Eρμηνείες της κβαντoμηχανικής:
Ο Schrodinger και η γάτα του

Επιλογή άλλης ενότητας

Content on this page requires a newer version of Adobe Flash Player.

Get Adobe Flash player


6.2) Η «κβαντική γάτα» και η κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης

Γάτα του Schrodinger

Υπάρχουν όμως κι άλλοι τρόποι να κοιτάξουμε το ζήτημα της μέτρησης: Σε ποιο στάδιο των γεγονότων από το σωμάτιο στο φίλτρο, στην ανίχνευση [17], στο δηλητήριο, στη γάτα γίνεται η μέτρηση; Τι είναι παρατήρηση; Μια δική μου απορία ήταν «γιατί ο παρατηρητής να μην είναι η γάτα;». Η απάντηση που πήρα από πολλές πηγές ήταν ότι «η γάτα είναι μέρος του συστήματος». Όμως με ποιο «δικαίωμα» οριοθετούμε (αυθαίρετα;) τι είναι μέρος του συστήματος; Σε ποιο σημείο δίνει η κβαντική απροσδιοριστία τη θέση της στον κλασσικό ορισμό και πώς γίνεται αυτό;

Προκύπτει επίσης και το ερώτημα του τι σημαίνει κβαντική κατάσταση ενός σύνθετου αντικειμένου. Γιατί το να είναι νεκρή ή ζωντανή μια γάτα δεν είναι μία ενδογενή ιδιότητα των πρωταρχικών κβαντικών συστατικών της, αλλά μια ιδιότητα του τρόπου με τον οποίο αυτά τα συστατικά έχουν οργανωθεί ως σύνολο. Μια κβαντική κατάσταση της γάτας είναι μία ακριβής και πλήρης περιγραφή της κβαντικής κατάστασης του καθενός από τα σωματίδια μέσα στη γάτα. Αν ένα ηλεκτρόνιο της γάτας μεταβεί σε διαφορετική κατάσταση, τότε όλη η γάτα συλλογικά, μεταβαίνει σε διαφορετική κατάσταση. Υπάρχουν αναρίθμητες κβαντικές καταστάσεις που αντιστοιχούν όλες στην ίδια γάτα. Ακόμα και όταν η γάτα φαίνεται να μην κάνει τίποτα, η εσωτερική της κβαντική κατάσταση αλλάζει ακατάπαυστα. Όλες όμως οι κβαντικές καταστάσεις της γάτας χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: αυτές που αντιστοιχούν σε ζωντανές γάτες και σε αυτές που αντιστοιχούν σε νεκρές.

Ας δούμε πώς μπορούμε να φτιάξουμε, έστω μαθηματικά, μία πραγματική μισο-ζωντανή, μισο-πεθαμένη κβαντική κατάσταση της γάτας: Παίρνουμε μία κατάσταση από την ομάδα των πεθαμένων καταστάσεων της γάτας και μία από την ομάδα των ζωντανών καταστάσεων της γάτας και τις συνδυάζουμε μαθηματικά σε μία μοναδική κατάσταση υπέρθεσης η οποία περιέχει τις δύο πιθανότητες. Είναι το ανάλογο με το να συνδυάζουμε κβαντικές καταστάσεις φωτονίων με οριζόντιες και κάθετες πολώσεις ώστε να παρουσιάσουμε το φωτόνιο σε μία ενδιάμεση κατάσταση.

αναζητώντας τη γάτα του Schrodinger

Η μισο-οριζόντια - μισο-κάθετη κατάσταση πόλωσης του φωτονίου θα παραμείνει έτσι μέχρι να γίνει παρατήρηση. Οπότε θεωρητικά θα έπρεπε να μείνει έτσι και η μισο-ζωντανή, μισο-πεθαμένη κβαντική κατάσταση της γάτας. Ωστόσο τα πράγματα είναι πιο περίπλοκα εδώ, γιατί το ζωντανό μισό και το πεθαμένο μισό κομμάτι της γάτας εξελίσσονται ελεύθερα σε μία από τις μυριάδες άλλες ζωντανές ή πεθαμένες καταστάσεις τις οποίες είναι ελεύθερο το καθένα να πάρει. Και σαν να μην έφθανε αυτό, καθώς το πεθαμένο κομμάτι μεταβαίνει σε μια από τις άλλες πιθανές πεθαμένες καταστάσεις και το ζωντανό κομμάτι κάνει το αντίστοιχο, το καθένα κάνει τις μεταβάσεις του ανεξάρτητα από το άλλο.

