Schrödingerova kočka je myšlenkový experiment týkající se kvantové fyziky. Erwin Schrödinger ho navrhl v roce 1935 v reakci na kodaňskou interpretaci kvantové fyziky.

Schrödinger napsal:

Lze dokonce vytvořit docela absurdní případy. Kočka je zavřená v ocelové komoře spolu s následujícím zařízením (které musí být zajištěno proti přímému zásahu kočky): v Geigerově čítači je malinký kousek radioaktivní látky, tak malý, že se možná během hodiny rozpadne jen jeden z atomů, ale také, se stejnou pravděpodobností, možná žádný; pokud se tak stane, trubice čítače se vybije a přes relé uvolní kladivo, které rozbije malou baňku s kyselinou kyanovodíkovou. Kdybychom celý tento systém nechali hodinu na pokoji, řekli bychom, že kočka stále žije, pokud se mezitím žádný atom nerozpadl. Psi-funkce celého systému by to vyjadřovala tím, že by se v něm živá a mrtvá kočka (promiňte mi ten výraz) smísily nebo rozmazaly stejným dílem.

Pro tyto případy je typické, že neurčitost původně omezená na atomární oblast se změní na makroskopickou neurčitost, kterou lze následně vyřešit přímým pozorováním. To nám brání tak naivně přijmout za platný "rozmazaný model" pro zobrazení reality. Sám o sobě by neztělesňoval nic nejasného nebo rozporuplného. Je rozdíl mezi roztřesenou nebo rozostřenou fotografií a snímkem mraků a mlžných lavic.

- Erwin Schrödinger, Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik (Současná situace v kvantové mechanice), Naturwissenschaften
(přeložil John D. Trimmer ve sborníku Americké filozofické společnosti)

Zjednodušeně řečeno, Schrödinger tvrdil, že pokud umístíte kočku a něco, co by ji mohlo zabít (radioaktivní atom), do krabice a zapečetíte ji, nebudete vědět, zda je kočka mrtvá nebo živá, dokud krabici neotevřete, takže dokud není krabice otevřena, kočka bude (v jistém smyslu) "mrtvá i živá". To se používá k znázornění toho, jak funguje vědecká teorie. Nikdo neví, zda je nějaká vědecká teorie správná, nebo ne, dokud ji nelze otestovat a prokázat.

Fyziku lze rozdělit na dva typy: klasickou fyziku a kvantovou mechaniku. Klasická fyzika vysvětluje většinu fyzikálních interakcí, například proč se míč při pádu odrazí. Lze ji také použít k předpovídání fyzikálních interakcí, například co se stane, když upustíte míč. Některé fyzikální interakce však nevysvětluje, například to, jak se světlo může změnit na elektřinu. Kvantová mechanika poskytuje fyzikům způsob, jak vysvětlit, proč se tyto věci dějí.

Kodaňská interpretace se používá k vysvětlení toho, co se děje s nejmenší částí atomu (subatomární částicí), aniž bychom se na ni dívali (pozorovali ji nebo měřili). Matematika se používá k tomu, aby ukázala, jak pravděpodobné je, že se s částicí něco stane. Částici lze popsat tak, že je 50% pravděpodobnost, že se bude nacházet na jednom místě v jednom čase, nebo 50% pravděpodobnost, že se bude nacházet na jednom místě v jiném čase. To lze také vyjádřit jako graf (nebo vlnovku). To je velmi výhodné při výpočtech v kvantové fyzice.

Jediný způsob, jak si být stoprocentně jistý, kde se částice nachází, je pozorovat ji. Až do okamžiku, kdy ji pozorujete, kodaňská interpretace říká, že částice je tam a není tam. Teprve když částici pozorujete, víte, zda tam je, nebo není.

Zatímco v kvantové fyzice to dává smysl, v klasické (reálné) fyzice to smysl nedává.

Schrödinger chtěl ukázat, že tento způsob uvažování o kvantové mechanice by vedl k absurdním situacím. Navrhl myšlenkový experiment.

Kočka je umístěna v místnosti oddělené od okolního světa.

V místnosti je Geigerův čítač, který počítá množství radioaktivního rozpadu, a trocha radioaktivního prvku.

Během jedné hodiny se může jeden z atomů radioaktivního materiálu rozpadnout (nebo se rozpadne, protože materiál není stabilní), nebo také nemusí.

Pokud se materiál rozpadne, uvolní se z něj atomová částice, která zasáhne geigerův čítač a uvolní jedovatý plyn, který kočku zabije.

Otázka nyní zní: je kočka na konci hodiny živá, nebo mrtvá? Schrödinger říká, že podle kodaňské interpretace, dokud jsou dveře zavřené, je kočka živá a mrtvá. Dokud se dveře neotevřou, nelze to zjistit. Otevřením dveří však člověk zasahuje do experimentu. Osoba a experiment musí být popsány s ohledem na sebe navzájem.

Při pohledu na experiment osoba ovlivnila experiment, proto nám nemusí dát správnou odpověď.

Myšlenkový experiment vymyslel Schrödinger, aby demonstroval pošetilost uvažování o kvantových stavech velkých objektů. Mnohokrát se na něj odkazovalo i v popkultuře.

