Γάτα του Σρέντινγκερ

Η γάτα του Σρέντινγκερ: Μια γάτα, μια φιάλη με δηλητήριο και μια ραδιενεργη πηγή τοποθετούνται σε σφραγισμένο κουτί. Αν ο εσωτερικός ελεγκτής ανιχνεύσει ραδιενέργεια (π.χ. μια διάσπαση ατόμου), η φιάλη θρυμματίζεται, ελευθερώνοντας το δηλητήριο που σκοτώνει τη γάτα. Η θεώρηση της Κοπεγχάγης για τη κβαντομηχανική υπονοεί ότι μετά από λίγο, η γάτα είναι ταυτόχρονα ζωντανή και νεκρή. Όμως, όταν κάποιος κοιτάει στο κουτί, την βλέπει είτε ζωντανή είτε νεκρή, αλλά ποτέ και ζωντανή και νεκρή. Αυτό εγείρει το ερώτημα, πότε μια κβαντική υπέρθεση σταματάει και η πραγματικότητα καταρρέει στη μια πιθανότητα ή στην άλλη.

Το κβαντομηχανικό παράδοξο της "γάτας του Schrödinger" σύμφωνα με την πολυπραγματική ερμηνεία του Hugh Everett. Σύμφωνα με αυτήν την θεωρητική ερμηνεία, κάθε γεγονός αποτελεί κόμβο-βρόχο διακλάδωσης· η γάτα είναι συνάμα ζωντανή και νεκρή, πριν καν ανοιχθεί το κουτί, αλλά η μεν «ζωντανή» και η δε «νεκρή» γάτα βρίσκονται σε διαφορετικά αλλά εξίσου πραγματικά σύμπαντα, που όμως δεν επικοινωνούν μεταξύ τους. Αξίζει να σημειωθεί ότι στην πραγματικότητα η γάτα δεν έχει συγχρονισμένες ή ελεγχόμενες κβαντικές ιδιότητες όπως ομογενώς συντονισμένη ατομική ταλάντωση, ούτε το κουτί της είναι μαγνητικά μονωμένο απ' τον γύρω κόσμο άρα το παράδειγμα δεν ισχύει υπό αυτές τις συνθήκες διότι βασίζεται στον εσφαλμένο διαχωρισμό παρατηρητή και πειράματος (σφάλμα του Niels Bohr και της κβαντομηχανικής ερμηνείας της Κοπεγχάγης - βλ. κατάρριψή του απ' τον Steven Weinberg). Το πείραμα διαφορετικών εναλλακτικών σε σχέση με τον παρατηρητή ίσως ισχύει (δεν συμφωνούν οι περισσότεροι ότι το κουτί αλλάζει κάτι) για άτομα ή μακροσκοπικά αντικείμενα συντονισμένης ατομικής ταλάντωσης ή όταν υπάρχει απόλυτη μονώση-θωράκιση από τον γύρω χώρο όμως η σύγχρονη θεώρηση δεν διαχωρίζει τον παρατηρητή από το πείραμα ανά "επισύμπαν", άρα η χρήση κουτιού είναι εσφαλμένη και περιττή, χωρίς αυτό να αποκλείει την πολυπραγματικότητα. Άλλη εσφαλμένη θεώρηση στην οποία βασίζεται το "νοητικό πείραμα της γάτας του Schrödinger" είναι η ασαφής-αόριστη χρήση του όρου παρατήρηση αντί των όρων αλληλεπίδραση/κρούση σωματιδίου σε σωματίδιο κι άρα μεταβολή των κυματοσυναρτήσεών τους. Στην αοριστολογία αυτή βασίζονται εσφαλμένες και μεταφυσικές ερμηνείες της κβαντικής μηχανικής, μαθηματικά όμως δεν προκύπτει κάτι παράδοξο, μεταφυσικό ή ανθρωποκεντρικό.

