گربه شرودینگر چیست؟ همه چیز درباره آزمایش گربه شرودینگر

در مکانیک کوانتوم گربه شرودینگر یک آزمایش فکری است که پارادوکسی از برهم نهی کوانتوم را نشان می دهد. در آزمایش فکری یک گربه فرضی ممکن است همزمان زنده و مرده در نظر گرفته شود, در نتیجه سرنوشت آن با یک رویداد زیر اتمی تصادفی مرتبط است که ممکن است رخ دهد یا خیر. این آزمایش فکری توسط “اروین شرودینگر” فیزیکدان در سال ۱۹۳۵ در بحث با آلبرت اینشتین ابداع شد تا آنچه را شرودینگر به عنوان مشکلات تفسیر کپنهاگ از مکانیک کوانتوم می دانست نشان دهد. این سناریو اغلب در مباحث نظری در مورد تفسیرهای مکانیک کوانتوم به ویژه در موقعیت های مربوط به مسئله اندازه گیری ارائه می شود.

بیشتر بخوانید:
آیا سرنوشت انسان از پیش تعیین شده است؟

اصل و انگیزه گربه شرودینگر

شرودینگر در نظر داشت آزمایش فکری خود را به عنوان بحث درباره مقاله “EPR” (مخفف نام نویسندگان آن اینشتین – پودولسکی – روزن) در سال ۱۹۳۵ نامگذاری کند. مقاله EPR ماهیت ضد شهودی “برهم نهی های کوانتومی” را برجسته کرد که در آن یک سیستم کوانتومی مانند اتم یا فوتون می تواند به عنوان ترکیبی از چندین حالت متناظر با نتایج مختلف ممکن وجود داشته باشد.

نظریه غالب تحت عنوان “تفسیر کپنهاگ” می گوید که یک سیستم کوانتومی تا زمانی که با جهان خارج تعامل نداشته باشد یا توسط جهان مشاهده نشود در یک “اَبَر طرف” باقی می ماند. هنگامی که این اتفاق می افتد برهم نهی کوانتومی در یک حالت یا حالت های دیگر ممکن تعریف می شود. آزمایش EPR نشان می دهد که سیستمی با چندین ذره از هم جدا شده با فواصل زیاد می تواند در چنین برهم نهی قرار داشته باشد. شرودینگر و انیشتین درباره مقاله EPR انیشتین نامه هایی رد و بدل کردند در طی آن انشتین اشاره کرد که حالت یک بارگی ناپایدار باروت پس از مدتی حاوی یک برهم نهی از حالت های منفجر شده و منفجر نشده است.

بیشتر بخوانید:
انرژی های مثبت و منفی متافیزیکی چیستند؟ تبادل کوانتومی اطلاعات

شرودینگر برای توضیح بیشتر توضیح داد که چگونه می توان در سیستم مقیاس بزرگ با وابسته ساختن آن به ذره کوانتومی که در یک برهم نهی قرار دارد یک برهم نهی کوانتومی ایجاد کرد. وی یک سناریو را با یک گربه در یک محفظه فولادی قفل شده ارائه کرد که در آن زندگی یا مرگ گربه به وضعیت اتم رادیواکتیو بستگی دارد, خواه از بین رفته و تابش ساطع کرده باشد یا خیر. به گفته شرودینگر تفسیر کپنهاگ حاکی از آن است که گربه هم زنده و هم مرده می ماند تا زمانی که وضعیت مشاهده شود. شرودینگر نمی خواست ایده گربه های مرده و زنده را به عنوان یک احتمال جدی نشان دهد. برعکس وی این مثال را برای نشان دادن پوچ بودن دیدگاه موجود در مورد مکانیک کوانتوم در نظر گرفت.

با این حال از زمان شرودینگر تفسیرهای دیگری از ریاضیات مکانیک کوانتوم توسط فیزیکدانان ارائه شده است. برخی تفاسیر گربه “زنده و مرده” را کاملا واقعی می دانند. آزمایش تفکر گربه شرودینگر که به عنوان انتقادی از تفسیر کپنهاگ (ارتدوکسی غالب در سال ۱۹۳۵) در نظر گرفته شده است سنگ محک تفسیرهای مدرن مکانیک کوانتوم است و می تواند برای نشان دادن و مقایسه نقاط قوت و ضعف آنها مورد استفاده قرار گیرد.

بیشتر بخوانید:
پیشگیری و درمان کرونا با متافیزیک! برای حفظ سلامتی خود حتما بخوانید

آزمایش فکری

شرودینگر نوشت:

حتی می توان موارد کاملاً مضحکی را ترتیب داد. یک گربه همراه با دستگاه زیر در یک محفظه فولادی قرار دارد. در یک پیشخوان دارای مقدار کمی ماده رادیواکتیو بسیار کوچک وجود دارد. در ساعتی یکی از اتمها از بین می رود اما همچنین با احتمال برابر شاید این اتفاق نیفتد. در صورت وقوع, لوله ضربه زننده رها شده و از طریق یک رله چکشی آزاد میشود که یک ظرف کوچک از اسید هیدروسیانیک را خرد می کند. اگر کسی این سیستم را به مدت یک ساعت به حال خود رها کرده باشد می گوید اگر هیچ اتمی از بین نرود گربه هنوز زنده می ماند. ولی اولین فروپاشی اتمی باعث مسمومیت آن گربه می شود. عملکرد psi کل سیستم با داشتن “گربه زنده و مرده” در آن برابر است.

در این موارد معمول است که عدم تعین در اصل محدود به حوزه اتمی به عدم تعین ماکروسکوپی تبدیل می شود که پس از آن با مشاهده مستقیم حل شدنی است. این مانع از آن می شود که ما به راحتی و ساده لوحانه “یک مدل مبهم” را برای نمایش واقعیت بپذیریم چرا که به خودی خود هیچ چیز مشخص و متناسبی را در بر نخواهد گرفت. تفاوت های زیادی بین عکس لرزان یا خارج از فوکوس و عکس لحظه ای از ابرها و… وجود دارد.

بیشتر بخوانید:
آیا تاثیر بر ارتعاشات ماده امکان پذیر است؟ کوانتوم تاثیر پذیری ارتعاشات

آزمایش فکری معروف شرودینگر این سوال را مطرح می کند: “چه زمان یک سیستم کوانتومی به عنوان برهم نهی از حالت های دیگر متوقف می شود؟” (از نظر تکنیکی چه موقع حالت کوانتومی واقعی متوقف می شود که یک ترکیب خطی غیر پیش پا افتاده از حالت ها که هر کدام شبیه حالت های مختلف کلاسیک است و در عوض شروع به توصیف کلاسیک منحصر به فرد کند؟) اگر گربه زنده بماند فقط زنده بودن را به یاد می آورد. اما توضیحات آزمایشات EPR که با مکانیک کوانتومی میکروسکوپی استاندارد مطابقت دارد نیاز دارد که اجسام ماکروسکوپی مانند گربه ها و دفترچه ها همیشه توصیفات کلاسیک منحصر به فردی نداشته باشند. آزمایش اندیشه این تناقض آشکار را نشان می دهد. شهود ما می گوید که هیچ مشاهده گر نمی تواند همزمان در بیش از یک حالت باشد, با این حال به نظر می رسد گربه از آزمایش فکری می تواند در چنین شرایطی باشد. آیا گربه ناظر است یا اینکه وجود آن در یک حالت کلاسیک کاملاً مشخص به یک ناظر خارجی دیگر احتیاج دارد؟ هر گزینه جایگزین برای انیشتین پوچ به نظر می رسید که تحت تأثیر توانایی آزمایش فکر برای برجسته کردن این مسائل قرار گرفته است. وی در نامه ای به شرودینگر در تاریخ ۱۹۵۰ نوشت:

شما علاوه بر “لائو” تنها فیزیکدان معاصر هستید که می بینید نمی توان فرض واقعیت را دور زد اگر فقط یکی صادق باشد. اکثر آنها به راحتی نمی بینند که چه نوع بازی پر خطری را با واقعیت انجام میدهند, واقعیت به عنوان چیزی مستقل از آنچه که به طور آزمایشی ثابت شده است میباشد. با این حال تفسیر آنها توسط سیستم اتم رادیواکتیو + تقویت کننده + شارژ پودر اسلحه + گربه در یک جعبه ، که در آن عملکرد psi سیستم شامل هر دو گربه زنده است و به صورت ذره ای منفجر می شود با ظرافت و دقت بیشتری رد می شود. هیچ کس واقعاً شک ندارد که وجود یا عدم وجود گربه چیزی مستقل از عمل مشاهده آن است.

توجه داشته باشید که در ترتیب آزمایش شرودینگر که از شمارنده Geiger به عنوان تقویت کننده و سم هیدروسانیک به جای باروت استفاده می شود به بار باروت اشاره نشده است. باروت ۱۵ سال قبل در پیشنهاد اصلی اینشتین به شرودینگر ذکر شده بود و انیشتین آن را در بحث حاضر مطرح کرد.

بیشتر بخوانید:
کوانتوم انرژی های ذهنی و محیطی

تعابیر و تفاسیر شرودینگر

از زمان شرودینگر تفسیرهای دیگری از مکانیک کوانتوم ارائه شده است که پاسخ های متفاوتی به سوالات مطرح شده توسط گربه شرودینگر در مورد طول مدت درهم نهی ها و زمان فروپاشی آنها میدهد.

تفسیر کپنهاگ

تفسیر معمول مکانیک کوانتوم تفسیر کپنهاگ است. در تفسیر کپنهاگ یک سیستم از یک حالت فوق العاده ای برخوردار نیست و وقتی یک مشاهده صورت می گیرد یکی یا دیگری می شود. این آزمایش فکری این واقعیت را آشکار می کند که ماهیت اندازه گیری یا مشاهده در این تفسیر به خوبی تعریف نشده است. این آزمایش را می توان به این معنی تفسیر کرد که در حالی که جعبه بسته است سیستم همزمان در یک برهم نهی از حالت های “هسته پوسیده / گربه مرده” و “هسته پوسیده / گربه زنده” وجود دارد و این فقط وقتی جعبه باز می شود و مشاهدات انجام شده باشد ممکن است که آیا عملکرد موج به یکی از دو حالت ختم میشود؟

بیشتر بخوانید:
سایرن هد کیست؟ آژیر وحشتناک سایرن هد را جدی بگیرید!

نیلز بور یکی از دانشمندان اصلی مرتبط با تفسیر کپنهاگ تفسیری را ارائه داد که مستقل از فروپاشی ذهنی عملکرد موج یا اندازه گیری است. در عوض یک فرایند “غیرقابل برگشت” باعث از بین رفتن انسجام کوانتومی می شود که رفتار کلاسیک “مشاهده” یا “اندازه گیری” را به وجود می آورد. بنابراین گربه شرودینگر مدت زیادی قبل از باز شدن جعبه توسط یک ناظر آگاه یا مرده بود یا زنده. تجزیه و تحلیل یک آزمایش واقعی نشان داد که اندازه گیری به تنهایی (به عنوان مثال توسط یک شمارنده Geiger) برای فروپاشی یک تابع موج کوانتومی قبل از مشاهده آگاهانه اندازه گیری کافی است, اگرچه اعتبار طرح آنها مورد اختلاف نظر است.

تفاسیر و تاریخهای منطبق

در سال ۱۹۵۷ “هیو اورت” تفسیرهای بسیاری از جهان از منظر مکانیک کوانتوم را فرموله کرد که مشاهده را به عنوان یک فرایند خاص جدا نمی کند. در تعبیر بسیاری از جهان هر دو حالت زنده و مرده گربه پس از باز شدن جعبه ادامه می یابد اما با یکدیگر منسجم هستند. به عبارت دیگر وقتی جعبه باز می شود “ناظر” و “گربه احتمالاً مرده” به یک ناظر که با یک گربه مرده به جعبه نگاه می کند و یک ناظر به یک جعبه با یک گربه زنده تقسیم می شوند. اما از آنجا که حالت های مرده و زنده منسجم هستند هیچ ارتباط و تعامل موثری بین آنها وجود ندارد.

بیشتر بخوانید:
پشت پرده پنهان منطقه ۵۱ نوادا – حضور فرازمینی ها حقیقت دارد؟

هنگام باز کردن جعبه ناظر با گربه مواجه می شود بنابراین “حالات مشاهده کننده” مربوط به زنده و مرده بودن گربه تشکیل می شود. هر یک از حالات مشاهده گر با هم گره خورده یا بهم پیوند خورده است تا “مشاهده وضعیت گربه” و “حالت گربه” با یکدیگر مطابقت داشته باشند. تجزیه کوانتومی اطمینان حاصل می کند که نتایج مختلف هیچ تعاملی با یکدیگر ندارند. همان مکانیزم تجزیه کوانتومی برای تفسیر از نظر تاریخهای سازگار نیز مهم است. فقط “گربه مرده” یا “گربه زنده” می تواند بخشی از یک تاریخ ثابت در این تفسیر باشد. آنالیز به طور کلی برای جلوگیری از مشاهده همزمان چندین حالت در نظر گرفته می شود.

نمونه ای از آزمایش گربه شرودینگر معروف به “ماشین خودکشی کوانتومی” توسط مکس تگمارک کیهان شناس ارائه شده است. این آزمایش, آزمایش گربه شرودینگر از نظر گربه را بررسی می کند و استدلال می کند که با استفاده از این روش ممکن است بتوان تفسیر کپنهاگ و بسیاری از جهان را تشخیص داد.

تفسیر گروهی

تفسیر گروهی بیان می کند که درهم نهی ها چیزی غیر از زیر مجموعه های بزرگتر آماری نیستند. بردار حالت برای آزمایش های جداگانه گربه اعمال نمی شود بلکه فقط برای آمار بسیاری از آزمایش های مشابه گربه تهیه می شود. طرفداران این تفسیر اظهار می دارند که این امر پارادوکس گربه شرودینگر را به موضوعی پیش پا افتاده یا غیرمسئول تبدیل می کند. این تفسیر به منظور کنار گذاشتن این ایده است که یک سیستم فیزیکی واحد در مکانیک کوانتوم دارای توصیف ریاضی است که از هر لحاظ با آن مطابقت دارد.

بیشتر بخوانید:
داستان واقعی شبح پیست اسکی لاپاروا

تفسیر رابطه ای

تفسیر رابطه ای هیچ تمایز اساسی ای بین آزمایش کننده انسانی گربه یا دستگاه یا سیستم های بی جان ایجاد نمی کند. همه سیستم های کوانتومی هستند که با همان قوانین تکامل عملکرد موج اداره می شوند و همه ممکن است “ناظر” در نظر گرفته شوند. اما تفسیر رابطه ای اجازه می دهد تا ناظران مختلف بسته به اطلاعاتی که درباره سیستم دارند گزارش های مختلفی از یک سری رویدادها ارائه دهند. گربه را می توان ناظر دستگاه دانست. در همین حال آزمایشگر را می توان مشاهده کننده دیگری از سیستم موجود در جعبه (گربه بعلاوه دستگاه) دانست. قبل از باز شدن جعبه گربه به دلیل زنده بودن یا مرده بودن اطلاعاتی در مورد وضعیت دستگاه دارد (اتم یا خراب شده یا پوسیده نشده است), اما آزمایشگر اطلاعاتی در مورد وضعیت محتوای جعبه ندارد. به این ترتیب دو ناظر همزمان گزارش های مختلفی از وضعیت دارند. برای گربه عملکرد موج دستگاه “فروپاشی” به نظر می رسد. برای آزمایشگر به نظر می رسد که محتویات جعبه با هم ترکیب شده اند. تا زمانی که جعبه باز شود و هر دو ناظر اطلاعات یکسانی درباره آنچه اتفاق افتاده است به دست میاورند. به نظر می رسد هر دو حالت سیستم به همان نتیجه مشخص “فروپاشی” میرسند, “گربه ای که زنده یا مرده” است.

بیشتر بخوانید:
راهکارهای شگفت انگیز برای افزایش اعتماد به نفس

تفسیر تعاملی

در تفسیر معاملات دستگاه موج پیشرفته ای را به عقب در زمان ساطع می کند که همراه با موجی که منبع در زمان متصاعد می کند یک موج ایستاده را تشکیل می دهد. امواج از نظر جسمی واقعی دیده می شوند و دستگاه به عنوان “ناظر” در نظر گرفته می شود. در تفسیر معاملات, سقوط عملکرد موج “موقت است” و در کل تعامل بین منبع و دستگاه رخ می دهد. گربه هرگز در موقعیت مد نظر نیست. در عوض گربه فقط در یک حالت خاص در هر زمان خاص است صرف نظر از این که آزمایشگر انسانی به جعبه نگاه کند. تفسیر تعاملی این پارادوکس کوانتومی را برطرف می کند.

اثرات زنو

اثر زنو با این عنوان شناخته میشود که باعث ایجاد تاخیر در هرگونه تغییر در حالت اولیه می شود. از طرف دیگر اثر ضد زنو تغییرات را تسریع می کند. به عنوان مثال اگر به طور مداوم به جعبه گربه نگاه کنید ممکن است باعث تاخیر در انتخاب سرنوشت ساز شوید یا برعکس آن را تسریع کنید. هم اثر زنو و هم اثر ضد زنو واقعی و مشهور است که برای اتمهای واقعی اتفاق می افتد. سیستم کوانتومی که اندازه گیری می شود باید به شدت با محیط اطراف (در این مورد با دستگاه اتاق آزمایش و…) مرتبط شود تا اطلاعات دقیق تری به دست آورد. اما در حالی که هیچ اطلاعاتی به دنیای خارج منتقل نشده است این یک شبه اندازه گیری تلقی می شود, اما به محض اینکه اطلاعات مربوط به وضعیت خوب گربه به دنیای خارج منتقل شود (با زیر چشمی نگاه کردن به جعبه) به اندازه گیری تبدیل می میشود. شبه اندازه گیری ها مانند اندازه گیری ها باعث ایجاد اثرات زنو می شوند. اثرات زنو به ما می آموزند که حتی بدون نگاهی به زیر جعبه, مرگ گربه به هر حال به دلایل زیست محیطی به تأخیر می افتد یا اینکه تسریع می شود.

بیشتر بخوانید:
تئوری زمین تخت! چرا زمین تخت گرایان فکر میکنند زمین تخت است؟

نظریه های سقوط عینی

طبق نظریه های سقوط عینی وقتی به برخی از آستانه های فیزیکی عینی (زمان جرم, دما, برگشت ناپذیری و…) برسیم درهم نهی های کوانتومی خود به خود از بین می روند (صرف نظر از مشاهده خارجی). بنابراین انتظار می رود که گربه مدت ها قبل از باز شدن جعبه به حالت مشخصی برسد. این می تواند به صورت آزادانه به صورت “گربه خودش را مشاهده می کند” یا “محیط گربه را مشاهده می کند” جمله بندی شود. نظریه های سقوط عینی به اصلاح مکانیک کوانتومی استاندارد احتیاج دارند تا اجازه دهند موقعیت های عالی با روند تکامل زمان از بین بروند.

برنامه ها و آزمایش ها

این آزمایش همانطور که توصیف شد کاملاً نظری است و معلوم نیست که ماشین پیشنهادی ساخته شده باشد یا خیر. با این حال آزمایش های موفقیت آمیز شامل اصول مشابه به عنوان مثال درهم نهی کوانتومی اجسام نسبتاً بزرگ (طبق معیارهای فیزیک کوانتوم) انجام شده است. این آزمایش ها نشان نمی دهند که می توان یک شی به اندازه گربه را “سوپاپ” کرد اما حد بالای شناخته شده “حالت های گربه” توسط آنها به سمت بالا رانده شده است. در بسیاری از موارد حالت کوتاه مدت است حتی اگر خنک شود و تقریباً به صفر مطلق برسد.

بیشتر بخوانید:
پرونده قتل شبح هامرسمیت – این داستان کاملا واقعی است!

• با فوتون ها “حالت گربه” حاصل شده است.
• یون بریلیم در حالت سوپاپ به دام افتاده است.
• آزمایشی شامل یک دستگاه تداخل کوانتومی ابررسانا (“SQUID”) با موضوع آزمایش فکری پیوند خورده است. “حالت برهم نهی با یک میلیارد الکترون از یک طرف و یک میلیارد دیگر از طریق دیگر جریان دارد. الکترون های ابررسانا حرکت می کنند, همه الکترونهای ابررسانا در SQUID وقتی در وضعیت گربه شرودینگر قرار دارند به یک باره به دور حلقه جریان می یابند.”
• “چنگال تنظیم پیزوالکتریک” ساخته شده است که می تواند در یک برهم نهی از حالت های لرزشی و غیر لرزان قرار گیرد. تشدید کننده حدود ۱۰ تریلیون اتم را تشکیل می دهد.
• آزمایشی شامل ویروس آنفولانزا ارائه شده است.
• آزمایشی شامل یک باکتری و یک نوسان ساز الکترومکانیکی ارائه شده است.

در محاسبات کوانتومی عبارت “حالت گربه” گاهی اوقات به حالت GHZ اشاره دارد که در آن چندین کیوبیت در یک برابری برابر قرار می گیرند که همه ۰ و ۱ هستند. به عنوان مثال:

حداقل بر اساس یک پیشنهاد، ممکن است قبل از مشاهده گربه وضعیت او تعیین شود!

بیشتر بخوانید:
بیوکینزی چیست؟ تغییر ساختار DNA توسط قدرت ذهن!

برنامه های اضافه

“دوست ویگنر” نمونه ای از آزمایش با دو مشاهده گر انسانی است. اولی مشاهده ای از اینکه فلش نور دیده می شود را انجام می دهد و سپس مشاهده خود را به ناظر دوم ابلاغ می کند. مسئله در اینجا این است که آیا عملکرد موج هنگامی که اولین مشاهده کننده آزمایش را مشاهده می کند “فرو می ریزد” یا فقط وقتی مشاهده کننده دوم از مشاهدات مشاهده کننده اول مطلع می شود این اتفاق می افتد؟ در یک رویکرد دیگر فیزیکدانان برجسته تا آنجا پیش رفته اند که می گویند “ستاره شناسان مشاهده کننده انرژی تاریک در جهان” در سال ۱۹۹۸ ممکن است “از طریق سناریوی شبه شرودینگر” امید به زندگی آن را “کاهش دهند” اگرچه این یک دیدگاه بحث برانگیز است. در آگوست سال ۲۰۲۰ فیزیکدانان مطالعاتی را ارائه دادند که شامل تعابیری از مکانیک کوانتوم است که به پارادوکس های “گربه شرودینگر” و “دوست ویگنر” مربوط می شود و در نتیجه, نتیجه گیری می شود که فرضیه های ظاهرا ثابت شده درباره واقعیت را به چالش می کشند.

موفق و پیروز باشید…

منبع: ویکی پدیا – مترجم: علی لند