Co přesně experiment ukazuje

Schrödingerova kočka ilustruje problém přenášení kvantových vlastností z mikrosvěta (například stav jednoho atomu) do makrosvěta (žijící kočka). V kvantové mechanice může systém existovat v superpozici dvou nebo více stavů současně — vlnová funkce (ψ) tuto superpozici popisuje matematicky. V myšlenkovém experimentu je vlnová funkce celého systému lineární kombinací stavu "kočka živá" a stavu "kočka mrtvá". Schrödinger chtěl ukázat, že způsob, jakým kodaňská interpretace popisuje kolaps vlnové funkce, vede k intuitivně podivným závěrům, pokud se aplikuje na velké objekty.

Kvantní popis (stručně)

  • Počáteční stav má atom v superpozici nezreagovaného a rozpadlého stavu. Celý systém (atom + detektor + mechanismus + kočka) je kvantově entanglován.
  • Matematicky lze stav zapsat přibližně jako: |ψ> = a|atom-nerozpadlý> ⊗ |kočka-živá> + b|atom-rozpadlý> ⊗ |kočka-mrtvá>, kde koeficienty a a b určují pravděpodobnosti (Bornovo pravidlo: pravděpodobnost je |a|^2, |b|^2).
  • Když proběhne měření (otevření krabice, kontakt s prostředím), v některých interpretacích nastane tzv. kolaps vlnové funkce a systém „zvolí“ jeden z těchto stavů. V jiných výkladech (např. mnoho světů) ke kolapsu nedochází, systém se rozdělí na větve, v nichž kočka je vždy buď živá, nebo mrtvá.

Decoherence a moderní vysvětlení

Jeden z klíčových pokroků po Schrödingerově době je teorie dekoherence. Dekoherence popisuje, jak interakce s okolním prostředím rychle potlačí kvantové interference mezi makroskopickými komponentami superpozice. Prakticky to znamená, že i když matematicky existuje superpozice „živá + mrtvá“, pro jakýkoli pozorovatelný efekt se systém chová jako klasická statistická směs stavů — „buď nebo“ — protože kvantové interference jsou nepozorovatelné velmi rychle.

Dekoherence tedy vysvětluje, proč makroskopické superpozice nejsou snadno pozorovatelné, aniž by nutně řešila samotný filozofický problém kolapsu či vědomého pozorovatele.

Různé interpretace a jejich přístup

  • Kodaňská interpretace: měření vede ke kolapsu vlnové funkce; před měřením není systém v jediné definované realitě.
  • Mnoho světů (Everettova): žádný kolaps; při měření se vesmír „rozdělí“ do větví, v nichž se projeví všechny možné výsledky.
  • Skryté proměnné (Bohmova mechanika): existují dobře definované, deterministické trajektorie částic, vlnová funkce řídí jejich pohyb, paradox s kočkou se interpretuje jinak.
  • Objektivní kolapsové teorie: navrhují, že vlnová funkce se spontánně zhroutí, přičemž pravděpodobnost kolapsu roste s velikostí systému — to je snaha vysvětlit, proč makrosvět působí klasicky.

Současné experimenty a meze superpozice

Od doby Schrödingera fyzici demonstrovali kvantové superpozice v stále větších systémech: elektronové superpozice, atomové interferometry, molekuly (např. buckminsterfullereny), supravodivé obvody (qubity) a dokonce makroskopické kolektivní stavy (např. koherentní proudy v SQUID). Nicméně vytvoření superpozice u biologického, „vědomého“ organismu, jako je kočka, není prakticky možné kvůli velmi rychlé dekoherenci a obrovskému počtu interakcí s prostředím.

Časté omyly

  • Omyl: "Kočka je doslova mrtvá i živá, dokud otevřu krabici." Správně: podle kvantového popisu je kočka entanglovaná s kvantovým systémem a matematicky existuje superpozice. V praxi je mezera mezi kvantovým a každodenním světem vyplněna interakcemi s prostředím a dekoherencí.
  • Omyl: "Potřeba vědomého pozorovatele." Ve vědecké terminologii stačí interakce s jinými částmi systému (detektorem, okolím) — není nutné, aby pozorovatel byl živá bytost nebo vědomé jádro.
  • Omyl: "Schrödinger věřil, že kočka je skutečně v obou stavech." Naopak, Schrödinger myšlenkový experiment navrhl jako kritiku a demonstraci absurdity určitého použití kvantové teorie na makroskopické objekty.

Význam a dědictví

Schrödingerova kočka zůstává silným pedagogickým nástrojem: stručně a názorně ukazuje, proč je tzv. měřicí problém v kvantové mechanice důležitý a proč existuje mnoho různých interpretací. Experiment přiměl fyziky a filozofy k hlubšímu přemýšlení o povaze reality, měření a vztahu mezi teorií a pozorováním. V kultuře se pojem „Schrödingerova kočka“ stal metaforou pro stavy neurčitosti a paradoxů.

Závěr

Schrödingerova kočka není doslovný návrh na zabití zvířete, ale myšlenkový nástroj, který ilustruje komplikace přenosu kvantových principů do makrosvěta. Moderní fyzika (zejména teorie dekoherence) nabízí vysvětlení, proč makroskopické objekty nevykazují zjevné superpozice, avšak základní filozofické otázky ohledně měření a interpretace kvantové mechaniky přetrvávají.