Η γάτα του Σρέντινγκερ, ένα νοητικό πείραμα, που χαρακτηρίζεται και ως παράδοξο, επινοήθηκε από τον Αυστριακό φυσικό Έρβιν Σρέντινγκερ (Erwin Schrödinger) το 1935. Αναπαριστά αυτό που είδε ως το πρόβλημα στην ερμηνεία της Κοπεγχάγης για την κβαντομηχανική στην εφαρμογή της σε καθημερινά αντικείμενα. Το σενάριο παρουσιάζει μια γάτα, η οποία μπορεί να είναι ταυτόχρονα ζωντανή και νεκρή, με την κατάστασή της να συνδέεται με προηγούμενο τυχαίο γεγονός. Το νοητικό πείραμα συναντάται συνήθως σε θεωρητικές συζητήσεις για τις ερμηνείες της κβαντομηχανικής. Κατά την ανάπτυξη αυτού του πειράματος ο Σρέντινγκερ επινόησε τον όρο κβαντική διεμπλοκή.

Το νοητικό πείραμα

Σύμφωνα με τον Σρέντινγκερ:

Κάποιος μπορεί να κατασκευάσει αρκετά γελοίες περιπτώσεις. Μια γάτα κλειδώνεται σε ένα ατσάλινο θάλαμο, μαζί με την εξής διάταξη (η οποία βρίσκεται με ασφάλεια εκτός εμβέλειας της γάτας): σε έναν μετρητή γκάιγκερ υπάρχει μια ελάχιστη ποσότητα ραδιενεργής ουσίας, τόσο μικρής, που κατά τη διάρκεια μιας ώρας ένα από τα άτομα διασπάται, αλλά επίσης ισοπίθανα, ίσως και όχι. Αν συμβεί αυτό ο μετρητής ενεργοποιείται και μέσω ενός διακόπτη (ρελέ) απελευθερώνει ένα σφυρί που σπάει μια μικρή φιάλη με υδροκυάνιο. Αν κάποιος αφήσει αυτό το σύστημα μόνο του για μια ώρα, μπορεί να υποθέσει ότι η γάτα είναι ακόμα ζωντανή, εάν στο μεταξύ δεν έχει διασπαστεί κάποιο άτομο. Η κυματοσυνάρτηση του συστήματος μπορεί να το εκφράσει, αν υπάρχει σε αυτή και η ζωντανή και η νεκρή γάτα (συγχωρήστε μου την έκφραση) αναμεμιγμένες ή διάχυτες εξίσου.

Κλασικά τέτοιες περιπτώσεις απροσδιοριστίας αρχικά περιορισμένες στο ατομικό επίπεδο, μετασχηματίζονται σε μακροσκοπικές απροσδιοριστίες, οι οποίες μπορούν να επιλυθούν με απευθείας παρατήρηση. Αυτό μας εμποδίζει από το να δεχτούμε έτσι αφελώς ένα "θολό μοντέλο" που αναπαριστά την πραγματικότητα. Από μόνο του δεν συμπεριλαμβάνει τίποτα ασαφές ή αντιφατικό. Υπάρχει διαφορά μεταξύ μιας κουνημένης και "out-of-focus" φωτογραφίας και μεταξύ ενός στιγμιότυπου σύννεφων και ομίχλης.

— Erwin Schrödinger, Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik (The present situation in quantum mechanics), Naturwissenschaften
(translated by John D. Trimmer in Proceedings of the American Philosophical Society)

