أهمية قطة شرودنغر في الميكانيكا الكمية

في ميكانيكا الكم تعتبر قطة شرودنغر تجربة فكرية توضح مفارقة تراكب الكم، ففي التجربة الفكرية يمكن اعتبار قطة افتراضية حية وميتة في نفس الوقت، بينما لا يتم ملاحظتها في صندوق مغلق، نتيجة ارتباط مصيرها بحدث دون ذري عشوائي قد يحدث أو لا يحدث.

ماذا يمكن لقطة شرودنغر أن تعلمنا عن الميكانيكا الكمية

التفسير الشائع لميكانيكا الكم هو تفسير كوبنهاجن، ففي تفسير كوبنهاجن، يتوقف النظام عن كونه تراكبًا للحالات ويصبح إما واحدًا أو آخرًا عندما تحدث الملاحظة، إذ توضح هذه التجربة الفكرية حقيقة أن طبيعة القياس أو الملاحظة ليست محددة جيدًا في هذا التفسير.

يمكن تفسير التجربة عندما يغلق الصندوق، حيث يوجد النظام في نفس الوقت في تراكب للحالتين، النواة المتحللة أو القط الميت والنواة غير الفاسدة أو القط الحي، وذلك فقط عندما يفتح الصندوق والملاحظة التي تم عملها هل تنهار الدالة الموجية إلى إحدى الحالتين.

في عام 1932، وصف جون فون نيومان نمطًا يتم فيه ملاحظة المصدر المشع بواسطة جهاز، والذي يتم ملاحظته بواسطة جهاز آخر، وهكذا، إذ لا يوجد فرق في تنبؤات نظرية الكم، حيث ينهار التراكب على طول هذه السلسلة من التأثيرات السببية، ويمكن كسر هذه السلسلة اللانهائية المحتملة إذا تم استبدال الجهاز الأخير بمراقب واع، وأدى هذا إلى حل المشكلة لأنه تم الادعاء بأن وعي الفرد لا يمكن أن يكون متعددًا.

وأكد نيومان أن المراقب الواعي ضروري لانهيار أحدهما أو الآخر، على سبيل المثال إما قطة حية أو قطة ميتة للمصطلحات الموجودة على الجانب الأيمن من دالة الموجة، حيث تم تبني هذا التفسير لاحقًا من قبل يوجين وينر، الذي رفض بعد ذلك التفسير في تجربة فكرية.

تفسير بوهر لميكانيكا الكم حسب تجربة قطة شرودنجر

قدم نيلز بور أحد العلماء الرئيسيين المرتبطين بتفسير كوبنهاجن تفسيرًا مستقلاً عن الانهيار الناتج عن المراقب الذاتي لوظيفة الموجة، أو القياس، وبدلاً من ذلك تؤدي عملية لا رجعة فيها، أو عملية لا رجوع فيها فعليًا إلى اضمحلال التماسك الكمي الذي ينقل السلوك الكلاسيكي للملاحظة أو القياس، وهكذا فإن قط شرودنجر سيكون إما ميتًا أو على قيد الحياة قبل فترة طويلة من ملاحظة الصندوق.

إن حل هذه المفارقة هو أن إطلاق عداد جيجر يعد مقياسًا لحالة المادة المشعة، ونظرًا لأن القياس قد حدث بالفعل لتحديد حالة القط، فإن الملاحظة اللاحقة بواسطة الإنسان تسجل فقط ما حدث بالفعل، حيث وجد تحليل تجربة فعلية أجراها روجر كاربنتر وأي جيه أندرسون أن القياس وحده، على سبيل المثال بواسطة عداد جيجر كافٍ لانهيار دالة الموجة الكمومية قبل أن يعرف أي إنسان النتيجة.

يشير الجهاز إلى لون من لونين حسب النتيجة، ويرى المراقب البشري اللون المشار إليه، لكنه لا يعرف بوعي النتيجة التي يمثلها اللون، ويتم إخبار الإنسان الثاني الشخص الذي قام بإعداد الجهاز باللون ويصبح مدركًا للنتيجة، ويتم فتح الصندوق للتحقق مما إذا كانت النتيجة متطابقة، ومع ذلك هناك خلاف حول ما إذا كانت مجرد ملاحظة اللون تعتبر ملاحظة واعية للنتيجة.

تفسيرات العوالم المتعددة لميكانيكا الكم

في تفسير العوالم المتعددة، كل حدث هو نقطة فرع، حيث أن القطة حية وميتة بغض النظر عما إذا كان الصندوق مفتوحًا أم لا، ولكن القطط الحية و الميتة موجودة في فروع مختلفة من الكون تكون حقيقية بنفس القدر، ولكن لا يمكنها التفاعل مع بعضها البعض.

