In 1935 - twee jaar na het winnen van de Nobelprijs voor zijn bijdragen aan de kwantumfysica - stelde de Oostenrijkse fysicus Erwin Schrödinger het beroemde gedachte-experiment voor dat bekend staat als de kattenparadox van Schrödinger .
Wat is Schrödinger's Cat Paradox?

De paradox is een van de meest bekende dingen over kwantummechanica in de populaire cultuur, maar het is niet alleen een surrealistische en grappige manier om te beschrijven hoe de quantum wereld gedraagt zich, het raakt eigenlijk een belangrijke kritiek op de dominante interpretatie van de kwantummechanica.

Het blijft bestaan omdat het het absurde idee van een gelijktijdig levende en dode kat voorstelt, maar het heeft een filosofisch gewicht omdat, in een zin, dit is echt iets dat kwantummechanica zou kunnen suggereren dat mogelijk is.

Schrödinger kwam om precies deze reden met het gedachte-experiment. Net als vele andere natuurkundigen was hij niet helemaal tevreden met de Kopenhagen-interpretatie van de kwantummechanica en zocht hij naar een manier om wat hij zag als de centrale fout daarin over te brengen als een manier om de werkelijkheid te beschrijven.
De interpretatie van Kopenhagen van kwantummechanica

De Kopenhagen-interpretatie van kwantummechanica is nog steeds de meest geaccepteerde poging om te begrijpen wat kwantumfysica eigenlijk betekent in fysieke zin.

Het zegt in wezen dat de golffunctie (die de toestand van een deeltje beschrijft) en de Schrödinger-vergelijking (die u gebruikt om de golffunctie te bepalen) vertellen u alles wat u kunt weten over een kwantumtoestand. Dit klinkt in het begin misschien redelijk, maar dit impliceert veel dingen over de aard van de werkelijkheid die bij veel mensen niet goed zitten.

De golffunctie van een deeltje verspreidt zich bijvoorbeeld over de ruimte, en dus de Kopenhagen interpretatie geeft aan dat een deeltje geen definitieve locatie heeft totdat een meting is uitgevoerd.

Wanneer u een meting uitvoert, zorgt u ervoor dat de golffunctie instort en het deeltje onmiddellijk in een van verschillende mogelijke toestanden valt, en dit kan alleen worden voorspeld in termen van een waarschijnlijkheid.

De interpretatie zegt dat kwantumdeeltjes geen waarden hebben van waarneembare waarden zoals positie, momentum of spin totdat een waarneming is verricht
. Ze bestaan in een reeks potentiële staten, in wat een "superpositie" wordt genoemd, en kunnen in wezen als allemaal tegelijk worden beschouwd, hoewel gewogen om te erkennen dat sommige staten waarschijnlijker zijn dan andere.

Sommige neem deze interpretatie strenger dan andere - de golffunctie kan bijvoorbeeld eenvoudig worden gezien als een theoretisch construct waarmee wetenschappers de resultaten van experimenten kunnen voorspellen - maar dit is in grote lijnen hoe de interpretatie de kwantumtheorie ziet.
Schrödinger's Cat

In het gedachte-experiment stelde Schrödinger voor om een kat in een doos te plaatsen, dus deze was verborgen voor waarnemers (je kunt je voorstellen dat dit ook een geluidsdichte doos is), samen met een flesje gif. Het flesje gif is opgetuigd om de kat te breken en te doden als er een bepaalde kwantumgebeurtenis plaatsvindt, die Schrödinger als het verval van een radioactief atoom beschouwde dat detecteerbaar is met een Geigerteller.

Als kwantumproces, de timing van radioactief verval kan niet worden voorspeld in een specifiek geval, alleen als een gemiddelde over veel metingen. Dus zonder een manier om het verval en het flesje vergif te detecteren, is er letterlijk geen manier om te weten of het in het experiment is gebeurd.

Op dezelfde manier als deeltjes niet worden beschouwd als in een specifieke locatie voorafgaand aan meting in de kwantumtheorie, maar een kwantumsuperpositie van mogelijke toestanden, kan het radioactieve atoom worden beschouwd als in een superpositie van "verval" en "niet verval".

