Schrödingers katt: Tankeexperimentet som förklarar kvantmekanik
Schrödingers katt: Förstå tankeexperimentet som illustrerar kvantmekanikens paradoxer — superposition, observationens roll och dess betydelse för modern fysik.
Schrödingers katt är ett tankeexperiment om kvantfysik. Erwin Schrödinger föreslog det 1935 som en reaktion på Köpenhamnstolkningen av kvantfysiken.
Schrödinger skrev:
Man kan till och med skapa ganska löjliga fall. En katt låses in i en stålkammare tillsammans med följande anordning (som måste säkras mot direkta störningar från katten): i en Geigerräknare finns en liten bit radioaktivt ämne, så liten att kanske bara en av atomerna sönderfaller under loppet av en timme, men också, med lika stor sannolikhet, kanske ingen; om det händer, urladdas räknarröret och genom ett relä frigörs en hammare som krossar en liten flaska med cyanväte. Om man har lämnat hela detta system åt sig självt i en timme skulle man säga att katten fortfarande lever om ingen atom under tiden har sönderfallit. Hela systemets psi-funktion skulle uttrycka detta genom att den levande och döda katten (ursäkta uttrycket) blandas eller smetas ut i lika delar.
Det är typiskt för dessa fall att en obestämdhet som ursprungligen var begränsad till den atomära domänen omvandlas till en makroskopisk obestämdhet, som sedan kan lösas genom direkt observation. Detta hindrar oss från att så naivt acceptera en "suddig modell" för att representera verkligheten som giltig. I sig själv skulle den inte förkroppsliga något oklart eller motsägelsefullt. Det finns en skillnad mellan ett skakigt eller oskarpt foto och en ögonblicksbild av moln och dimbankar.
- Erwin Schrödinger, Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik (Den nuvarande situationen inom kvantmekaniken), Naturwissenschaften
(översatt av John D. Trimmer i Proceedings of the American Philosophical Society)
Schrödinger hävdade att om man placerar en katt och något som kan döda katten (en radioaktiv atom) i en låda och förseglar den, kan man inte veta om katten är död eller levande förrän man öppnar lådan, vilket innebär att katten (på sätt och vis) är både "död och levande" tills lådan öppnas. Detta används för att visa hur vetenskaplig teori fungerar. Ingen vet om en vetenskaplig teori är rätt eller fel förrän teorin kan testas och bevisas.
Fysiken kan delas in i två typer: klassisk fysik och kvantmekanik. Klassisk fysik förklarar de flesta fysiska interaktioner, till exempel varför en boll studsar när den faller. Den kan också användas för att förutsäga fysiska interaktioner, till exempel vad som kommer att hända när du släpper en boll. Det finns dock vissa fysiska interaktioner som den inte förklarar, till exempel hur ljus kan omvandlas till elektricitet. Kvantmekaniken är ett sätt för fysikerna att förklara varför dessa saker händer.
Köpenhamnstolkningen används för att förklara vad som händer med den minsta delen av en atom (en subatomär partikel) utan att titta på den (observera eller mäta den). Matematik används för att visa hur sannolikt det är att något händer med partikeln. En partikel kan beskrivas som att det är 50 % troligt att den befinner sig på en plats vid en viss tidpunkt eller 50 % troligt att den befinner sig på en plats vid en annan tidpunkt. Detta kan också uttryckas som ett diagram (eller en vågform). Detta är mycket praktiskt när man gör kvantfysikaliska beräkningar.
Det enda sättet att vara 100 procent säker på var en partikel befinner sig är att observera den. Fram till dess att du observerar den säger Köpenhamnstolkningen att partikeln finns där och inte finns där. Det är först när du observerar partikeln som du vet om den är där eller inte.
Detta är logiskt inom kvantfysiken, men inte inom den klassiska fysiken (den verkliga världen).
Schrödinger ville visa att detta sätt att tänka på kvantmekaniken skulle leda till absurda situationer. Han utformade ett tankeexperiment.
En katt placeras i ett rum som är avskilt från omvärlden.
En Geigerräknare som räknar mängden radioaktivt sönderfall och en liten mängd av ett radioaktivt ämne finns i rummet.
Inom en timme kan en av atomerna i det radioaktiva materialet sönderfalla (eller brytas ner eftersom materialet inte är stabilt) eller inte.
Om materialet bryts ner kommer det att frigöra en atompartikel som träffar geigermätaren, som frigör giftgas som dödar katten.
Frågan är nu: är katten levande eller död när timmen är slut? Schrödinger säger att enligt Köpenhamnstolkningen är katten både död och levande så länge dörren är stängd. Det finns inget sätt att veta förrän dörren öppnas. Men genom att öppna dörren stör personen experimentet. Personen och experimentet måste beskrivas med hänvisning till varandra.
Genom att titta på experimentet har personen påverkat experimentet och därför kanske det inte ger oss det rätta svaret.
Tankeexperimentet uppfanns av Schrödinger för att visa hur dumt det är att tänka på kvanttillstånd för stora objekt. Det har också refererats många gånger i populärkulturen.
Vad visar tankeexperimentet egentligen?
Schrödingers katt illustrerar två centrala problem i kvantmekaniken:
- Begreppet superposition: ett kvantsystem kan beskrivas som en kombination (superposition) av flera möjliga tillstånd tills en mätning sker.
- Mätproblemet: hur och varför övergår en kvantbeskrivning (en vågfunktion med flera möjligheter) till ett enda observerbart tillstånd när någon mäter systemet?
I experimentet är inte själva idén att katten bokstavligen befinner sig i ett "levande-och-dött" tillstånd på samma sätt som två fysiska tillstånd kan existera samtidigt i vardagen. Istället visar det att, enligt en enkel tillämpning av kvantreglerna, skulle hela det makroskopiska systemet (atom + mätare + gift + katt) kunna beskrivas av en sammanflätad vågfunktion som innehåller båda möjligheterna.
Köpenhamnstolkningen och andra tolkningar
Köpenhamnstolkningen säger i praktiken att vågfunktionen "kollapsar" till ett av de möjliga utfallen vid mätning. Detta är vad Schrödinger ville kritisera: om man tillämpar samma logik på makroskopiska objekt uppstår obehagliga paradoxala bilder.
Andra tolkningar hanterar paradoxen annorlunda:
- Many-Worlds (många världar): inget kollapsar — varje möjligt utfall sker i en egen "värld" eller gren, så i en värld är katten levande och i en annan död.
- De Broglie–Bohm (pilotvåg): partiklar har alltid bestämda positioner, och vågfunktionen styr deras rörelse; ingen macrokollaps behövs.
- Objektiv kollapsteori: vågfunktionen kollapsar spontant när systemet når en viss storlek eller komplexitet.
Decoherence — varför vi inte ser levande/döda-katter
En viktig modern förklaring heter dekoherens. Ett makroskopiskt objekt som en katt interagerar konstant med omgivningen (luft, fotoner, värme). Dessa växelverkningar förstör snabbt de kvantmekaniska fasrelationerna som krävs för att behålla en tydlig superposition. Resultatet blir att superpositionens "kvantiska tecken" försvinner mycket snabbt, och systemet uppträder som om det vore i ett av de klassiska tillstånden. På så sätt försvinner den praktiska möjligheten att observera en katt som är i en simultan levande-och-död superposition.
Experimentell realisering och "kattstater"
Schrödingers tankeexperiment var precis det — ett tankeexperiment — men forskare har ändå lyckats skapa "kattliknande" superpositioner i mycket kontrollerade kvantsystem:
- I kvantoptik har man skapat superpositioner av olika ljustillstånd (så kallade "Schrödinger-katt-states") — koherenta tillstånd som är i en superposition av två faser.
- I supraledande kretsar och mikrovågsresonatorer har forskare skapat robusta superpositioner som kallas logiska katttillstånd för kvantberäkning.
Dessa experiment visar hur kvantprinciper kan skalas upp en bit, men de är fortfarande långt ifrån att ha en verklig katt i en superposition — eftersom de använder extremt isolerade, välkontrollerade och små system där dekoherens kan hanteras.
Varför är Schrödingers katt viktig?
- Den konkretiserar ett abstrakt problem: mätproblemet blir lättare att diskutera när man tänker på en katt.
- Den visar gränsen mellan kvantvärlden och vår klassiska vardagsvärld och varför vi sällan ser kvantfenomen i makroskopiska objekt.
- Den har inspirerat filosofisk och vetenskaplig debatt om verklighetens natur och tolkningen av sannolikhet i kvantfysiken.
Sammanfattning
Schrödingers katt är inte en uppmaning att tro att en katt faktiskt kan vara samtidigt levande och död i vardaglig mening. Det är ett tankeexperiment skapat för att belysa problem i hur kvantteorin tolkas när den appliceras på större, komplexa system. Modern forskning med begrepp som dekoherens och experimentella "kattstater" har gett djupare förståelse för varför vi upplever en klassisk värld trots att den underliggande fysiken är kvantmekanisk.
Kattfigur i naturlig storlek i trädgården på Huttenstrasse 9 i Zürich, där Erwin Schrödinger bodde 1921-1926. Beroende på ljusförhållandena verkar katten antingen levande eller död.
En katt med en Geigerräknare och lite gift i en förseglad låda. Kvantmekaniken säger att katten efter ett tag är både levande och död. En person som tittar i lådan kommer antingen att finna katten levande eller död, men den antas vara både levande och död innan du tittar i lådan.
Relaterade sidor
Frågor och svar
F: Vad är Schrödingers katt?
S: Schrödingers katt är ett tankeexperiment om kvantfysik som Erwin Schrödinger föreslog 1935 som en reaktion på Köpenhamnstolkningen av kvantfysiken. Det handlar om ett hypotetiskt scenario där en katt placeras i en stålkammare med en anordning som innehåller radioaktivt material och som potentiellt skulle kunna döda katten. Frågan som ställs i experimentet är om katten kommer att vara levande eller död när lådan öppnas.
F: Vad säger Köpenhamnstolkningen om partiklar?
S: Köpenhamnstolkningen säger att det är omöjligt att veta med säkerhet vilket tillstånd en partikel kommer att vara i förrän den har observerats, så före observationen kan den sägas existera i båda tillstånden samtidigt.
F: Hur demonstrerade Schrödinger detta koncept?
S: Schrödinger demonstrerade detta koncept genom sitt tankeexperiment med en katt som placerades i en förseglad låda med radioaktivt material. Han föreslog att man inte skulle veta om katten var död eller levande förrän lådan öppnades, så att den fram till dess skulle existera i båda tillstånden samtidigt.
F: Vilka är de två typer av fysik som nämns i denna text?
S: Två typer av fysik som nämns i denna text är klassisk fysik och kvantmekanik. Den klassiska fysiken förklarar de flesta fysiska interaktioner och kan förutsäga fysiska interaktioner medan kvantmekaniken ger en förklaring till vissa fysiska interaktioner som den klassiska fysiken inte kan förklara.
F: Hur påverkar observation av något ett experiment?
S: Att observera något kan påverka ett experiment eftersom man när man observerar ett experiment kan störa dess resultat på grund av sin närvaro och sina handlingar under observationen. Detta innebär att alla resultat som erhålls från ett sådant experiment inte nödvändigtvis återspeglar verkligheten exakt eftersom de har påverkats av yttre faktorer.
F: Vad avses med "psi-funktion"?
S: Med psi-funktion avses matematiska ekvationer som används för att beskriva hur sannolikt det är att något händer inom kvantmekaniken utan att man faktiskt tittar på det (observerar det).
Sök