Αυτό δημιουργεί ένα πρόβλημα γιατί, για να αναπαραστήσουμε μία αυθεντική μισο-ζωντανή - μισο-πεθαμένη κατάσταση της γάτας, πρέπει να υπάρχει μία συγκεκριμένη συμφωνία (coherence) στον τρόπο με τον οποίο οι δύο «γάτες» είναι «ενωμένες». Καθώς κάθε «μισό» κομμάτι εξελίσσεται, αυτή η συμφωνία χάνεται πολύ γρήγορα, έτσι ώστε η γάτα να συμπεριφέρεται όχι σαν να ήταν σε μία μισο-ζωντανή - μισο-πεθαμένη κατάσταση, αλλά σαν να ήταν είτε πεθαμένη είτε ζωντανή- όπως ακριβώς θα συμπεριφερόταν μία γάτα. Μιλώντας αυστηρά λοιπόν, δεν υπάρχει η δυνατότητα μια παρατήρηση να επιφέρει την «κατάρρευση της κυματοσυνάτησης» και την αλλαγή από «πεθαμένη και ζωντανή» γάτα σε «πεθαμένη ή ζωντανή». Στην πράξη είναι αδύνατο να κάνουμε ένα πείραμα το οποίο να βρίσκει τίποτα άλλο από μία γάτα η οποία θα είναι είτε πεθαμένη, είτε ζωντανή. Για όλους αυτούς τους λόγους, η γάτα είναι κλασσική.

Αυτή η διαδικασία της μετάβασης των συστατικών μίας «αναμεμιγμένης» κβαντικής κατάστασης (ενός μακροσκοπικού αντικειμένου) σε μη-συμφωνία (decoherence) υποδεικνύει πόσο δύσκολο είναι να κρατηθεί ένα σύνθετο αντικείμενο σε καθαρά κβαντικές καταστάσεις. Γιατί γίνονται αναρίθμητες αλληλεπιδράσεις, τόσο εσωτερικά όσο και από έξω. Εν κατακλείδι, ακόμη και αν δεχτούμε τη Κοπεγχάγεια ερμηνεία, μια μισο-ζωντανή - μισο-πεθαμένη γάτα είναι εξαιρετικά απίθανο να υπάρξει, παρ' ότι θεωρητικά δεν είναι αδύνατο. Και πάντως, φαίνεται αδύνατο να ανιχνευτεί.

Ένας άλλος τρόπος να προσεγγίσουμε το ζήτημα είναι να θεωρήσουμε ότι οι αλληλεπιδράσεις των ατόμων και των ηλεκτρονίων μέσα στη γάτα ισοδυναμούν με μία συνεχή αυτο-μέτρηση της κβαντικής κατάστασης. Να υποθέσουμε, δηλαδή, ότι δεν είναι η παρατήρηση που μετράει, αλλά οι ακατάπαυστες αλληλεπιδράσεις όλων των κβαντικών καταστάσεων σε μια γάτα που εμποδίζουν μια ξεχωριστή κατάσταση από το να παραμείνει σταθερή. Για αυτό κάθε μακροσκοπικό αντικείμενο θα πέφτει αναπόφευκτα σε κλασσική κατάσταση- ακόμα και αν η εσωτερική κβαντική κατάστασή του αλλάζει ακατάπαυστα και είναι απρόβλεπτη. Με άλλα λόγια οτιδήποτε μεγάλο είναι σίγουρο ότι θα μοιάζει με κλασσικό και όχι με κβαντικό αντικείμενο.

Θεωρίες κατάρρευσης (Collapse theories).

