Η Κοπεγχάγη και η κβαντική γάτα

Στις αρχές του προηγούμενου αιώνα διατυπώθηκε η κβαντική θεωρία, μια από τις θεωρίες που άλλαξαν τη θεώρηση που έχουμε για το κόσμο μας. Περιγράφει τη συμπεριφορά της ύλης σε υποατομικό επίπεδο. Η θεωρία δεν γεννήθηκε στο μυαλό ενός φυσικού αλλά χτίστηκε σιγά σιγά κάτω από την πίεση πειραματικών δεδομένων. Οι Μαξ Πλανκ, Νιλς Μπορ, Λουί Ντε Μπρολί, Βέρνερ Χάιζενμπεργκ και Έρβιν Σρέντινγκερ ήταν λίγοι από τους πολλούς που συνέβαλαν στην ανάπτυξή της.
Η κβαντική υποχρέωσε τους φυσικούς να καταλήξουν σε ορισμένα συμπεράσματα που έρχονταν σε αντίθεση με την κοινή αίσθηση. Το ένα ήταν ο κυματοσωματιδιακός δυισμός. Δηλαδή οι υποατομικές οντότητες (π.χ. ηλεκτρόνιο, φωτόνιο..) είχαν διπλή φύση : κυματική και σωματιδιακή. Δηλαδή υπήρχαν πειράματα που αυτές οι οντότητες συμπεριφέρονταν σαν σωματίδια ενώ σε άλλα συμπεριφέρονταν ως κύματα. Για παράδειγμα το ηλεκτρόνιο μέσα στο άτομο έχει κυρίως κυματικό χαρακτήρα, γεγονός που περιγράφτηκε μαθηματικά από την κυματική εξίσωση του Σρέντινγκερ για την οποία τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ το 1933.

Επίσης έγινε φανερό ότι η συμπεριφορά των υποατομικών "σωματιδίων" με τον ένα ή άλλο τρόπο επηρεαζόταν από την πειραματική διάταξη (μετρητική συσκευή) αφού οποιαδήποτε αλληλεπίδραση με αυτή προσφέρει σημαντικά ποσά ενέργειας συγκρινόμενα με την ενέργεια των οντοτήτων αυτών. Έτσι είναι αδύνατο να μετρηθούν με άπειρη ακρίβεια (και έτσι να έχουμε πλήρη γνώση της κατάστασής τους) όλες οι ιδιότητες των υποατομικών σωματιδίων κάτι που εκφράστηκε με την "αρχή της αβεβαιότητας" του  Χάιζενμπεργκ.

Μετά από αυτά ο Δανός Νιλς Μπορ εξέφρασε την θεωρία που αποτέλεσε την βάση γι αυτό που γνωρίζουμε ως "ερμηνεία της Κοπεγχάγης" (από τον τόπο που αναπτύχθηκε). Κοντολογίς είπε ότι δεν είναι δυνατόν να μιλάμε για τις ιδιότητες ενός σωματιδίου πριν αυτό μετρηθεί (παρατηρηθεί) αφού αυτές εξαρτώνται από την μετρητική συσκευή. Η μετρητική συσκευή πρέπει να αποτελέσει μέρος του κβαντικού συστήματος που μελετάμε. Πριν την μέτρηση η κβαντική οντότητα βρίσκεται σε ένα συνδυασμό καταστάσεων (υπέρθεση) που μόνο την πιθανότητα να εκδηλωθούν γνωρίζουμε (π.χ. 50% κύμα+50% σωμάτιο). Την στιγμή της μέτρησης η κυματοσυνάρτηση "καταρρέει" σε μια μόνο κατάσταση από τις πιθανές, εξαιτίας της αλληλεπίδρασης με την συσκευή.
Δηλαδή δεν μπορούμε να έχουμε πλήρη γνώση της πραγματικότητας σε κβαντικό επίπεδο. Ο ντετερμινισμός που πίστευαν μέχρι τότε οι φυσικοί μόλις πέθανε. 

