis võib kassi tappa. Eksperimendis püstitatud küsimus on, kas kass on elus või surnud, kui kast avatakse.
K: Mida ütleb Kopenhaageni tõlgendus osakeste kohta?
V: Kopenhaageni tõlgendus väidab, et enne vaatlust ei ole võimalik kindlalt teada, millises olekus osakest on, seega võib öelda, et enne vaatlust on osakest korraga mõlemas olekus.
K: Kuidas Schrödinger seda kontseptsiooni demonstreeris?
V: Schrödinger demonstreeris seda kontseptsiooni oma mõtteeksperimendi abil, mis hõlmas kassi paigutamist radioaktiivse materjaliga suletud kasti. Ta pakkus välja, et kuni karbi avamiseni ei teata, kas kass on surnud või elus, nii et kuni selle ajani eksisteerib ta mõlemas olekus korraga.
Küsimus: Milliseid kahte füüsikaliiki mainitakse selles tekstis?
V: Kaks füüsika liiki, mida selles tekstis mainitakse, on klassikaline füüsika ja kvantmehaanika. Klassikaline füüsika seletab enamikku füüsikalisi vastastikmõjusid ja suudab füüsikalisi vastastikmõjusid ennustada, samas kui kvantmehaanika annab seletuse mõnele füüsikalisele vastastikmõjule, mida klassikaline füüsika ei suuda seletada.
K: Kuidas mõjutab millegi vaatlemine eksperimenti?
V: Millegi vaatlemine võib mõjutada eksperimenti, sest eksperimenti vaadeldes võib keegi oma kohaloleku ja tegevuse tõttu vaatluse ajal sekkuda selle tulemustesse. See tähendab, et sellisest eksperimendist saadud tulemused ei pruugi täpselt kajastada tegelikkust, sest neid on mõjutanud välised tegurid.
K: Mida tähendab "psi-funktsioon"?
V: Psi-funktsioon viitab matemaatilistele võrranditele, mida kasutatakse, et kirjeldada, kui tõenäoline on, et midagi juhtub kvantmehaanika raames, ilma et seda tegelikult vaadataks (jälgitaks).
