Den Schrödingers katt er et tankeeksperiment utviklet i 1935 av fysikeren Erwin Schrödinger å markere påståtte svakhetene i København tolkning av kvantefysikken , og spesielt fremheve problemet med målingen .
De kvantemekanikk er forholdsvis vanskelig å utforme fordi dens beskrivelse av verden er basert på amplitude sannsynlighet ( bølgefunksjoner ). Disse bølgefunksjonene kan være i lineær kombinasjon, noe som gir opphav til " overliggende tilstander ". Imidlertid vil kvanteobjektet bli funnet i en bestemt tilstand under en såkalt "måleoperasjon"; bølgefunksjonen gir sannsynligheten for å finne objektet i en slik eller en slik tilstand.
Det er målingen som forstyrrer systemet og får det til å forgrene seg fra en overlagret kvantetilstand (atom både intakt og oppløst for eksempel ... men med en sannsynlighet for oppløsning i et gitt tidsintervall som er perfekt bestemt) til en målt tilstand . Denne tilstanden eksisterer ikke på forhånd, det er målet som får det til å skje.
Begrepet måling eller bifurkasjon vises imidlertid ikke eksplisitt eller til og med indirekte i kvanteformalismen, og forsøk på å få til denne forestillingen kommer opp mot ekstreme vanskeligheter. Som et resultat gir noen fysikere ingen fysisk virkelighet til begrepet måling eller observasjon. For dem kollapser eller "forgrener" de overliggende statene seg ikke, og den målte tilstanden eksisterer faktisk ikke (se for eksempel: Hugh Everett ).
Det var for å få fram den paradoksale naturen til denne posisjonen og å stille problemet på en slående måte at Schrödinger forestilte seg dette tankeeksperimentet , også kjent som "Schrödinger-paradokset".
Erwin Schrödinger forestilte seg et tankeeksperiment der en katt er låst i en boks med en innretning som dreper dyret så snart det oppdager oppløsningen av et atom i en radioaktiv kropp; for eksempel: en radioaktivitetsdetektor av Geiger-typen , koblet til en bryter som forårsaker fall av en hammer som bryter et hetteglass med gift - Schrödinger foreslo hydrocyansyre , som kan låses i flytende form i et hetteglass med trykk og fordampe, bli en dødelig gass, en gang hetteglasset er ødelagt.
Hvis sannsynlighetene indikerer at et forfall har en sjanse til å ha funnet sted etter et minutt, indikerer kvantemekanikken at inntil observasjonen er gjort (eller mer presist at den ikke var det ingen reduksjon av bølgepakken ), atom er i en superposisjon av to tilstander: intakt og oppløst. Imidlertid kobler mekanismen forestilt av Erwin Schrödinger kattens tilstand (død eller levende) til tilstanden til radioaktive partikler, slik at katten også vil være i en superposisjon av stater (den døde tilstanden og den levende staten ), inntil åpning av boksen (observasjon) utløser valget mellom de to tilstandene. Derfor er det umulig å si om katten er død eller ikke etter ett minutt.
Hovedproblemet ligger derfor i det faktum at hvis man generelt er klar til å akseptere denne typen situasjoner for en partikkel, nekter sinnet å lett akseptere en situasjon som virker så unaturlig når det gjelder et emne, mer kjent som en katt.
Dette eksperimentet ble aldri gjennomført fordi:
Faktisk er målet fremfor alt å markere åndene: Hvis kvanteteorien tillater en katt å være både død og levende, er det enten at den er feil, eller at alle fordommer må vurderes på nytt.
I et brev datert 8. august 1935og adressert til Schrödinger , foreslår Einstein et tankeeksperiment hvor et kruttløp vil være i en superposisjon av stater fatet har eksplodert og fatet ennå ikke har eksplodert . Schrödinger svarer videre19. augustved å erstatte fatet med en katt som en enhet plasserer i en superposisjon av de døde og levende tilstandene . Fra da av brukte Einstein et pulverfat med en katt i nærheten. Schrödinger og Einstein mente at muligheten for den udøde katten viste at Max Bors tolkning av bølgefunksjonen var ufullstendig. " Hvilken løsning ?" Viser at denne situasjonen tydelig understreker kvantemekanikkens fremmedhet, men avviser ikke den.
Det er åpenbart at det faktum at den ortodokse tolkningen av kvantefysikk fører til en katt både død og levende, viser at kvantemekanikken overholder lover ofte i strid med vår intuisjon. Verre, vi innser at spørsmålet ikke er "hvordan er dette mulig i kvanteverdenen?" "Men" hvordan er det umulig i den makroskopiske verdenen? ".
