Paradoks kota Schrödingera. Dlaczego jest i żywy, i martwy jednocześnie?

Najsłynniejszym kotem na świecie najprawdopodobniej jest ten, o którym pisał Erwin Schrödinger. Większość z nas na pewno chociaż raz słyszała na lekcjach fizyki, o tym, że jest on równocześnie półżywy i półmartwy. Ale co to właściwie oznacza? Jak mają się do tego kwanty? I co miał pokazać ten przedziwny eksperyment?

Spis treści:

Kim był Erwin Schrödinger?
Eksperyment myślowy z kotem w pudełku
Paradoks kota Schrödingera a fizyka kwantowa

Kim był Erwin Schrödinger?

Erwin Schrödinger żył w latach 1887-1961 i był austriackim fizykiem oraz jednym z twórców mechaniki kwantowej. W 1933 roku razem z Paulem Dirakiem otrzymał Nagrodę Nobla za matematyczne sformułowanie mechaniki falowej. Dwa lata później opublikował eksperyment myślowy, zwany paradoksem kota Schrödingera.

Matematyką i fizyką Schrödinger interesował się już jako dziecko. W 1906 rozpoczął studia na wydziale fizyki uniwersytetu w Wiedniu, a w 1910 otrzymał tytuł doktora. Od 1920 roku wykładał na uczelniach w różnych krajach jako profesor oraz dalej prowadził badania.

Był twórcą mechaniki kwantowej w sformułowaniu falowym, którą opracował na podstawie związanych z falami materii idei Louisa Victora de Broglie’a. To właśnie ten naukowiec jako pierwszy stwierdził, że ruch każdej cząstki ma cechy falowe. Rozwinięcie jego teorii przez Erwina Schrödingera doprowadziło do powstania mechaniki kwantowej, której dotyczy również paradoks kota Schrödingera.

Przeczytaj również: Szukasz darmowych odpowiedzi do zadań z fizyki? Poznaj nowy serwis edukacyjny!

Eksperyment myślowy z kotem w pudełku

Paradoks kota Schrödingera jest jednym z najbardziej znanych eksperymentów myślowych w historii, choć wydaje się nie mieć nic wspólnego ze zdrowym rozsądkiem. Na czym polega?

By go zrozumieć, musimy wyobrazić sobie kota, który został zamknięty w szczelnym pudełku wraz z atomem promieniotwórczego pierwiastka oraz detektorem promieniowania. Detektor ten potrafi wykryć, czy nasz atom wyemitował cząstkę promieniowania jonizującego, a w momencie, w którym to wykryje, zamontowany w pudełku mechanizm zaczyna uwalniać trujący gaz, który zabija kota.

Kiedy pudełko jest zamknięte, a my nie widzimy, co dzieje się z kotem, jest 50 proc. szans na to, że atom wyemitował cząsteczkę i uśmiercił zwierzę oraz 50 proc. szans na to, że się to nie stało i kot jeszcze żyje. Póki nie otworzymy pudełka, by zobaczyć, co się z nim dzieje, nie możemy na 100 proc. określić stanu zwierzęcia. Będzie to możliwe dopiero wówczas, gdy je otworzymy i będziemy mogli potwierdzić z całą pewnością, że kot żyje albo nie.

kot schrodingera — Schemat przedstawiający eksperyment z kotem Schrödingera /fot. autor: Dhatfield, licencja: CC BY-SA 3.0

Przeczytaj również: Efekt zakotwiczenia działa na podświadomość. Nie daj się zmanipulować

Paradoks kota Schrödingera a fizyka kwantowa

W taki sposób o stanie kota myślimy racjonalnie i zdroworozsądkowo, natomiast mechanika kwantowa niekiedy nie ma wiele wspólnego ze zdrowym rozsądkiem i z tym, co możemy powiedzieć intuicyjnie na podstawie tego, co obserwujemy dookoła nas. Co zatem mówi ona o kocie? Według niej, póki nie otworzymy pudełka, kot, którego życie zależy od zaledwie jednego atomu, jest równocześnie żywy i martwy do czasu otwarcia pudełka.

Choć wydaje nam się to bez sensu, bo kot nie może przecież być równocześnie i żywy, i martwy, to według mechaniki kwantowej znajduje się on w obu stanach jednocześnie. Działa tu bowiem zasada kwantowej superpozycji, która mówi, że dowolny obiekt może znajdować się jednocześnie w różnych stanach kwantowych. Właśnie dlatego eksperyment ze zwierzęciem często nazywany jest paradoksem kota Schrödingera – w myśleniu z perspektywy mechaniki klasycznej, jest to po prostu niemożliwe.

Przeniesienie założeń mechaniki kwantowej, która zajmuje się przede wszystkim najmniejszymi istniejącymi w świecie cząsteczkami, do skali dużych obiektów (np. kota), pokazało natomiast, że niektóre jej prawa, które są możliwe do zaobserwowania w skali mikro, nie będą widoczne w skali makro. Dzieje się tak dlatego, że duże obiekty składają się z bardzo wielu cząsteczek, przez co stany poszczególnych z nich uśredniają się, co uniemożliwia obserwację efektów kwantowych w skali makro. Paradoks kota Schrödingera właśnie to pokazał, a jednocześnie zmusił fizyków do refleksji na temat tego, gdzie przebiega granica między światem dużych i małych obiektów.