في عام 1957، صاغ هيو إيفريت تفسير العوالم المتعددة لميكانيكا الكم، والذي لا يفرد الملاحظة كعملية خاصة، إذ أنه في تفسير العوالم المتعددة تستمر حالة القط الحية والميتة بعد فتح الصندوق، ولكنها منفصلة عن بعضها البعض، وبعبارة أخرى عندما يتم فتح الصندوق ينقسم الراصد والقط الميت المحتمل إلى مراقب ينظر إلى صندوق به قطة ميتة ومراقب ينظر إلى صندوق به قطة حية، ولكن نظرًا لأن الحالتين الميتة والحياتية غير مترابطة، فلا يوجد اتصال أو تفاعل فعال بينهما.

عندما يفتح الصندوق يتراكب المراقب مع القطة، لذلك تتشكل حالات المراقب المقابلة لكون القطة حية وميتة، إذ أن كل حالة مراقب متشابكة أو مرتبطة بالقط، بحيث تتماشى مراقبة حالة القط وحالة القط مع بعضهما البعض.

يضمن فك الترابط الكمي عدم تفاعل النتائج المختلفة مع بعضها البعض، وهي نفس آلية فك الترابط الكمي مهمة أيضًا للتفسير من حيث التواريخ الثابتة، فقط القط الميت أو القط الحي يمكن أن يكونا جزءًا من تاريخ ثابت في هذا التفسير، إذ يعتبر فك الترابط بشكل عام لمنع المراقبة المتزامنة لحالات متعددة.

تفسير العلائقية لميكانيكا الكم

لا يميز التفسير العلائقي اختلافًا جوهريًا بين المجرب البشري، أو القط أو الجهاز، أو بين الأنظمة الحية وغير الحية، فكلها أنظمة كمومية تحكمها نفس قواعد تطور الدالة الموجية، ويمكن اعتبارها جميعًا مراقبين، لكن التفسير العلائقي يسمح للمراقبين المختلفين بإعطاء روايات مختلفة لنفس سلسلة الأحداث اعتمادًا على المعلومات التي لديهم عن النظام.

يمكن اعتبار القطة مراقبًا للجهاز، وفي غضون ذلك، يمكن اعتبار المجرب مراقبًا آخر للنظام الموجود في الصندوق، وقبل فتح الصندوق يكون لدى القطة بحكم طبيعتها لكونها حية أو ميتة معلومات عن حالة الجهاز، لكن المجرب ليس لديه معلومات حول حالة محتويات الصندوق.

وبهذه الطريقة، يكون للمراقبين حكايات مختلفة للوضع في وقت واحد، فبالنسبة للقط يتبين أن الدالة الموجية للجهاز تنهار، وبالنسبة إلى المجرب يتبين أن محتويات الصندوق في حالة تراكب، قبل أن يتم فتح الصندوق ويكون لدى كلا المراقبين نفس المعلومات حول ما حدث.

تفسير المعاملات لميكانيكا الكم

• في تفسير المعاملات يرسل الجهاز موجة متقدمة إلى الوراء في الوقت المناسب، والتي تتحد مع الموجة التي يرسلها المصدر إلى الأمام في الوقت المناسب، وتشكل موجة ثابتة، حيث يُنظر إلى الموجات على أنها حقيقية ماديًا ويعتبر الجهاز مراقبًا.

• في تفسير المعاملات، يكون انهيار الدالة الموجية مؤقتًا ويحدث على طول المعاملة بأكملها بين المصدر والجهاز، حيث أن القطة ليست في حالة تراكب أبدًا، وبدلاً من ذلك تكون القطة في حالة واحدة فقط في أي وقت معين بغض النظر عن الوقت الذي ينظر فيه المجرب البشري في الصندوق، حيث يحل تفسير المعاملات هذا التناقض الكمومي.

• ومن المعروف أن تأثير زينو يتسبب في تأخير أي تغييرات من الحالة الأولية، فمن ناحية أخرى يعمل التأثير المضاد لزينو على تسريع التغييرات، على سبيل المثال إذا ألقيت نظرة خاطفة على صندوق القطط بشكل متكرر فقد تتسبب إما في تأخير الاختيار المصيري أو على العكس من ذلك تسريع ذلك، فكل من تأثير زينو والتأثير المضاد لـ زينو حقيقيان ومن المعروف أنهما يحدثان للذرات الحقيقية.

• يجب أن يكون النظام الكمي الذي يتم قياسه مقترنًا بقوة بالبيئة المحيطة في هذه الحالة بالجهاز وغرفة التجربة، ومن أجل الحصول على معلومات أكثر دقة، ولكن على الرغم من عدم وجود معلومات تم تمريرها إلى العالم الخارجي، إلا أنها تعتبر شبه قياس، ولكن بمجرد أن يتم نقل المعلومات حول رفاهية القط إلى العالم الخارجي عن طريق النظرة الخاطفة في الصندوق، حيث يتحول القياس شبه إلى قياس.