Anekdotisk kan vi også spørre oss selv (dette gjør Étienne Klein i Det var syv ganger revolusjonen ) hvor valget av katten kommer fra for dette tankeeksperimentet. Sciences et Avenir , i et spesialnummer viet Schrödingers katt, antyder hypotesen om en referanse fra Schrödinger til Cheshire-katten .
Uttalelsen "Katten er død og i live" er virkelig forvirrende, og vår intuisjon forteller oss at setningene "katten er død" og "katten lever" er hver sin negasjon av den andre. Faktisk er det en tredje mulighet: katten kan være i en tilstand av superposisjon, der den akkumulerer flere inkompatible klassiske tilstander. Det er ikke noe logisk problem ( prinsippet om den ekskluderte tredjepart settes ikke i tvil), det er bare at et kvanteobjekt kan ha egenskaper som motsier vår daglige opplevelse.
For å unngå språkbruk på den " udøde katten ", kan vi foretrekke å si at katten er i en tilstand der de vanlige kategoriseringene (her liv eller død) mister sin betydning.
Men man kan, i likhet med Einstein, nekte å innrømme at katten ikke har noen bestemt tilstand før man ikke utfører en observasjon, og antar at hvis man ser den levende katten, har det gått siden han ble innesperret. Einstein forutså Niels Bohrs innvending "Den positivistiske mystikeren vil svare på at man ikke kan spekulere i kattens tilstand så lenge man ikke ser under påskudd av at den ikke ville være vitenskapelig".
Selv om vi innrømmer at kattens tilstand følger direkte fra partikkelen, fra et semantisk synspunkt, å si at katten er død og i live, er ikke helt legitimt: det er mer presist , hvis vi bruker notasjonsbraketten av Paul Dirac . Og igjen, koeffisientene foran vektorene "døde" og "levende" kan være komplekse tall. “Og” i hverdagsspråket gir ikke mening i denne situasjonen, det logiske “og” må omdefineres. Saken er ikke unik for kvantefysikken: Hvis koeffisienten , om katten er i live eller om han er død tilsvarer å spørre om, på 13 h 30 , timeviseren av en klokke er horisontal eller vertikal.
Det er nettopp Schrödinger-ligningen som autoriserer disse superposisjonene: denne ligningen, som styrer de mulige tilstandene til en partikkel som er studert innenfor rammen av kvantefysikken , er lineær , noe som innebærer at for to mulige tilstander av en partikkel er kombinasjonen av disse to tilstandene også en mulig tilstand. Observasjon tvinger derimot overgangen til en av disse to statene.
Forutsatt en direkte avhengighet mellom en partikkels tilstand og kattens liv - antydet av lineariteten til Schrödinger-ligningen - bør katten være i en overlappet tilstand, død og levende, til observasjon, noe som vil redusere den til en enkelt stat.
Ulike alternativer foreslår å løse dette paradokset:
En rekke kvanteteoretikere hevder at tilstanden til superposisjon bare kan opprettholdes i fravær av interaksjoner med miljøet som "utløser" valget mellom de to tilstandene (død eller levende). Dette er teorien om dekoherens . Bruddet er ikke forårsaket av en "bevisst" handling, som vi tolker som et "mål", men av fysiske interaksjoner med miljøet, slik at koherensen brytes desto raskere ettersom det er flere interaksjoner. I en makroskopisk skala, som milliarder av milliarder milliarder partikler, oppstår bruddet nesten øyeblikkelig. Med andre ord kan superposisjonstilstanden bare opprettholdes for veldig små gjenstander (noen få partikler). Dekoherens skjer uavhengig av tilstedeværelsen av en observatør, eller til og med av en måling. Det er derfor ikke noe paradoks : katten er i en bestemt tilstand lenge før esken åpnes. Denne teorien forsvares spesielt av fysikerne Roland Omnès og Jean-Marc Lévy-Leblond , av Nobelprisene Murray Gell-Mann og Serge Haroche (lyset avslørt, Odile Jacob 2020).
En variant av teorien om dekoherens forsvares spesielt av fysikerne Roger Penrose , Rimini, Ghirardi og Weber. Det starter med observasjonen at dekoherens bare blir demonstrert fra kvantelover i spesifikke tilfeller, og ved å gjøre forenklende antagelser og ha et vilkårlig innhold ("grovkornede" historier). Videre er kvantelovene fundamentalt lineære, og dekoherensen er ikke-lineær, og det å oppnå den andre fra den første virker veldig mistenksom i øynene til disse fysikerne. Kvantelover ville derfor ikke i seg selv kunne forklare dekoherens. Disse forfatterne introduserer derfor ytterligere fysiske parametere i kvantelover (tyngdekraften for eksempel for Penrose) for å forklare dekoherens, som alltid skjer uavhengig av tilstedeværelsen av en observatør, eller til og med av en måling.
