Schrödinger macskája

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából

A Schrödinger macskája egy gondolatkísérlet, amely Erwin Schrödinger Nobel-díjas osztrák fizikus nevéhez fűződik. 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 probléma gyökere: a szuperpozíció elve[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A kvantummechanikában szuperpozíciónak nevezik, amikor egy elemi 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 részecske hullámfüggvénye összeomlik, és a részecske a lehetséges alap- vagy saját-állapotai 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 döglött vagy élő macskát eredményez, de sosem egyszerre a kettőt.

Lásd még: Hullám-részecske kettősség

A kísérlet leírása[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Schrödinger, hogy a kvantumelmélet egyik abszurditását szemléltesse, egy képzeletbeli macskát egy zárt dobozba helyezett, amibe kívülről nem lehetett belelátni. A macska egy puskacsővel szemben van elhelyezve. A puska ravasza egy Geiger-Müller számlálóhoz van csatlakoztatva. A dobozban van egy darab radioaktív urán (de nem akkora, hogy az megölje a macskát). Az urán magja instabil és véletlenszerű időpontban sugárzást bocsát ki, amit észlel a Geiger-Müller számláló, ami meghúzza a puska ravaszát, a puska elsül és a macska meghal. Hogy eldöntsük, a macska él-e vagy meghal, ki kell nyitni a dobozt.

A fogós kérdés azonban az, hogy milyen állapotban van a macska a doboz kinyitása előtt? A kvantumelmélet szerint a macska hullámfüggvénye 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 kísérlet értelmezése[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A kísérletnek legalább három eltérő értelmezése létezik.

1. Feltételezhetjük isten létezését. Mivel minden megfigyeléshez kell egy megfigyelő, kell lennie valamilyen „tudatosságnak” az Univerzumban. 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. A sokvilág-elmélet szerint minden kvantumvilág létezik és ezek útelágazáshoz hasonlóan kapcsolódnak egymáshoz. Az egyik ilyen világban a puska elsült és a macska meghalt, míg egy másikban ez nem történt meg és a macska életben maradt.

A kvantum-szuperpozíció határai[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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. E területen egymástól függetlenül két magyar csoport is végzett kutatásokat. A hetvenes és nyolcvanas években Károlyházy[1], a nyolcvanas évektől Diósi vezetésével.[2][3]

Az NIST 1996-os kísérlete[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A coloradói Boulderben lévő Szabványügyi és Technológiai Intézet (NIST) kutatói 1996-ban sikeres kísérleteket folytattak a kvantum-szuperpozíció összeroppanásának vizsgálatára.[4]

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[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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.[5]

Jegyzetek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  1. 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
  2. Diósi, L.: Gravitation and quantum-mechanical localization of macro-objects. Physics Letters A, Volume 105, Issue 4-5, p. 199-202.
  3. L. Diósi, B. Lukács. Phys. Lett. A181, 366 (1993)
  4. Kvantumfizika: Mikor „roppan össze” Schrödinger macskája? (Élet és Tudomány, 2000/6.)
  5. SG.hu – Áttörés a kvantumszámítógépek fejlesztésében

Források[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • Michio Kaku: Hipertér, Akkord Kiadó, 2006, p. 268.

További információk[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]