ASchrödinger macskájaErwin SchrödingerNobel-díjas osztrák fizikus nevéhez fűződő gondolatkísérlet. A tudós ezzel a kísérlettel kívánta szemléltetni a mikrovilágban uralkodó törvények hétköznapi szemlélet számára meghökkentő idegenszerűségét, azt, hogy a részecskék egyidejűleg több helyen, különféle állapotokban lehetnek. A gondolatkísérlet arra az abszurditásra mutat rá, hogy a macska élő vagy holt állapota attól függ, hogy megfigyeli-e valaki ezt az állapotot.
A kvantummechanikábanszuperpozíciónak nevezik, amikor egyelemi részecske (vagy részecskékből álló rendszer) ún. kevert állapotban van, azaz bizonyos tulajdonságait nem tudjuk egyértelműen. A részecske addig marad ebben, amíg valamilyen módon meg nem állapítjuk, hogy valójában hol és milyen állapotban van. A probléma ott kezdődik, hogy mérés (megfigyelés) hatására a részecskehullámfüggvénye összeomlik, és a részecske a lehetséges alap- vagy sajátállapotai egyikébe kerül, legalábbis minden általunk elvégezhető mérés azt mutatja, hogy a részecske egy bizonyos állapotban van.
Fontos megjegyezni, hogy a szuperpozíció (akár a hullámfüggvény) csakis abban az esetben omlik össze, ha mérést végzünk a rendszeren (vagy a rendszert valami külső hatás éri). A mérés eredményének ismerete azonban kényszerűen valamelyik állapotba taszítja az anyagot, ami Schrödingernél halott vagy élő macskát eredményez, de sosem egyszerre a kettőt.
Schrödinger, hogy a kvantumelmélet egyik abszurditását szemléltesse, egy képzeletbeli macskát egy zárt dobozba helyezett, amelybe kívülről nem lehetett belelátni. A dobozban a macska mellett van egy szerkezet, melyet a macska nem tud befolyásolni. A szerkezet tartalmaz egy darab radioaktív anyagot, melyben egy óra alatt egy atom vagylebomlik, vagy ugyanekkora valószínűséggel nem bomlik le. A radioaktív bomlást észleli egyGeiger–Müller-számláló, ami egy relén keresztül elenged egy kalapácsot és az összetör egyhidrogén-cianidos üveget, megölve ezzel a macskát. Ha egy óra hosszat magára hagyjuk a dobozt, azt mondhatjuk, hogy a macska él, ha időközben nem volt atombomlás.[1][2]
Hogy eldöntsük, a macska él-e vagy meghalt, ki kell nyitni a dobozt.
A fogós kérdés azonban az, hogy milyen állapotban van a macskaa doboz kinyitása előtt? A kvantumelmélet szerint a macskahullámfüggvénye egy élő és egy halott macska hullámfüggvényét egyszerre tartalmazza. Schrödinger számára az az elképzelés, hogy a macska egyszerre élő és holt is, abszurd elképzelés volt, amit nem tudott elfogadni.
A kvantummechanika kísérletileg mégis ezt az eredményt erősíti meg.
A kísérletnek legalább három eltérő értelmezése létezik.
1. FeltételezhetjükIsten létezését. Mivel minden megfigyeléshez kell egy megfigyelő, kell lennie valamilyen „tudatosságnak” azUniverzumban.Wigner Jenő fizikus úgy gondolta, hogy maga a kvantumelmélet egyenesen bizonyíték Isten létére.
2. A legtöbb gyakorló fizikus nem vesz tudomást róla. Néhányuk rámutat, hogy egy kamera mindenféle tudatosság nélkül rögzítheti a macska állapotát.
3. Asokvilág-elmélet szerint minden kvantumvilág létezik, és ezek útelágazáshoz hasonlóan kapcsolódnak egymáshoz. Az egyik ilyen világban a hidrogén-cianidos üveg összetört, és a macska meghalt, míg egy másikban ez nem történt meg, és a macska életben maradt.
Ahogy Schrödinger gondolatkísérlete is mutatja, a hétköznapok során nem találkozunk egymással keveredő állapotokkal (bármelyik laboratóriumi macskáról egyértelműen megállapítható, hogy él-e, vagy sem), ezért feltételezhető, hogy a szuperpozíció csak az elemi részecskékre jellemző, és bizonyos határokon túl nem fordulhat elő. A fizikusok régóta töprengenek azon, vajon hol húzódik az a határ, ahol a kvantum-szuperpozíció mindenképpen összeroppan, vagyis az egymással keveredő állapotok dekoherenssé válnak. Ez az állapotváltozás egyúttal meghatározza a mikro- (a kvantumfizika törvényei által irányított) és a makro- (klasszikus fizika törvényei érvényesülnek) világ közötti határvonalat. E területen egymástól függetlenül két magyar csoport is végzett kutatásokat. A hetvenes és nyolcvanas évekbenKárolyházy Frigyes,[3] a nyolcvanas évektőlDiósi Lajos vezetésével.[4][5]
A kísérletben a kutatókberilliumionokat (egyik külsőelektronjuktól megfosztott berilliumatomokat) különítettek el és tartottakelektromágneses csapdában azabszolút nulla fokhoz közelihőmérsékleten, külsőenergia- éssugárzási forrásoktól elszigetelten. Így a csaknem mozdulatlan (hőmozgásában is korlátozott)ionnak csupán két lehetséges kvantumállapota van: a legkülső pályán maradt egyetlenelektronmágneses momentumafelfelé vagylefelé mutathat. A kvantumfizika törvényei szerint mindaddig, amíg az elektront valamilyen módon meg nem zavarjuk, az ion e két állapot fele-fele arányú keverékében, koherens szuperpozíciójában van.
A dekoherencia kialakulásához szükségesidő érzékenyen függ a rendszer méretétől. A NIST kutatói a mostani kísérletben a berilliumion szuperpozíciójának két, térbelileg eleinte csaknem teljesen átfedő összetevőjét külső elektromágneses tér alkalmazásával fokozatosan eltávolították egymástól, egészen az atomiátmérő tízszereséig növelve a köztük lévő távolságot.
„Megfigyeltük, hogy a távolság növelésével párhuzamosan, a külső környezeti tényezők változásának hatására a szuperpozíció koherenciája exponenciális ütemben csökkent, mígnem összeroppant, és az ion az egyik lehetséges állapotba került.” – mondtaDavid J. Wineland, a kutatócsoport egyik tagja.
A NIST kutatói így a világon elsőként, módszeresen, lépésről lépésre haladva szelték át azt a határt, amely a kvantumfizika világát makrovilágunktól elválasztja. Sőt, egy különleges trükkel sikerült a folyamatot megfordítaniuk is, azaz a határt ellenkező irányból átlépve a koherens szuperpozíciót visszaállítaniuk.
Lehetséges gyakorlati alkalmazás: kvantumszámítógépek
Ezt a szakasztát kellene olvasni, ellenőrizni a szövegét, tartalmát. További részleteket a cikkvitalapján találhatsz.
Akvantumszámítógépek azon az elven alapulnak, hogy míg egy hagyományos számítógépbináris számrendszerben csak1, illetve0 bitekkel képes dolgozni, addig egykvantumbit (qubit) egyfajta szuperpozicionált állapotban egyszerre is felveheti ezeket.
Ahogy a qubitek száma nő, úgy növekszik a különböző állapotok száma, amelyeket megtestesíthetnek az összekapcsolt kvantumbitek. Két qubit 4 különböző állapot tárolására képes egyidejűleg, amelyeket szimultán fel lehet dolgozni, míg három qubit már 8-ra, és így tovább, exponenciálisan növekvően. Így egy gép, amely csak 10 qubitet tartalmaz, már 1024műveletre képes szimultán, mintha egy hatalmas párhuzamosan feldolgozó egység lenne. Egy 40 qubites 1 billió műveletre, sőt, egy 100 qubites rendszer már szinte elképzelhetetlenül nagy mennyiségű (2^100, ~1.268E30) egyidejű művelet végrehajtására képes.[7]
↑F. Károlyházy, A. Frenkel, B. Lukács: On the Possible Rôle of Gravity in the Reduction of the Wave Function. Quantum Concepts in Space and Time, eds. R. Penrose and C. J. Isham, Clarendon Press, Oxford, 1986, p. 109
↑Diósi, L.: Gravitation and quantum-mechanical localization of macro-objects. Physics Letters A, Volume 105, Issue 4-5, p. 199-202.
↑L. Diósi, B. Lukács. Phys. Lett. A181, 366 (1993)
John Gribbin:Schrödinger macskája. Kvantumfizika és valóság; ford. Both Előd; Akkord, Budapest, 2001 (Talentum tudományos könyvtár)
John Gribbin:Schrödinger kiscicái és a valóság keresése. A kvantummechanika rejtélyeinek nyomában, a Schrödinger macskája című könyv folytatása; Akkord, Budapest, 2004 (Talentum tudományos könyvtár)