Denne teorien har fordelen i forhold til den forrige at den gir et klart og objektivt svar på spørsmålet "hva som skjer mellom det mikroskopiske nivået og det makroskopiske nivået som forklarer dekoherensen". Ulempen er at disse tilleggsparametrene, selv om de er kompatible med kjente eksperimenter, ikke tilsvarer noen fullstendig og veletablert teori til dags dato.
Mange positivistiske fysikere , godt representert av Werner Heisenberg eller Stephen Hawking , mener at bølgefunksjonen ikke beskriver virkeligheten i seg selv, men bare det vi vet om den (denne tilnærmingen sammenfaller med filosofien til Immanuel Kant , noumenon , med andre ord ting i seg selv , i motsetning til fenomenet , tingen slik vi oppfatter det). Med andre ord er kvantelover bare nyttige for å beregne og forutsi resultatet av et eksperiment, men ikke for å beskrive virkeligheten. I denne hypotesen er kattens overliggende tilstand ikke en "ekte" tilstand, og det er ikke behov for å filosofere om den (derav den berømte frasen til Stephen Hawking "Når jeg hører" katten av Schrödinger ", tar jeg ut pistolen min" ). På samme måte har "kollapsen av bølgefunksjonen" ingen virkelighet, og beskriver ganske enkelt endringen i vår kunnskap om systemet. I denne tilnærmingen, som fremdeles er ganske utbredt blant fysikere, elimineres derfor paradokset.
Teorien om parallelle univers introdusert av Hugh Everett tar det motsatte av den positivistiske tilnærmingen og sier at bølgefunksjonen beskriver virkeligheten og hele virkeligheten. Denne tilnærmingen gjør det mulig å beskrive de to overliggende tilstandene hver for seg og gir dem en dobbel virkelighet som så ut til å ha forsvunnet, oppløst i paradokset (mer nøyaktig to virkeligheter i to helt parallelle universer - og utvilsomt ute av stand til å kommunisere med hverandre en gang totalt skille). Denne teorien avgjør ikke spørsmålet om det er en duplisering av virkeligheten ( mange-verdener ) eller en duplisering, i motsetning til observatører av den samme virkeligheten ( mange-sinn ), siden disse to mulighetene ikke utgjør noen forskjell.
Til tross for sin kompleksitet og tvil om tilbakevendbarheten , vinner denne teorien støtte fra mange fysikere, ikke overbevist av teorien om dekoherens, ikke positivister, og tror at kvantelovene er nøyaktige og fullstendige.
Katteparadokset har sin kilde i tolkningen vi gjør av kvanteoverstilling. En overlagt tilstand er matematisk bare en lineær kombinasjon av observerbare tilstander, to i tilfelle av det radioaktive atomet. Problemet oppstår fordi i den klassiske (makroskopiske) verden eksisterer disse overlappede tilstandene ikke eller i det minste har de aldri blitt observert. Vi observerer bare de to andre tilstandene, nøyaktig kalt observerbare stater. Det er litt som i spillet med kast eller haler, mynten som snurrer seg i luften, er i en superposisjon av haletilstanden og ansiktstilstanden før den blir målt, men på slutten av målingen er bare hodene eller haler vil bli observert. De Broglie-Bohm-teorien Fra løser katteparadokset på samme måte som ubestemmelsen av batteriet eller halene steg, og fullførte systembeskrivelsen.
For myntkast-spillet er det nødvendig å legge til de nøyaktige startbetingelsene (posisjonene og hastighetene til delen) for å bestemme hvilket ansikt som skal måles, og å vente på at målingen (tyngdekraften) tvinger delen til å "velge" mellom et kast eller en haler. De Broglie-Bohm-teorien Fra fortsetter på samme måte for å heve superposisjonen til det radioaktive atomet. Vi må legge til en startposisjon i det radioaktive atomet, dens bølgefunksjon er ikke nok til å fullstendig beskrive opplevelsen.
Selv om De Broglie-Bohm-teorien gjengir alle kjente kvantefenomener og ingen objektiv feil i denne teorien har blitt identifisert, er den relativt ukjent for fysikernes samfunn og lite på moten blant den. Det blir imidlertid sett på som et interessant eksempel, og til og med et paradigme for en teori med ikke-lokale skjulte variabler.