Το περίφημο νοητικό πείραμα του Σρέντινγκερ θέτει το ερώτημα, "πότε ένα κβαντικό σύστημα σταματάει να υπάρχει σε μια κβαντική υπέρθεση καταστάσεων και γίνεται το ένα ή το άλλο;" (Πιο τεχνικά, πότε μια πραγματικά κβαντική κατάσταση σταματά να είναι γραμμικός συνδυασμός καταστάσεων, που παριστούν διαφορετικές κλασικές καταστάσεις και αντ' αυτού αρχίζει να έχει μοναδική κλασική συμπεριφορά;) Αν η γάτα επιζεί, θυμάται μόνο ότι ήταν ζωντανή. Αλλά επεξηγήσεις του παράδοξου EPR που είναι συνεπείς με την κλασική μικροσκοπική κβαντομηχανική απαιτούν ότι μακροσκοπικά αντικείμενα, όπως οι γάτες και οι φορητοί υπολογιστές, δεν έχουν πάντα μοναδική κλασική περιγραφή. Το νοητικό πείραμα απεικονίζει αυτό το φαινομενικό παράδοξο. Η διαίσθησή μας προστάζει ότι κανένας παρατηρητής δε μπορεί να βρίσκεται σε μίξη καταστάσεων, όμως η γάτα, όπως φαίνεται από το νοητικό πείραμα, μπορεί να είναι αυτή η μίξη. Χρειάζεται η γάτα να γίνει παρατηρητής, ή από μόνη της η ύπαρξη σε μια καλά καθορισμένη κλασική κατάσταση απαιτεί κάποιον εξωτερικό παρατηρητή; Κάθε εναλλακτική λύση φαίνεται παράλογη για τον Άλμπερτ Αϊνστάιν, ο οποίος εντυπωσιάστηκε από την ικανότητα του νοητικού πειράματος να τονίζει αυτά τα θέματα. Σε γράμμα του προς τον Σρέντινγκερ το 1950, έγραψε:

Είσαι ο μοναδικός σύγχρονος φυσικός, πέραν του Λάουε, ο οποίος μπορεί να δει ότι κάποιος δε μπορεί απλά να προσπεράσει την υπόθεση της πραγματικότητας, αν θέλει είναι ειλικρινής. Οι περισσότεροι δε βλέπουν το επικίνδυνο παιχνίδι που παίζουν με την πραγματικότητα-πραγματικότητα ως κάτι ανεξάρτητο από αυτό που είναι πειραματικά καθιερωμένο. Η ερμηνεία τους, ωστόσο, αντικρούεται τόσο κομψά από το δικό σου σύστημα του ραδιενεργού ατόμου + ενισχυτή + πυρίτιδα + γάτα στο κουτί, στο οποίο η κυματοσυνάρτηση του συστήματος περιέχει και την ζωντανή γάτα και την κομματιασμένη. Κανένας δε μπορεί να αμφιβάλει ότι η παρουσία ή απουσία της γάτας, είναι κάτι ανεξάρτητο της πράξης του παρατηρητή.

Αίσθηση προκαλεί το γεγονός ότι η πυρίτιδα δεν αναφέρεται στον μηχανισμό του Σρέντινγκερ, ο οποίος χρησιμοποιεί μετρητή Γκάιγκερ ως ενισχυτή και υδροκυάνιο ως πυρίτιδα. Η πυρίτιδα αναφέρθηκε στην αρχική υπόθεση του Σρέντινγκερ 15 χρόνια νωρίτερα και προφανώς ο Αϊνστάιν το συνέχισε στην τωρινή συζήτηση. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι ο Αϊνστάιν όχι μόνο ποτέ δεν συμπάθησε την κβαντική μηχανική αλλά βάσει των πειραματικών αποδείξεων του θεωρήματος του Μπελ (John Stewart Bell) η άποψη του Αϊνστάιν περί κβαντικής σύμπλεξης αποδείχθηκε θεμελιωδώς λάθος.

Αντίλογος

"Πράγματι, η θέση και η ταχύτητα ενός ηλεκτρονίου δεν είναι δυνατό να καθοριστούν την ίδια χρονική στιγμή, αλλά κάτι τέτοιο σημαίνει απλώς ότι αυτές δεν είναι οι κατάλληλες ποσότητες που πρέπει να χρησιμοποιούμε για την περιγραφή του. Αυτό που χαρακτηρίζει το ηλεκτρόνιο ή οποιοδήποτε σύνολο σωματιδίων κάθε χρονική στιγμή είναι μια κυματοσυνάρτηση. Αν υπάρχει ένας άνθρωπος που παρατηρεί τα σωματίδια, τότε η κατάσταση ολόκληρου του συστήματος, συμπεριλαμβανομένου του παρατηρητή, περιγράφεται από μια ενιαία κυματοσυνάρτηση."
Steven Weinberg, Όνειρα για μια Τελική Θεωρία, 1995 - κάτοπτρο (Dreams of a Final Theory, 1992 - Pantheon Books) (ISBN 9607023943)/(ISBN 9780679744085)