Schrödingers kat: het gedachte-experiment over kwantumonzekerheid

Ontdek Schrödingers kat: het beroemde gedachte-experiment over kwantumonzekerheid, superpositie en wat observatie doet met de realiteit.

Schrödinger's kat is een gedachte-experiment over kwantumfysica. Erwin Schrödinger stelde het voor in 1935, als reactie op de Kopenhagense interpretatie van de kwantumfysica.

Schrödinger schreef:

Men kan zelfs behoorlijk belachelijke gevallen opzetten. Een kat wordt opgesloten in een stalen kamer, samen met het volgende apparaat (dat moet worden beveiligd tegen directe interferentie door de kat): in een geigerteller is er een klein beetje radioactieve stof, zo klein, dat misschien in de loop van een uur slechts een van de atomen vervalt, maar ook, met dezelfde waarschijnlijkheid, misschien geen; als het gebeurt, ontlaadt de tegenbuis en door een relais laat een hamer los die een klein flesje waterstofcyanide verbrijzelt. Als men dit hele systeem een uur lang aan zichzelf heeft overgelaten, zou men zeggen dat de kat nog leeft als ondertussen geen enkel atoom is vergaan. De psi-functie van het hele systeem zou dit tot uitdrukking brengen door de levende en dode kat (vergeef me de uitdrukking) in gelijke delen te laten mengen of uit te smeren.

Het is typisch voor deze gevallen dat een onbepaaldheid die oorspronkelijk beperkt was tot het atoomdomein, wordt omgezet in een macroscopische onbepaaldheid, die vervolgens kan worden opgelost door directe observatie. Dat voorkomt dat we zo naïef zijn om een "wazig model" voor de representatie van de werkelijkheid als geldig te accepteren. Op zich zou het niets onduidelijks of tegenstrijdigs belichamen. Er is een verschil tussen een wankele of onscherpe foto en een momentopname van wolken en mistbanken.

-•Erwin Schrödinger, Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik (De huidige situatie in de kwantummechanica), Naturwissenschaften
(vertaald door John D. Trimmer in Proceedings of the American Philosophical Society)

In eenvoudige bewoordingen stelde Schrödinger dat als je een kat en iets dat de kat zou kunnen doden (een radioactief atoom) in een doos stopt en deze verzegelt, je niet zou weten of de kat dood of levend was totdat je de doos opende, zodat de kat (in zekere zin) zowel "dood als levend" was totdat de doos werd geopend. Dit gedachte-experiment benadrukt een fundamenteel probleem in de interpretatie van kwantummechanica: hoe verschuift een systeem van een superpositie van mogelijkheden naar één concrete uitkomst?

Wat laat het gedachte-experiment zien?

• Superpositie: volgens de kwantumtheorie kan een systeem (zoals een atoom) in een combinatie van meerdere toestanden tegelijk zitten. Die combinatie wordt beschreven door de golf- of psi-functie.
• Meetprobleem: de theorie beschrijft kansverdelingen voor uitkomsten, maar niet eenduidig wanneer of waarom één specifieke uitkomst zich daadwerkelijk manifesteert — het zogenaamde ineenstorten of 'collapse' van de golffunctie.
• Macroscopische paradox: Schrödinger voegde een alledaags voorwerp (de kat) toe aan een kwantumsysteem om te laten zien dat het idee van superpositie absurd lijkt als het op grotere schalen wordt toegepast.

De interpretatie van Kopenhagen kort uitgelegd

De interpretatie van Kopenhagen stelt globaal dat de wiskundige golffunctie alleen kansen geeft en dat bij meten of observeren de golffunctie 'instort' naar één resultaat. Totdat die meting plaatsvindt is er alleen een kansverdeling. In Schrödingers voorbeeld betekent dat: zolang de doos dicht is, kan men volgens deze manier van redeneren niet zeggen of de kat levend of dood is — de beschrijving bevat beide mogelijkheden.