En 1963- Nobelpris i fysikk , Eugene Wigner , støtter oppgaven om samspillet mellom bevissthet , i dekoherens (opphør av superposisjon av staten). I denne tolkningen ville det ikke være en måling, eller fysiske interaksjoner, men observatørens bevissthet som til slutt ville "avgjøre" om katten er død eller i live. Når du ser gjennom vinduet, plasseres øyet (i dette tilfellet måleinstrumentet) i en superposisjon av tilstander:
Wigner sier ikke hvordan, men konsekvensene av hans posisjon er viktige: verdens materielle virkelighet vil bli bestemt av vår bevissthet, og dette er unikt (to menneskelige observatører må oppfatte det samme). Denne løsningen kan sees på som en variant av løsningen "med skjulte variabler", der "tilleggsparameteren" vil være bevissthet. Fordelene med denne løsningen er de samme som løsningen med skjulte variabler, ulempene er at den er basert på ikke-vitenskapelige forestillinger (i mangel av en vitenskapelig definisjon av bevissthet).
En interessant variant gjør resultatet enda mer spektakulært: et kamera tar et bilde av katten etter en time, så er rommet som inneholder katten forseglet permanent (koøyer lukket). Fotografering ville ikke bli utviklet før et år senere. Imidlertid er det først da en menneskelig samvittighet vil bestemme mellom kattens liv eller død. Ville nervesignalet gå tilbake i tid for å bestemme seg for kattens liv eller død? Det høres kanskje absurd ut, men Marlan Scullys eksperiment og EPR-paradokset illustrerer eksistensen av tilsynelatende tidstilbakemeldinger i kvantefysikk.
Hva om katten var observatør?I oppløsningen av Schrödingers katteparadoks anses det at katten ikke har noen bevissthet som lar den spille rollen som observatør. Vi postulerer derfor at eksperimentet med Schrödingers katt tilsvarer det med Einsteins pulverfat . De som synes det er motstridende å tenke på en katt som en ren gjenstand uten bevissthet, kan eksplisitt erstatte katten med pulverfat.
Hvis vi tvert imot ønsker å studere hva som skjer hvis observatøren er bevisst, erstatter vi katten med et menneske, eller vi legger til et menneske i kjeden, for å unngå tvister om at observatøren er bevisst. Dette er variantene av Wigner's Friend og Quantum Suicide.
Det skal forstås at tilfellene til bevisste observatører utgjør varianter av det opprinnelige problemet, mens de der observatøren ikke er bevisst er ekvivalente omformuleringer .
Wigners vennI denne varianten forestilt av Eugene Wigner , observerer en av vennene katten hele tiden gjennom et vindu. Denne vennen elsker katter.
Så superposisjonen til døde / levende kattestater vil føre til en superposisjon av triste / lykkelige Wigners vennstater, forutsatt at en bevisst observatør også kan settes i en overlagret tilstand. De fleste av de ovennevnte tolkningene konkluderer tvert imot at superposisjonen til stater ville bli brutt før den førte til Wigners venn.
Kvante selvmord foreslår at et menneske som er i stand til å spille rollen som observatør, tar kattens plass. Denne situasjonen utgjør et problem for tolkninger som spiller en rolle i bevisstheten, fordi vår modige frivillige bare kan være bevisst per definisjon av å være i live. Dette fører til nye spørsmål.
I motsetning til kattens tilfelle (ikke bevisst, la oss huske at i tilfelle tvil om dette emnet kan vi erstatte Schrödingers katt med Einsteins kruttønne), vil dette eksperimentet føre til forskjellige resultater avhengig av tolkningene. Det ville derfor gjøre det mulig å eliminere flere tolkninger hvis det ikke var upraktisk av mange åpenbare grunner.
Wigners tolkning fører til umuligheten av vår frivilliges død ... som derfor må forby atomets oppløsning.
I følge Wigner er det faktisk bevisstheten om en tilstand som forårsaker, direkte eller indirekte, kollapsen av bølgefunksjonen. Ettersom bevissthet bare er mulig i den "levende" saken, gjør dette det umulig for bølgefunksjonen å kollapse i den "døde" tilstanden (i alle fall så lenge det ikke er en "venn" av Wigner å bli klar over staten. av eksperimentatoren).
Hva skjer når sannsynligheten for forfall nærmer seg 1? Inntil når vil atomer være enige om ikke å gå i oppløsning fordi et menneske ikke kan være klar over sin egen død?
