Schrödingerova kočka
Schrödingerova kočka je myšlenkový experiment, který roku 1935 vymyslel Erwin Schrödinger, aby poukázal na nekompletnost teorie kvantové mechaniky, co se týče přechodu mezi subatomickým a makroskopickým světem.
Představme si kočku neprodyšně uzavřenou v neprůhledné krabici. V krabici je také umístěn přístroj obsahující radioaktivní nuklid a nádobu s jedovatým plynem. Pokus je navržen tak, že po jedné hodině je 50% pravděpodobnost, že se nuklid rozložil. Pokud přístroj detekuje rozpad nuklidu, uvolní plyn, který otráví kočku. Podle principů kvantové mechaniky se nuklid, který není pozorován, nachází v superpozici stavu „rozloženého nuklidu“ a stavu „nerozloženého nuklidu“ (existuje jakoby v obou stavech zároveň). Z toho vyplývá, že i celá soustava by se měla nacházet v superpozici stavů rozpadlý nuklid, mrtvá kočka a nerozpadlý nuklid, živá kočka. Avšak pokud otevřeme krabici, uvidíme pouze jeden z těchto stavů, kočka rozhodně nemůže být „zároveň živá i mrtvá“.
Otázkou proto zůstává, kdy soustava přestává existovat jako superpozice stavů a stává se z nich pouze jediný? Účelem experimentu je ukázat, že teorie kvantové mechaniky není kompletní bez zákonů, které popisují stav, kdy vlnová funkce kolabuje a kočka zemře nebo zůstane naživu namísto obou těchto stavů.
Schrödinger samozřejmě nikdy nezamýšlel tento pokus praktikovat, aby zjistil, zda se kočka opravdu nachází v tomto polomrtvém/položivém stavu. Namísto toho konstatoval, že je teorie kvantové mechaniky nekompletní a neodpovídá skutečnosti v tomto znění. Kočka musí být buď živá, nebo mrtvá (neexistuje žádný stav mezi životem a smrtí) a stejné pravidlo (dovozuje Schrödinger) musí platit i pro nuklid. Musí být buď rozložený, nebo ne.
Mohli bychom tento paradox dále prohlubovat. Schrödinger se jde podívat do laboratoře, zdali je kočka živá, nebo mrtvá. Z hlediska jeho kolegů se teď Schrödinger nachází v superpozici dvou stavů – ví, že je kočka naživu a ví, že je mrtvá - avšak pro ně kočka zůstává nadále mrtvá i živá. Vlnová funkce popisující tento stav kolabuje až ve chvíli, když Schrödinger vyjde z laboratoře a oznámí výsledek experimentu svým kolegům. Ale z hlediska lidí mimo budovu výzkumného ústavu by se měli všichni v budově nacházet v superpozici dvou stavů – vědí, že kočka přežila a vědí, že je mrtvá - a tedy z vnějšího pohledu je kočka stále zároveň živá i mrtvá. Atd. atd. až ad absurdum.
Nejznámější z paradoxů, které se týkají kolapsu vlnové funkce a myšlenkových experimentů, jimiž lze upozornit na problémy s popisem skutečnosti pomocí vlnových funkcí. Ač autorem tohoto Gedankenexperimentu je Schrödinger, Einstein považoval tento návrh za vůbec nejlepší způsob, jakým lze ukázat, že vlnová představa hmoty je vlastně neúplným zobrazením skutečnosti. Pochopitelně, že o „kočičím paradoxu“ vedl diskusi s Bohrem.
Schrödinger se zabýval myšlenkovým experimentem, který se týkal přístroje. Kočka je zavřena v krabici se zařízením sestávajícím ze vzorku radioaktivního materiálu a ampulkou s jedem (kyanovodík). Proces rozpadu radioaktivního materiálu je sám o sobě procesem, který se řídí kvantovou mechanikou. Podle této teorie je možné předpovědět pouze pravděpodobnost jeho rozpadu. Celá soustava pracuje takto: když se radioaktivním vzorku rozpadne atom, je to zaregistrováno a zařízení uvnitř krabice rozbije ampulku s jedem a kočka zemře.
