Kot Schrödingera. Na czym polega słynny eksperyment z udziałem kota?

fot. Shutterstock

Abstrakcyjna i intrygująca koncepcja kota Schrödingera okazała się atrakcyjnym motywem często wykorzystywanym w literaturze, filmach i grach komputerowych. Dowiedz się, o co tutaj chodzi.

Kot Schrödingera to bardzo popularny eksperyment myślowy z dziedziny fizyki kwantowej. Niewiele jednak osób wie, na czym dokładnie polega i jakie płyną z niego wnioski. Eksperyment funkcjonuje nie tylko w fizyce, ale także w kulturze i popkulturze. Przywołują go chociażby pisarze, m.in. Terry Pratchett, postaci filmowe i serialowe, np. Sheldon Cooper, bohater „Teorii wielkiego podrywu”, czy słynny doktor House. Nawiązania do tej teorii odnajdziemy również w grach komputerowych, takich jak „Wiedźmin” czy „Goodbye Deponia”. Tylko o co w tym chodzi?

Kot Schrödingera w fizyce kwantowej

Eksperyment myślowy, czasem określany mianem paradoksu, opublikowany został w 1935 roku przez austriackiego fizyka, Erwina Schrödingera, laureata Nagrody Nobla z dziedziny fizyki. Nagrodę tę otrzymał w roku 1933 za stworzenie równania falowego, znanego dzisiaj jako równanie Schrödingera, tworzącego podwaliny mechaniki kwantowej. To jeden z najbardziej fascynujących fizyków naszych czasów. Naukowiec nie mógł zgodzić się z wykładnią mechaniki kwantowej zaproponowaną przez przedstawiciela interpretacji kopenhaskiej – Nielsa Bohra, która mówiła, że opisywany przez funkcję falową „ośrodek” nie powinien być traktowany jako realnie istniejący, gdyż jest to wyłącznie obiekt matematyczny służący do przewidywania, gdzie w danym momencie jest największe prawdopodobieństwo wykrycia wszelkich naprawdę istniejących obiektów, czyli cząstek elementarnych i złożonych. Trudno pojąć? Tak, tak jak i całą fizykę kwantową zajmującą się światem nanoskopowym. Schrödinger zapragnął ukazać do jak dziwacznych, a wręcz absurdalnych konsekwencji prowadzi zaakceptowanie pomysłów Bohra. Ilustruje również problem zastosowania interpretacji kopenhaskiej mechaniki kwantowej (czyli świata nano/mikro) w odniesieniu do obiektów makroskopowych.

Kot Schrödingera – opis eksperymentu

Wynik eksperymentu kompletnie kłóci się ze zdrowym rozsądkiem i to właśnie sprawia, że jest tak słynny. Kot Schrödingera jest jednocześnie żywy i martwy. Ale uspokajamy – żaden kot nie ucierpiał podczas trwania eksperymentu. Tytułowy kot jest bowiem hipotetyczny! Tak jak cały eksperyment – czyli nieprzeprowadzony w rzeczywistości.

By zrozumieć sens eksperymentu, należy wyobrazić sobie kota zamkniętego w nieprzezroczystym pudełku. Dodajmy do tego jeszcze: młotek, butelkę z trucizną, która może być przez ten młotek stłuczona, licznik Geigera (jego zadaniem jest wprawienie w ruch młotka, zostanie uruchomiony w momencie rozpadu atomu) oraz atom pierwiastka promieniotwórczego, mogącego uruchomić licznik.

Jeżeli atom rozpadnie się, to uaktywni licznik. Uruchomiony licznik wprawia w ruch młotek, który rozbija butelkę z trucizną, a ta zabija kota. By przeprowadzić eksperyment, trzeba jeszcze założyć, że prawdopodobieństwo rozpadu umieszczonego w pudle atomu w czasie godziny wynosi ½. Dokładnej chwili rozbicia atomu nie potrafimy przewidzieć. Nie wiemy, co dzieje się w pudełku, a więc nie wiemy też, czy licznik został uruchomiony. Skoro nie wiemy, co dzieje się w pudełku, nie wiemy też, czy kot jest żywy, czy martwy. Jeśli rozpad nie będzie miał miejsca, zwierzę nadal będzie żywe. Dowiemy się tego dopiero w momencie otwarcia pudełka. Dopiero wtedy kot przyjmie jeden z dwóch możliwych stanów. Bez sensu? Zgadza się. Ale to fizyka kwantowa.