Tilfellet med "kvante-selvmord" ble opprinnelig forestilt for å motvirke denne tolkningen.
Denne tolkningen får også bevissthet til å spille en rolle, fordi den foreskriver at ved hver observasjon "splittes" bevissthet i så mange universer som det er fysisk mulige observasjoner ...
I denne tolkningen er det alltid minst ett univers der eksperimentatoren lever (med mindre sannsynligheten for å dø er 100%). Man kan derfor lure på om "bevissthet" ikke systematisk forgrener seg til universet med resultatet "levende", noe som fører til en slags "kvanteudødelighet"; forfatteren og skuespilleren Norbert Aboudarham broderte skuespillet Schrödinger's Cat rundt dette temaet .
Løsningstreet til måleproblemet | |||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Kvanteteori | |||||||||||||||||
Er ikke ment å representere virkeligheten | Representerer ikke fullt ut virkeligheten | Fullstendig representerer virkeligheten | |||||||||||||||
Positivisme | Modifiserte kvantelover | Innflytelse av bevissthet | Tillegg av en ekstra variabel: posisjonen | Kvantadekoherens | Flere universer | ||||||||||||
Stephen Hawking Niels Bohr |
Roger penrose | Eugene Wigner | De Broglie-Bohm teori |
Roland Omnès Murray Gell-Mann James Hartle |
Hugh Everett David Deutsch |
||||||||||||
Giancarlo Ghirardi Alberto Rimini Wilhelm Eduard Weber |
John von Neumann Fritz London og Edmond Bauer |
John bell |
Hans-Dieter Zeh Wojciech Zurek |
||||||||||||||
Bernard d'Espagnat Olivier Costa de Beauregard |
Uansett har dette tankeeksperimentet og det tilhørende paradokset i dag fått verdien av sentrale symboler for kvantefysikk . Enten de tjener til å støtte et aspekt av denne teorien eller om de tjener til å forsvare et divergerende teoretisk alternativ, blir de kalt til unnsetning nesten hver gang den vanskelige konvergensen mellom makroskopisk virkelighet og mikroskopisk virkelighet (en situasjon som er karakteristisk for kvanteverdenen) blir observert. eller antatt.
Denne udøde katten kan høres ut som et gal tankeeksperiment, men det er en god introduksjon til kvantemekanikkens forviklinger. Det er også viktig å merke seg at det er nettopp på mestring av tilstandene til superposisjon og dekoherens (og derfor løsningen på dette paradokset) at realiseringen av en kvantecomputer avhenger.
Hvis vi ikke kan sette en katt i en superposisjon av uforenlige tilstander, kan vi på den annen side gjøre det med enkle partikler. De mest brukte er fotoner. Et første eksperiment ble utført i 1996, og et annet ble utført i august 2007 på fotoner av forskere fra Paris Sud optiske institutt (inkludert franskmannen Philippe Grangier ).
Vi snakker om "kattestatus" for å si at et kvanteobjekt er i en superposisjon av uforenlige tilstander.
Schrödingers katt, i en så spesiell tilstand, tok opp mange vitser. For det første blir han ofte presentert som et spøkelse , siden han er død og lever samtidig. Som det aldri har blitt observert, tegnet fysikere forskningsmerker: “WANTED! Schrödingers katt. Død og levende ”.
Og noen ganger, for å være strengere: “WANTED! Schrödingers katt. Død, levende eller ”.
Det er også noen ganger skrevet som chat n ' er ikke død, med dristige ord blinke.
Noen bemerket at Schrödinger ga det nye ordtaket " nysgjerrighet drept katten " ( "nysgjerrighet drepte katten" ) når åpningen av boksen vi dreper katten (eller ikke ).
"- Katten vil dø når det ikke er mer luft?"
- Jeg tror han kan dø, ja, sir, svarte betjent Albert. Men etter min mening er det ikke det viktige. Hvis jeg forstår riktig, vil du ikke vite om katten er død eller i live før du har sett.
- Vi ville være i vakre skjul, Albert, ja, jeg visste ikke hvordan jeg skulle gjenkjenne de døde i live uten å se nærmere på.
- Uh ... Teoretisk sett, det er selve faktumet å se som avgjør om det er levende eller ikke.
Døden så sjokkert ut.
- Foreslår du at jeg skal drepe katten bare ved å se på den?
- Det er egentlig ikke det, sir.
- Jeg mener, det er ikke slik at jeg lager ansikter, sånne ting. "