Het gedachte-experiment dat bekend staat als de kat van Schrödinger is een van de meest bekende en verkeerd begrepen concepten in de kwantummechanica. Door er diep over na te denken zijn onderzoekers tot spectaculaire inzichten gekomen over de fysieke realiteit.
Wie bedacht de kat van Schrödinger?
De Oostenrijkse natuurkundige Erwin Schrödinger, die hielp de discipline van de kwantummechanica te vinden, bedacht zijn katachtige raadsel in 1935 voor het eerst als een commentaar op problemen die oorspronkelijk door de uitblinker Albert Einstein werden veroorzaakt, volgens een artikel in Quanta Magazine.
Bij het ontwikkelen van hun nieuwe begrip van het subatomaire rijk, hadden de meeste collega's van Einstein en Schrödinger zich gerealiseerd dat kwantumentiteiten buitengewoon vreemd gedrag vertoonden. De Deense natuurkundige Niels Bohr was voorstander van het besef dat deeltjes zoals elektronen pas goed gedefinieerde eigenschappen hadden toen ze werden gemeten. Voordien bestonden de deeltjes in wat bekend staat als een superpositie van staten, met bijvoorbeeld een kans van 50% om "omhoog" te zijn gericht en een kans van 50% om "omlaag" te zijn gericht.
Vooral Einstein hield niet van deze besluiteloze verklaring. Hij wilde weten hoe het universum precies weet dat iemand iets meet. Schrödinger benadrukte deze absurditeit met zijn beruchte conceptuele kat.
Stel dat iemand een vreemd ding bouwt, schreef Schrödinger in een paper uit 1935 genaamd "The Current Situation in Quantum Mechanics". Het apparaat bestaat uit een doos met een verzegelde injectieflacon cyanide, waarboven een hamer is opgehangen die aan een geigerteller is bevestigd en die is gericht op een klein brokje licht radioactief uranium. In de doos zit ook een kat (en onthoud, dit is een gedachte-experiment dat nooit echt is uitgevoerd).
De doos is verzegeld en het experiment moet gedurende een bepaalde tijd, misschien een uur, worden uitgevoerd. In dat uur heeft het uranium, waarvan de deeltjes de wetten van de kwantummechanica naleven, enige kans op straling die vervolgens wordt opgevangen door de geigerteller, die op zijn beurt de hamer loslaat en de injectieflacon kapot slaat en de kat doodt door cyanidevergiftiging.
Volgens mensen als Bohr zal het, totdat de doos wordt geopend en de status van de kat wordt 'gemeten', in een superpositie blijven van zowel levend als overleden. Mensen als Einstein en Schrödinger hadden geen enkele mogelijkheid, die niet in overeenstemming is met alles wat onze gewone ervaring ons vertelt - katten zijn levend of dood, en niet allebei tegelijk.
"de uantumfysica miste een belangrijk onderdeel, een verhaal over hoe het in de wereld op één lijn stond", schreef wetenschapsjournalist Adam Becker in zijn boek "What Is Real?" (Basic Books, 2018). 'Hoe zorgt een fenomenaal aantal atomen, bestuurd door de kwantumfysica, voor de wereld die we om ons heen zien?'
Is de kat van Schrödinger echt?
De kat van Schrödinger sneed de kern van wat bizar was over Bohr's interpretatie van de realiteit: het ontbreken van een duidelijke scheidslijn tussen de kwantum- en alledaagse rijken. Hoewel de meeste mensen denken dat het een voorbeeld is ter ondersteuning van deeltjes die duidelijk gedefinieerde eigenschappen missen totdat ze worden gemeten, was Schrödinger's oorspronkelijke bedoeling precies het tegenovergestelde - om te laten zien dat zo'n idee onzinnig was. Maar tientallen jaren lang negeerden natuurkundigen dit probleem grotendeels en gingen verder met andere dilemma's.
Maar vanaf de jaren zeventig konden onderzoekers aantonen dat kwantumdeeltjes kunnen worden gemaakt in toestanden die altijd met elkaar overeenkomen - dus als de ene een 'opwaartse' oriëntatie vertoont, zal de andere 'neer' zijn - een fenomeen dat Schrödinger verstrengeling noemde . Dit werk is gebruikt om het opkomende veld van quantum computing te ondersteunen, dat belooft rekenmachines te produceren die veel sneller zijn dan de huidige technologieën.
In 2010 slaagden natuurkundigen er ook in om een real-world versie van de kat van Schrödinger te maken, zij het op een manier waarbij er geen sprake is van felicide (ook bekend als kitty-moord). University of California, Santa Barbara, wetenschappers bouwden een resonator, in feite een kleine stemvork ter grootte van de pixel op een computerscherm. Ze plaatsten het in een superpositie waarin het zowel oscilleerde als niet tegelijkertijd oscilleerde, wat aantoont dat relatief grote objecten bizarre kwantumtoestanden kunnen bezetten.
Meer recente experimenten hebben groepen van maximaal 2000 atomen tegelijkertijd op twee verschillende plaatsen geplaatst, waardoor de scheidslijn tussen microscopisch en macroscopisch nog meer vervaagt. In 2019 slaagden onderzoekers van de Universiteit van Glasgow er zelfs in om een foto te maken van verstrengelde fotonen met een speciale camera die een foto maakte wanneer een foton opdook met zijn verwarde partner.
Hoewel natuurkundigen en filosofen het nog niet eens zijn over de manier waarop over de kwantumwereld moet worden nagedacht, hebben de inzichten van Schrödinger veel vruchtbare onderzoeksmogelijkheden opgeleverd en zullen ze dat in de nabije toekomst waarschijnlijk blijven doen.
