Ένας φυσικός στην θέση του «γάτου του Σρέντιγκερ»

Posted on 14/06/2020

0


Υπάρχει νοητικό πείραμα που βάζει έναν φυσικό στην θέση του γάτου του Σρέντιγκερ;

O Erwin Schrödinger, ένας από τους θεμελιωτές της κβαντομηχανικής, όπως ο Einstein και ο de Broglie δεν μπορούσε να δεχθεί ότι η κυματοσυνάρτηση που ικανοποιούσε την εξίσωση που ανακάλυψε ο ίδιος, μας οδηγεί σε έναν μικρόκοσμο που κυβερνάται από την θεά τύχη και τις πιθανότητες. Έτσι, επινόησε το πείραμα με τον γάτο που είναι κλεισμένος σε ένα κουτί, στο οποίο περιέχεται επίσης μια ποσότητα ραδιενεργού υλικού, ένας μετρητής ραδιενέργειας Geiger, μια γυάλινη φιάλη με υδροκυάνιο ή άλλο δηλητήριο και μια συσκευή που ενεργοποιείται όταν ο απαριθμητής Geiger ανιχνεύσει ραδιενέργεια, θέτοντας σε κίνηση ένα σφυρί που σπάζει την φιάλη και απελευθερώνεται το δηλητήριο και ο γάτος πεθαίνει.

Σύμφωνα με την κβαντομηχανική πριν ανοίξουμε το κουτί η κατάσταση του γάτου είναι μίγμα των καταστάσεων του γάτου ζωντανού και του γάτου νεκρού:

\frac{1}{\sqrt{2}}|\nu \epsilon \kappa \rho \dot{o}s \, \, \, \gamma \dot{\alpha} \tau os \rangle + \frac{1}{\sqrt{2}} |\zeta \omega \nu \tau \alpha \nu \dot{o}s \, \, \, \gamma \dot{\alpha} \tau os \rangle

Στην γλώσσα της κβαντομηχανικής οποιαδήποτε κι αν ήταν η κατάστασή ενός συστήματος πριν από μια μέτρηση (το παραπάνω μίγμα), η κατάστασή του μετά τη μέτρηση θα περιγράφεται από την ιδιοσυνάρτηση που αντιστοιχεί στην ιδιοτιμή που μετρήθηκε («νεκρός» ή «ζωντανός» γάτος). Αυτό ονομάζεται κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης και αποτελεί χαρακτηριστικό της κβαντικής μέτρησης ως φυσικής διαδικασίας. Η κυματοσυνάρτηση καταρρέει στην ιδιοσυνάρτηση της ιδιοτιμής που μετρήθηκε.

Το παράλογο για τον Schrödinger (και όχι μόνο γι αυτόν) ήταν πως δεν γίνεται να θεωρούμε τον γάτο συγχρόνως και ζωντανό και νεκρό μόνο και μόνο επειδή δεν έχουμε ανοίξει το κουτί  (ο Einstein που είχε παρόμοιες απόψεις έλεγε: Κοιτάξτε το φεγγάρι. Πιστεύετε πως αποκτά υπόσταση όταν το παρατηρεί ένα ποντίκι;)

Ένας άλλος φυσικός, ο Eugene Wigner πέρα από την συνεισφορά του στην κβαντομηχανική και πυρηνική φυσική προβληματιζόταν πάντα με τα θεμέλια της κβαντικής θεωρίας. Υποστήριζε πως στην μελέτη του μικρόκοσμου υπεισέρχεται αλληλεπιδρώντας και η συνείδηση του παρατηρητή. Η συνείδηση, όχι ως μια υπερβατική οντότητα, αλλά ως υλική πραγματικότητα που αλληλεπιδρά με το παρατηρούμενο σύστημα. Για τον λόγο αυτό σχεδίασε ένα νοητικό πείραμα – είναι γνωστό ως «ο φίλος του Wigner» – για να διερευνήσει τον ρόλο της συνείδησης στη διαδικασία της κβαντικής μέτρησης.

O «φίλος του Wigner» βρίσκεται σε ένα κλειστό από παντού εργαστήριο και πραγματοποιεί μια κβαντική μέτρηση σε ένα φυσικό σύστημα ή επαναλαμβάνει το πείραμα με τον γάτο στο κουτί του. Για τον «φίλο του Wigner», ο γάτος που βρίσκεται μέσα στο κουτί  θεωρείται πως είναι σε υπέρθεση των δυο διαφορετικών καταστάσεων «νεκρός» και «ζωντανός». Όταν ο «φίλος του Wigner» ανοίγει το κουτί (πραγματοποιεί μέτρηση στο σύστημα), σύμφωνα με την κβαντική μηχανική θα πάρει ένα από τα πιθανά αποτελέσματα («νεκρός» ή «ζωντανός») και η κυματοσυνάρτηση καταρρέει στην ιδιοσυνάρτηση της ιδιοτιμής που μετρήθηκε.