De waarschijnlijkheid van elk kan zijn voorspeld tot een niveau dat voor veel metingen nauwkeurig zou zijn, maar niet voor een specifiek geval. Dus als het radioactieve atoom zich in een superpositie bevindt en het leven van de kat volledig van deze toestand afhangt, betekent dit dan dat de toestand van de kat ook in superpositie van staten is? Met andere woorden, bevindt de kat zich in een kwantumsuperpositie van levend en dood?

Gebeurt de superpositie van toestanden alleen op het kwantumniveau, of toont het gedachte-experiment aan dat het logisch ook moet gelden voor macroscopische objecten? Als het niet van toepassing kan zijn op macroscopische objecten, waarom niet? En vooral: is dit niet allemaal een beetje belachelijk?
Waarom is het belangrijk?

Het gedachte-experiment raakt het filosofische hart van de kwantummechanica. In een eenvoudig te begrijpen scenario worden de potentiële problemen met de Kopenhagen-interpretatie blootgelegd en blijven voorstanders van de verklaring achter met enige uitleg. Een van de redenen waarom het in de populaire cultuur wordt doorstaan, is ongetwijfeld dat het levendig het verschil laat zien tussen hoe kwantummechanica de toestand van kwantumdeeltjes beschrijft, en de manier waarop u macroscopische objecten beschrijft.

Het behandelt echter ook het begrip wat je bedoelt met "meting" in de kwantummechanica. Dit is een belangrijk concept, omdat het proces van ineenstorting van de golffunctie fundamenteel afhangt van het feit of iets is waargenomen.

Moeten mensen fysiek de uitkomst van een kwantumgebeurtenis observeren (bijvoorbeeld het lezen van de Geigerteller), of moet het gewoon communiceren met iets macroscopisch? Met andere woorden, is de kat een "meetinstrument" in dit scenario - is dat hoe de paradox wordt opgelost?

Er is niet echt een algemeen antwoord op deze vragen. De paradox legt perfect vast wat het is over kwantummechanica die moeilijk te verteren is voor mensen die gewend zijn de macroscopische wereld te ervaren, en inderdaad, wiens hersenen uiteindelijk zijn geëvolueerd om de wereld waarin je leeft te begrijpen en niet de wereld van subatomaire deeltjes.
De EPR-paradox

De EPR-paradox is een ander gedachte-experiment dat bedoeld was om problemen met de kwantummechanica aan te tonen, en het werd vernoemd naar Albert Einstein, Boris Podolsky en Nathan Rosen, die de paradox bedachten. Dit heeft betrekking op kwantumverstrengeling, waarnaar Einstein bekend staat als "spookachtige actie op afstand".

In de kwantummechanica kunnen twee deeltjes worden "verstrengeld", zodat een van het paar niet zonder referentie kan worden beschreven naar de andere - hun kwantumtoestanden worden beschreven door een gedeelde golffunctie die niet kan worden gescheiden in een voor een deeltje en een voor een ander.

Bijvoorbeeld, twee deeltjes in een specifieke verwarde toestand kunnen hun "spin" hebben gemeten, en als de ene wordt gemeten als spin "omhoog", moet de andere spin "omlaag" hebben en vice versa, hoewel dit niet vooraf wordt bepaald.

Dit is toch een beetje moeilijk te accepteren , maar wat als, volgens de EPR-paradox, de twee deeltjes over een grote afstand van elkaar gescheiden waren. De eerste meting wordt gedaan en onthult "spin down", maar daarna zeer kort daarna (zo snel dat zelfs een lichtsignaal niet van de ene naar de andere locatie in de tijd had kunnen reizen) wordt een meting aan het tweede deeltje uitgevoerd. >

Hoe 'weet' het tweede deeltje het resultaat van de eerste meting als het onmogelijk is voor een signaal om tussen de twee te reizen?

Einstein geloofde dat dit het bewijs was dat de kwantummechanica 'onvolledig' was, en dat er "verborgen variabelen" speelden die schijnbaar onlogische resultaten als deze zouden verklaren. In 1964 vond John Bell echter een manier om te testen op de aanwezigheid van de verborgen variabelen die Einstein voorstelde en vond een ongelijkheid die, indien gebroken, zou bewijzen dat het resultaat niet kon worden verkregen met een verborgen variabeltheorie.

Experimenten op basis hiervan hebben aangetoond dat Bell's ongelijkheid is verbroken, en dus is de paradox gewoon een ander aspect van de kwantummechanica dat vreemd lijkt, maar gewoon de manier is waarop de kwantummechanica werkt.