Moderne reacties en alternatieve interpretaties

Sinds Schrödingers publicatie zijn er verschillende manieren voorgesteld om met de paradox om te gaan:

• Veel-werelden-interpretatie (Many-Worlds): er vindt geen collapse plaats; in plaats daarvan splitst het universum zich bij een kwantumgebeurtenis in takken waarin elk mogelijk resultaat voorkomt. Beide toestanden van de kat bestaan dan in verschillende vertakkingen van de werkelijkheid.
• Decoherentie: dit is een fysisch mechanisme waarbij interacties met de omgeving de coherente superpositie van een systeem snel ‘virtueel’ uitwisselen met talloze miljarden omgevingsdeeltjes, waardoor het systeem zich gedraagt alsof het in één klasse van uitkomsten zit. Decoherentie verklaart waarom we zelden superposities op macroscopische schaal waarnemen, maar zegt op zichzelf niets over het ontstaan van één concrete uitkomst (de exacte collapse blijft problematisch voor sommige filosofen).
• Objectieve collapsmodellen (bijv. GRW): deze theorieën stellen dat de golffunctie spontaan en objectief instort met een kleine kans per deeltje, waardoor grote systemen vrijwel altijd in een klassieke staat zitten.
• Pragmatische of instrumentele benaderingen: sommige fysici zien de golffunctie puur als een instrument om voorspellingen te doen en vermijden metafysische claims over 'wat er echt bestaat'.

Experimenten en schaalbaarheid

Hoewel Schrödingers kat een gedachte-experiment is, zoeken wetenschappers actief naar manieren om superpositie op steeds grotere (macroscopische) schalen te testen:

• Interferentie-experimenten zijn succesvol uitgevoerd met steeds grotere moleculen (bijv. C60-"buckyballs"), wat aantoont dat kwantumeigenschappen zich ook bij grotere systemen voordoen.
• Supergeleidende circuits en SQUIDs laten kwantumcoherentie zien op een schaal waarop meerdere stroomdeeltjes samenwerken, en worden gebruikt in qubits voor quantumcomputers.
• Optomechanica en pogingen om trillende macromechanische resonatoren in superpositie te brengen zijn in ontwikkeling; zulke experimenten testen decoherentiesnelheden en mogelijke collapsmechanismen.

Breder filosofisch en praktisch belang

Schrödingers kat raakt aan grote vragen over de aard van werkelijkheid, causaliteit en kennis. Enkele gevolgen:

• Het benadrukt het meetprobleem — hoe en waarom specifieke uitkomsten ontstaan uit kansbeschrijvingen.
• Het toont aan dat interpretaties van kwantummechanica niet alleen theoretische curiosa zijn, maar ook leidend kunnen zijn voor experimenteel onderzoek naar de grenzen van quantumgedrag.
• Praktisch: begrip van decoherentie en superpositie is cruciaal voor technologische toepassingen zoals quantumcomputing, kwantumsensoren en kwantumcommunicatie.

Andere gedachte-experimenten en vervolgvragen

Gerelateerde gedachte-experimenten, zoals Wigner's friend, onderzoeken verder de rol van de waarnemer en of twee verschillende waarnemers verschillende 'werkelijkheidstoestanden' kunnen toekennen. Ze maken duidelijk dat het interpretatieprobleem bovendien sociale en conceptuele lagen heeft: wat telt als meten, en wie is de waarnemer?

Samenvatting

Schrödingers kat is geen echt experiment met dieren, maar een scherpe voorstelling om aan te tonen dat de standaardkwantumregels — superpositie en probabilistische uitkomsten — vragen oproepen wanneer ze worden doorgetrokken naar de macrowereld. Het gedachte-experiment heeft geleid tot veel discussie en onderzoek: sommige benaderingen zoeken naar mechanismen die superposities snel kapotmaken (decoherentie, collapsmodellen), andere accepteren meerdere werkelijkheden of beperken zich tot praktische voorspellende regels. Het blijft één van de meest effectieve en aansprekende manieren om het spanningsveld tussen kwantumwetten en alledaagse ervaring uit te leggen.

Voor verdere verdieping zijn onderwerpen zoals wavefunction collapse, de Born-regel, decoherentie, Veel-werelden en objectieve collapsmodellen goede startpunten.

Vragen en antwoorden

V: Wat is de kat van Schrödinger?

V: Wat zegt de interpretatie van Kopenhagen over deeltjes?

V: Hoe toonde Schrödinger dit concept aan?

V: Wat zijn twee soorten natuurkunde die in deze tekst worden genoemd?

V: Hoe beïnvloedt het waarnemen van iets een experiment?

V: Wat betekent "psi-functie"?

Zoek op letter