Τώρα ο ίδιος ο Wigner βρίσκεται έξω από το εργαστήριο, γνωρίζοντας ότι μέσα σ’ αυτό ο φίλος του θα κάνει κάποια στιγμή την παρατήρηση (μέτρηση) του γάτου. Ο Wigner με τη σειρά του θεωρεί μια κατάσταση υπέρθεσης σε ολόκληρο το εργαστήριο, δηλ. «τον γάτο στο κουτί με όλα του τα συμπράγκαλα» συν «τον φίλο του». Αυτή η κατάσταση υπέρθεσης περιγράφεται ως: c1|ο γάτος ζωντανός/ο φίλος καταγράφει τον γάτο ζωντανό> + c2 |ο γάτος νεκρός/ο φίλος καταγράφει τον γάτο νεκρό>.

Στη συνέχεια ο Wigner ρωτάει τον φίλο του, που έχει βγει από το θεόκλειστο εργαστήριο, για το αποτέλεσμα της μέτρησης και οποιαδήποτε απάντηση κι αν δώσει ο φίλος του («γάτος ζωντανός» ή «γάτος νεκρός»), ο Wigner θα καταγράψει είτε την κατάσταση «ο γάτος ζωντανός/ο φίλος καταγράφει τον γάτο ζωντανό» είτε την κατάσταση  «ο γάτος νεκρός/ ο φίλος καταγράφει τον γάτο νεκρό». Δηλαδή, όταν μαθαίνει για το αποτέλεσμα του φίλου του η κατάσταση υπέρθεσης του εργαστηρίου καταρρέει.

Ωστόσο, εκτός κι αν ο Wigner θεωρηθεί ως «ο προνομιακός απόλυτος παρατηρητής», η οπτική του φίλου του πρέπει να θεωρηθεί εξίσου έγκυρη, κι εδώ εμφανίζεται ένα φαινομενικό παράδοξο: από την οπτική γωνία του φίλου του, το αποτέλεσμα της μέτρησης καθορίστηκε πολύ πριν ο Wigner τον ρωτήσει και η κυματοσυνάρτηση του φυσικού συστήματος καταρρεύσει. Πότε ακριβώς έγινε η κατάρρευση; Όταν ο φίλος του Wigner είχε ολοκληρώσει την μέτρηση ή όταν οι πληροφορίες του αποτελέσματός του συνειδητοποιήθηκαν από τον Wigner;

Μπερδευτήκατε; Αν όχι, τότε σκεφτείτε και το παρακάτω νοητικό πείραμα, όπου ο «φίλος του Wigner» μπαίνει στην θέση του «γάτου του Schrödinger», επαληθεύοντας την γελοιογραφία στην αρχή της ανάρτησης!

Πρόκειται για έναν ημίτρελο φυσικό που ριψοκινδυνεύει την ζωή του στο όνομα της κβαντικής επιστήμης. Εδώ αντί για ραδιενεργό πηγή έχουμε μια συσκευή που εκπέμπει φωτόνια, τα οποία προσπίπτουν υπό γωνία 45ο στο διαφανές υλικό (BS), και προσπίπτουν  ανάλογα με την πορεία τους στους φωτοανιχνευτές D και D’. Ο φυσικός έχει πάρει ένα υπνωτικό (!) που τον θέτει σε κώμα για συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Αν ενεργοποιηθεί ο φωτοανιχνευτής D τότε το σφυρί σπάει την φιάλη με το δηλητήριο και ο φυσικός πεθαίνει. Αν ο ενεργοποιηθεί ο D’, o παράτολμος φυσικός θα ξυπνήσει στο καθορισμένο χρονικό διάστημα … Όποιος ενδιαφέρεται (και έχει την υπομονή) μπορεί να διαβάσει παρακάτω τις λεπτομέρειες και τα συμπεράσματα του νοητικού πειράματος με τον νεκροζώντανο φυσικό (The Dead-Alive Physicist experiment):

Click to access 2006.06368.pdf

Τελικά τι ισχύει με τα περίεργα παράδοξα που αναδύονται από τέτοιου είδους νοητικά πειράματα; Ας είμαστε επιφυλακτικοί. Πριν βγάλουμε βιαστικά συμπεράσματα, καλό θα ήταν να ξαναδιαβάσουμε «Το παράδοξο της γάτας του Schrödinger» , που επιχειρεί να ξεδιαλύνει τέτοιου είδους παράδοξα εν τη γενέσει τους.