Schrödingers kat: Kvantefysikere tager klassisk tankeeksperiment til et nyt stadie
De har skiftet katten ud med lys.
Schrödingers kat kvantefysik kvantemekanik atom

Forskere har skabt tankeeksperimentet ’Schrödingers kat’ i virkeligheden og på en måde, så forsøget med sikkerhed kan gentages. (Illustration: Christoph Hohmann, Nanosystems Initiative Munich (NIM))

Måske har du hørt om tankeeksperimentet med katten, der bliver lukket inde i en boks sammen med et atom, der måske henfalder, og en kolbe med giftig gas?

Hvis atomet henfalder, altså, ændrer tilstand, vil en lille hammer knuse kolben, og katten dør af forgiftning. Henfalder atomet ikke, lever katten.

Nu forlader du boksen i en times tid, og når du kommer tilbage, ved du ikke, om katten er død eller levende – den er i en såkaldt ’superposition’ og er både levende og død på samme tid.

Så snart du undersøger sagen og åbner boksen, vil katten enten være levende eller død - og ikke længere begge dele.

Om Schrödingers kat
  • 'Schrödingers kat' var aldrig en rigtig kat, men titlen på fysikeren Erwin Schrödingers tankeeksperiment fra 1935, som er beskrevet i artiklens indledning. 
  • Schrödinger ville vise, at den måde, vi fortolkede kvantefysik på, som især den danske fysiker Niels Bohr repræsenterede, var ulogisk, når man skalerede det op til makro-niveau og brugte teorierne på store ting som katte fremfor bittesmå atomdele.

Kilde: Ulrich Busk Hoff

Nyt studie får lys til at opføre sig som Schrödingers kat

Dette mærkelige tankeeksperiment blev udtænkt af Erwin Schrödinger i 1935 og skulle dengang vise, at der var noget galt med den måde, forskere forstod kvantefysik, fordi teorierne blev absurde, når de blev skaleret op i katte-størrelse.

Pointen var, at vi godt kan tænke, at et atom kan være to modstridende ting på samme tid - eksempelvis levende og dødt - men når man siger det samme om en kat, bliver det absurd.

Siden er tankeeksperimentet dog blevet et klassisk tema indenfor fysikken, der stadig afføder mange forsøg på at skabe ’Schrödingers kat’.

For nylig lykkedes det for et hold forskere at få en lysimpuls til at opføre sig ligesom katten i Schrödingers tankeeksperiment - ikke bare én gang, men hver gang de forsøgte, og dét er nyt.

»Jeg kender forskergruppen, og de har arbejdet med det her i lang tid. Det er ikke første gang, det lykkedes for nogen, men det er imponerende, at de har manipuleret kvantemekanikken og kontrolleret naturen på allermindste niveau, så de kan skabe denne superposition, hver gang de ønsker det,« siger Ulrich Busk Hoff.

Han er postdoc ved DTU Fysik og har set på de nye resultater for Videnskab.dk. Resultaterne er udgivet i det videnskabelige tidsskrift Nature Photonics.

LÆS OGSÅ: Kom med kvantemekanikkens skyggejægere i laboratoriet

Hvad er kvantefysik?
  • Den del af fysikken, som beskæftiger sig med stoffers egenskaber på atomart niveau og dermed de allermindste enheder, som verden består af.
  • Forskere indenfor denne disciplin bruger derfor tid på at undersøge og beskrive atomers opførsel, og hvad disse består af.
  • Moderne kvantefysik undersøger bl.a., hvordan man kan kontrollere kvantemekaniske systemer. Det er det, forskerne i det nye studie har gjort.

Kilde: Niels Bohr Instituttet

Succes hver gang

Det lyder måske mærkeligt, at forskerne ville have en lysimpuls til at opføre sig ligesom Schrödingers kat.

Det handler om, at katten er et billede på det fænomen i kvantefysikken, hvor et objekt er i to modstridende tilstande på samme tid.

»Mange har lavet det her forsøg på forskellige måder, og lykkedes med det. Men normalt arbejder man med en vis sandsynlighed for, at det lykkes at skabe en superposition. Så sker det måske hver 100. gang,« fortæller Ulrich Busk Hoff.

Men i det nye studie får forskerne ikke kun lysimpulsen til at opføre sig som Schrödingers kat med ’en vis sandsynlighed’. Der er succes hver gang.

»De har fået koblingen mellem et atom og en lysimpuls til at opnå en schrödinger-kat-tilstand, hver gang de sætter gang i eksperimentet.«

Forskerne 'sammenfiltrede' lys med atom

Og hvordan gjorde forskerne så? Her bliver det lidt tricky, men hæng på!

Forskerne fangede et rubidium-atom i et hulrum på 0,5 mm mellem to spejle. Så sendte de lyset ind i hulrummet, og det blev sammenfiltret med atomet, så lys og atom kunne ses som ét samlet system.

Rubidium
  • Rubidium er grundstof nr.37 i det periodiske system
  • Under normale temperatur- og trykforhold tager det form som sølvhvidt, blødt metal og brænder med en rødviolet flamme.
  • Navnet kommer fra sammensætningen af det latinske ord rubidus, som betyder ’mørkerød’, og endelsen -ium, som viser, at der er tale om et grundstof.

Kilde: Den Store Danske 

Herefter blev sammenfiltringen brudt igen, og forskerne målte på atomet.

Afhængigt af resultatet var lyset i en ud af de to mulige versioner af den tilstand, som Schrödingers kat var i, mens den var i superpositionen og altså både levende og død.

Til sidst målte forskerne lyset for at få bekræftet det, de målte på atomet.

LÆS OGSÅ: Ugens Podcast: Kan du forstå kvantefysik?

Lang vej fra fire fotoner til en kat

Når forskere bliver ved med at prøve at virkeliggøre Schrödingers kat, er det, fordi de håber at kunne få tilstanden til at opstå i objekter på makroplan – altså, ting, som er lige så store som eksempelvis en kat.

Lysimpulsen, der opnår superpositionen, består i studiet dog kun af fire fotoner (lyspartikler), og det er ikke specielt meget.

»Man kan derfor argumentere for, at det måske ikke helt er en makroskopisk tilstand, som de også skriver i studiet,« påpeger Ulrich Busk Hoff.

Der er derfor et godt stykke vej endnu, før fire fotoner bliver til en kat. Men det nye studie har vist, at det nu er muligt at kontrollere kvantemekanikken så meget, at forskerne i hvert fald kan frembringe den absurde tilstand, hver gang de ønsker det.

LÆS OGSÅ: Kan store ting også opføre sig kvantefysisk?

LÆS OGSÅ: Ny teknik kaster lys over Schrödingers kat

Ulrich Busk-Hoff, der er postdoc ved Department of Physics på DTU, har været med i denne video, hvor han fortæller om sit eget projekt, som minder om det i artiklen her. (Video: Kristian Højgaard Nielsen)

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.


Se den nyeste video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Det sker