„Nie dowiesz się, dopóki nie otworzysz pudełka”

W świecie makro sytuacja jest prosta. Kot ma 50 procent szans na przeżycie. Jednak uzależnienie losu kota od tylko jednego atomu przenosi zwierzaka pod władzę fizyki kwantowej. A tu nic już nie jest proste. Tuż przed otwarciem pudła (czyli przed obserwacją i załamaniem funkcji falowej) nasz kot jest albo żywy, albo martwy. Kopenhaska interpretacja poucza nas, że aż do momentu obserwacji (w tym przypadku otwarcia pudełka) stan obiektu jest fundamentalnie nieokreślony, znajduje się równocześnie w każdym z możliwych stanów (superpozycja). Dopiero gdy dokonamy obserwacji, superpozycja ulegnie redukcji i zrealizuje się jeden stan: kot żywy albo kot martwy. To pomiar rozstrzygnie jego losy. Ile ma to wspólnego ze zdrowym rozsądkiem? Niewiele – i właśnie to chciał udowodnić Erwin Schrödinger.

Schrödinger sam padł ofiarą paradoksu

Zdrowy rozsądek zawodzi nas, bo takiego eksperymentu nie da się przeprowadzić w skali świata, w której żyjemy. Ale w skali kwantowej takie rzeczy to normalna sprawa. Schrödinger wymyślił eksperyment z kotem, by pokazać kuriozalność teorii kwantowej. Nie wierzył w jej poprawność, dostrzegając w niej paradoksy, mimo że jego prace walnie przyczyniły się do rozwoju tej teorii.

Rola eksperymentu na co dzień

Choć jest to eksperyment fizyczny, to swoje zastosowanie ma w wielu innych dziedzinach. A także w życiu codziennym, np. dopóki nie poznamy wyników loterii, to jednocześnie wygraliśmy i przegraliśmy. Dopóki nie pójdziemy na rozmowę kwalifikacyjną, to jednocześnie będzie ona udana i nieudana. Wyobraźmy sobie również, że znaleźliśmy walizkę i dopóki jej nie otworzymy, to nasze znaleźne będzie jednocześnie bardzo wartościowe oraz bezwartościowe. Brzmi bezsensownie, czyż nie? No cóż, człowiek przywykł do tego, aby irracjonalnym nazywać to, czego nie rozumie. I tak właśnie jest z fizyką kwantową.

Koty w innych eksperymentach

Choć eksperyment Schrödingera jest hipotetyczny, to nauka wykorzystuje koty od dawna. Badania stanu nieważkości, klonowanie, bioniczne protezy czy loty kosmiczne (pierwsza kotka o imieniu Felicette wyruszyła w przestrzeń pozaziemską w 1963 roku – wróciła, lecz niedługo potem została uśpiona). Choć badania służą rozwojowi nauki, to nierzadko są okrutne i traktują zwierzęta instrumentalnie. Eksperymenty farmaceutyczne czy neurologiczne są tego doskonałym przykładem. Zdecydowanie wolimy te, które nie odbywają się w prawdziwej rzeczywistości.

Co z tą fizyką?

Koncepcja ta jest zderzeniem klasycznych intuicji z dziwacznymi regułami fizyki kwantowej. Kot Schrödingera siedzi zamknięty w pudle już prawie 90 lat. Wraz z nim uwięziony jest młotek, trucizna i odrobina promieniotwórczej substancji. Dodatkowo wciąż nie do końca wiadomo, czy jest jeszcze żywy, czy już martwy. To nie jest wymarzona sytuacja dla mruczka – jednak czego nie robi się dla dobra i rozwoju nauki? Fizyka kwantowa, czyli mikroświat, jest teorią jeszcze niekompletną i niezrozumiałą. Nie tylko dla przeciętnego człowieka żyjącego w świecie makro, ale dla samych naukowców również. Na szczęście kiciuś jest postacią fikcyjną, a eksperyment odbywa się jedynie w naszych głowach. A Neil Gaiman w książce „Amerykańscy Bogowie” sugeruje, że jeśli naukowcy nie otworzą pudełka, by nakarmić kota, to niedługo paradoks rozwiąże się sam.

MAMY DLA CIEBIE PREZENT! Zapisz się do newslettera Koty.pl i już teraz odbierz za darmo e-book „Poznaj całą prawdę o kotach”

zdjęcie główne: Shutterstock

Autor: Nikoletta Parchimowicz
Array
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments