Schrödinger macskája

A Schrödinger macskája egy Erwin Schrödinger Nobel-díjas osztrák fizikus nevéhez fűződő gondolatkísérlet. A tudós ezzel a neves kísérlettel kívánta szemléltetni a mikrovilágban uralkodó törvények hétköznapi szemlélet számára meghökkentő idegenszerűségét, azt, hogy a részecskék egyidejűleg több helyen, különféle állapotokban lehetnek. Hangsúlyozandó, hogy a kísérlet csak fikció volt, a valóságban Schrödinger nem végezte el és nincs is jelentősége elvégezni.

A probléma gyökere: a szuperpozíció elve

A kvantummechanikában szuperpozíciónak nevezik, amikor egy elemi részecske (vagy hullám) ún. kevert állapotban van, azaz bizonyos tulajdonságait nem tudjuk egyértelműen megállapítani. 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 szuperpozíció összeroppan, és a részecske a lehetséges állapotai egyikébe kerül, legalábbis minden általunk elvégezhető mérés azt mutatja, hogy a részecske egy bizonyos állapotban van.

Fontos megjegyezni, hogy a szuperpozíció (akár a hullám-függvény) csakis abban az esetben omlik össze, ha mérés révén tudomást szerzünk az anyag (elektron, atom, molekula) állapotáról. Közvetlenül maga a mérés nem omlasztja össze a szuperpozíciót (hullámfüggvényt), csakis az, ha a mérés eredményét megtudjuk; tehát ha a mérés eredményét azelőtt eldobjuk, hogy megtudnánk, akkor a szuperpozíció fennmarad! A mérés eredményének ismerete azonban kényszerűen valamelyik állapotba taszítja az anyagot, ami Schrödingernél döglött vagy élő macskát eredményez, de sosem egyszerre a kettőt.

Lásd még: Hullám-részecske kettősség

A kísérlet leírása

Schrödinger macskája (illusztráció)

Teller Ede egy 1996. október 21-én, a Debreceni Akadémiai Bizottság előtt tartott előadásában így írja le a kísérletet Schrödinger szemszögéből:

„Tegyük fel, hogy van egy macskám. Ezt beteszem egy ketrecbe, és a ketrec mellé odateszek egy radioaktív készítményt, amely percenként 50%-os valószínűséggel bocsát ki egy alfa-részecskét. Egy számlálót is odateszek, ami egy percre bekapcsol. Ha ez alatt a perc alatt jön egy alfa-részecske, akkor a számláló megindul, kinyit egy kis ajtót, bejön egy kémiai méreg, amitől a macska meghal. Ha pedig nem jött alfa-részecske ebben a percben, a macska életben marad. Én ezt nem figyelem. A kísérlet végén a macska állapotfüggvénye olyan, hogy a macska egy fél valószínűséggel él, és egy fél valószínűséggel halott. Heisenberg szerint – mondja Schrödinger – ha most hirtelen ránézek a macskára, attól a tekintettől a macska tényleg meghal, vagy a macska tényleg megél. Hát kérem szépen – mondta Schrödinger –, én ebből egy szót sem hiszek. Ez így nem lehet.”

Geszti Tamás kommentárja szerint „Schrödinger macskája tehát élet és halál kvantummechanikai szuperpozíciójában lebeg, mivel sorsa összefonódott egy potenciálisan macskagyilkos α-részecskéével. … Ilyen szuperpozíciók létrehozása igazi macskával nyilvánvaló képtelenség, csak éppen nem igazán tudjuk, hogy miért.”

A kvantum-szuperpozíció határai

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, azaz 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.

Az NIST 1996-os kísérlete

A coloradói Boulderben lévő Szabványügyi és Technológiai Intézet (NIST) kutatói 1996-ban sikeres kísérleteket folytattak a kvantum-szuperpozíció összeroppanásának vizsgálatára.

A kísérletben a kutatók berilliumionokat (egyik külső elektronjuktól megfosztott berilliumatomokat) különítettek el és tartottak elektromágneses csapdában az abszolút nulla fokhoz közeli hőmérsékleten, külső energia- és sugárzási forrásoktól elszigetelten. Így a csaknem mozdulatlan (hőmozgásában is korlátozott) ionnak csupán két lehetséges kvantumállapota van: a legkülső pályán maradt egyetlen elektron mágneses momentuma felfelé vagy lefelé 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 szükséges idő 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 atomi átmérő 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.” – mondta David 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

A kvantumszámítógépek azon az elven alapulnak, hogy míg egy hagyományos számítógép bináris számrendszerben, csak 1, illetve 0 bitekkel képes dolgozni, addig egy kvantumbit (qubit) egyfajta szuperpozicionált állapotban egyszerre is felveheti ezeket.

Ahogy a qubitek száma nő, úgy növekszik a különböző állapotok száma, amelyeket megtestesíthetnek az összekapcsolt kvantum bitek. 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 1024 műveletre 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 egyidejű művelet végrehajtására képes.