Το κεντρικό πρόβλημα που επιχειρούν να αντιμετωπίσουν οι θεωρίες κατάρρευσης είναι το πρόβλημα της κβαντικής μέτρησης. Υποστηρίζουν ότι δεν υπάρχουν καθαρά κβαντικές καταστάσεις που κάποια στιγμή καταρρέουν, αλλά ότι η κατάρρευση είναι ένα διαρκές φαινόμενο που συμβαίνει με συγκεκριμένο ρυθμό στη μονάδα του χρόνου και του όγκου. Π.χ. ένα σωματίδιο που όταν είναι σε κβαντική κατάσταση δεν είναι σαφώς εντοπισμένο, έχει την αυθόρμητη τάση να χάσει την κβαντική του κατάσταση και να μεταπέσει σε μια σαφώς εντοπισμένη, ανεξάρτητα από την ύπαρξη αλληλεπίδραης. Η τάση αυτή έχει στατιστικό χαρακτήρα, με μια κατανομή πιθανότητας τύπου «καμπάνας». Ο ρυθμός των εντοπισμένων κτυπημάτων (hittings) είναι έτσι καθορισμένος ώστε για ένα μεμονωμένο σωματίδιο η πιθανότητα εντοπισμού να είναι πάρα πολύ μικρή. Αντιθέτως, για ένα μακροσκοπικό σώμα που αποτελείται από τεράστιο αριθμό σωματιδίων, ο ρυθμός αυτός είναι έτσι τέτοιος ώστε πάντα το συντριπτικά μεγαλύτερο ποσοστό από αυτόν τον τεράστιο αριθμό να είναι εντοπισμένο. Γι' αυτό και τα μακροσκοπικά αντικείμενα τα βλέπουμε εντοπισμένα.

Η ερμηνεία του Penrose

Βλέπουμε λοιπόν πόσο δύσκολο είναι το ζήτημα που άνοιξε ο Schrodinger με την περίφημη γάτα του και ότι απαντήσεις που μπορεί να δοθούν δεν είναι απλή υπόθεση. Ας δούμε μία ακόμη ερμηνεία: Ο Penrose υποστηρίζει ότι οι υπερθέσεις διαφορετικών κβαντικών καταστάσεων δεν καταρρέουν λόγω της πράξης της μέτρησης, ή ακόμη και λόγω της αλληλεπίδρασης με το περιβάλλον. Πιστεύει ότι η διαδικασία συμβαίνει ακόμη και σε ένα απομονωμένο σύστημα μέσω μίας φυσικής διεργασίας που συνδέεται με τη φύση του χωροχρόνου. Η κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης, κατ' αυτόν, συμβαίνει λόγω των διαφορετικών γεωμετριών του χωροχρόνου σε κάθε κατάσταση της υπέρθεσης. Όταν η διαφορά στις γεωμετρίες γίνει κρίσιμη (όπως όταν το σωματίδιο εμπλακεί με το περιβάλλον του) η υπέρθεση γίνεται ασταθής και καταρρέει σε μία από τις πιθανές καταστάσεις. Ωστόσο κανείς δεν γνωρίζει τις λεπτομέρειες του μηχανισμού κατάρρευσης που προτείνει ο Penrose. Για να γίνει αυτό, θα έπρεπε να διαθέτουμε μία πλήρη θεωρία της κβαντικής βαρύτητας.

 

Υποσημειώσεις:

[17]: Το ότι το φωτόνιο χτύπησε το φίλτρο δεν σημαίνει ότι έγινε μια κβαντική μέτρηση;

  Δείτε τη συνέχεια: επόμενο
Ή μεταβείτε στην ενότητα:
Σφάλμα. Ο περιηγητής σας θα έπρεπε να δείχνει περιεχόμενο flash. Για να το δείτε παρακαλούμε εγκαταστείστε / ενεργοποιήστε το flash player.

Get Adobe Flash player

1 Η επίδραση των φιλοσοφικών πεποιθήσεων του Schrodinger στην ερμηνεία του για την κβαντική μηχανική
2 Η πρώιμη κυματομηχανική ερμηνεία του Schrοdinger
3 Η κριτική στην πρώιμη κυματομηχανική ερμηνεία του Schrοdinger
4 Άλλες ερμηνείες της περιόδου 1926-1927 και πειραματικά δεδομένα
5 Η εγκατάλειψη των κυματομηχανικών ερμηνειών
6 Συγκρίνοντας τις ερμηνευτικές προσεγγίσεις των Schrödinger και Bohr
7 Επιστημολογικά σχόλια στην ερμηνεία της Κοπεγχάγης
8 Η συμβολή του Schrödinger στην αντίδραση προς τη σχολή της Κοπεγχάγης
9 Η αναβίωση της κυματομηχανικής περιγραφής του Schrödinger, το 1935
10 Εισαγωγικές παρατηρήσεις για τους «ασκούς» που άνοιξε η γάτα του Schrodinge
11 Η «κβαντική γάτα» και η κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης
12 Η «κβαντική γάτα» και η ερμηνεία των πολλαπλών κόσμων
13 Πειραματικές απόπειρες δημιουργίας μιας «μικρής γάτας» του Schrodinger
14 Οι θέσεις του Schrοdinger για την κβαντομηχανική, ιδωμένες σήμερα