Podle běžných měřítek je kočka buď živá nebo mrtvá, ale podle kvantové mechaniky je systém složený z krabice a jejího obsahu popsán vlnovou funkcí. Pokud přijmeme zjednodušující předpoklad, že systém může být pouze v jednom ze dvou kvantově mechanických stavů - kočka je živá nebo mrtvá - pak vlnová funkce systému obsahuje kombinaci těchto dvou možných a vzájemně se vylučujících pozorovaných událostí. Kočka je tedy živá i mrtvá zároveň, a to v každém časovém okamžiku. Dokud někdo neotevře víko krabice, aby se na kočku podíval, Schrödingerova rovnice říká, že časový vývoj existence kočky je matematicky popsán jako fyzicky (a fyziologicky) nepopsatelná kombinace obou zmíněných stavů. Tak jako elektron není ani vlna, ani částice do té doby, než provedeme příslušný experiment, nešťastná kočka není ani živá ani mrtvá do té doby, dokud se někdo nepodívá dovnitř.
Když Schrödinger navrhl tento experiment, napadl tím vlastně neurčitost kvantové mechaniky tak, že přešel od jejího použití pro popis jevů na mikroskopické úrovni (radioaktivní rozpad) k popisu jevů makrosvěta (živá či mrtvá kočka). Samotný akt pozorování nejen, že zavádí do děje subjektivní prvek (někdo musí krabici otevřít a podívat se na kočku), ale nutí též kočku neodvratně přijmout jednu ze dvou možností:
- ampulka s jedem je neporušená a kočka se těší dobrému zdraví
- ampulka s jedem je rozbitá a kočka je mrtvá
Schrödingerova kočka nám ukazuje názorným způsobem problém spojený s měřením. Předpokládá se, že zjevně věříme skutečnosti, že stav systému je měněn právě samotným aktem pozorování. To je myšlenka, která se zdá být příliš výstřední.
Einstein se vyjádřil v tom smyslu, že nevěří tomu, že „jedna malá myš změní chování vesmíru jen tím, že by se na něj dívala“. Existují dva způsoby, jak těmto námitkám čelit:
Měření kvantových systémů neprovádějí kočky ani myši, ale lidské bytosti obdařené vědomím. V tomto případě je třeba vědomého pozorovatele („aby se podíval“), který následně vyvolá kolaps vlnové funkce. Kočku prý nelze považovat za pozorovatele schopného vyvolat kolaps vlnové funkce na skutečný stav života či smrti. Není prý dostatečně chytrá na to, aby tyto dva stavy rozeznala. Takže ubohá Schrödingerova kočka ani neví, je-li živá či mrtvá.
Nositel Nobelovy ceny Eugen Wigner (1902 - 1995, americký fyzik maďarského původu, Nobelova cena v roce 1963 za objev a aplikace základních principů symetrie) vymyslel „Wignerova přítele“ - osobu, která by mohla objasnit experiment s kočkou. Je vybaven plynovou maskou a sedí v krabici spolu se Schrödingerovou kočkou. Vždy, když otevře oči, aby se na kočku podíval, dojde ke kolapsu vlnové funkce. Wignerův přítel je schopen popsat situaci v krabici, jak ji vidí on, běžným jazykem (pokud neuvažujeme o tom, že on sám by byl superpozicí všech možných výsledků experimentu, dokud nedojde k otevření krabice). Jak tvrdí Wigner, při účasti lidské mysli v experimentu by nebylo možné použít obvyklý způsob kvantového popisu.
Další diskusi pak vyvolává nahrazení Wignerova přítele počítačem. Dokáže počítač zkolabovat vlnovou funkci? Mnozí fyzikové tvrdí, že ano.