Σε αυτό αντιστάθηκαν πολλοί φυσικοί με πρώτο τον Αϊνστάιν ο οποίος μάλιστα είχε βοηθήσει στην ανάπτυξη της κβαντικής θεωρίας με την εξήγηση του Φωτοηλεκτρικού φαινομένου. Είναι γνωστή ή κουβέντα που λέγεται ότι είπε στο Μπορ.."Ο Θεός δεν μπορεί να παίζει ζάρια". Επίσης λέγεται ότι ο Μπορ του απάντησε: " Δεν θα πείτε εσείς στο Θεό τι να κάνει !!". Ο  Αϊνστάιν πίστευε στην ύπαρξη "κρυμμένων μεταβλητών" που αν τις γνωρίζαμε θα μπορούσαμε να προβλέψουμε την συμπεριφορά του σωματιδίου μετά την αλληλεπίδραση με την συσκευή. Όμως μεταγενέστερα πειράματα απέκλεισαν αυτή την πιθανότητα. 

Ακόμα και ο Σρέντινγκερ αντιστάθηκε σε αυτή τη άποψη δημιουργώντας ένα νοητικό πείραμα που τον έκανε γνωστό περισσότερο από την κυματική εξίσωση του. Την "γάτα του Σρέντινγκερ".
Σε ένα κουτί που δεν μπορούμε να δούμε στο εσωτερικό του κλείνουμε μια γάτα. Μαζί της βάζουμε μια συσκευή που αποτελείται από ένα μετρητή Γκάιγκερ μικρή ποσότητα ραδιενεργού ουσίας (ώστε να υπάρχουν ίσες πιθανότητες στο να διασπαστεί ένα άτομο μέσα σε μια ώρα ή να μη διασπαστεί κανένα),  ένα σφυρί και μια φιάλη με υδροκυάνιο. Η γάτα δεν μπορεί να φτάσει την συσκευή. Αν μέσα σε μια ώρα διασπαστεί ένα άτομο της ουσίας, ο μετρητής γκάιγκερ που καταγράφει την ραδιενέργεια θα ενεργοποιηθεί και θα απελευθερώσει το σφυρί που θα σπάσει την φιάλη με το υδροκυάνιο και έτσι η γάτα θα πεθάνει. Αν κάποιος ανοίξει το κουτί μετά από μια ώρα, μπορεί να βρει την γάτα είτε ζωντανή είτα νεκρή. Το ενδιαφέρον όμως είναι σε ποια κατάσταση βρίσκεται η γάτα πριν το άνοιγμα του κουτιού. Σύμφωνα με την ερμηνεία της Κοπεγχάγης θα βρίσκεται σε μια ενδιάμεση κατάσταση (50% ζωντανή + 50% νεκρή) και με το άνοιγμα του κουτιού θα καταρρεύσει στη μια ή την άλλη. Η ύπαρξη μιας νεκροζώντανης γάτας είναι αντίθετη με τις εμπειρίες μας.  Με αυτό το νοητικό πείραμα ("παράδοξο" για μερικούς) ο Σρέντινγκερ ήθελε να δείξει την αδυναμία των προβλέψεων της κβαντομηχανικής να εφαρμοστούν στο μακρόκοσμο. 

Ποιο είναι το όριο ανάμεσα στον κβαντικό και κλασικό κόσμο; Κατά τον Μπορ ήταν η μέτρηση. Αλλά τι θεωρείται μέτρηση; Είναι απαραίτητη ή ύπαρξη του νοήμονος όντος για την κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης; Εν τέλει υπάρχει ένας αντικειμενικά πραγματικός εξωτερικός κόσμος ή όλα είναι δημιουργήματα των αισθήσεών μας; Πολλά ερωτήματα προέκυψαν από την θεμελίωση της κβαντομηχανικής και απασχολούν ακόμα τους επιστήμονες. Η κβαντομηχανική δεν μπορεί να θεωρηθεί μια πλήρης θεωρία παρά την επιτυχία της στο να ερμηνεύσει την συμπεριφορά του μικρόκοσμου. Πολλές θεωρίες-ερμηνείες έχουν διατυπωθεί με σκοπό να παρακάμψουν τα εννοιολογικά προβλήματα που προέκυψαν. Ίσως μια νέα επανάσταση στη φυσική να χρειάζεται για να δώσει τις απαντήσεις.