Schrödingerjeva izkušnja z mačko. Uporaba kvantne mehanike

"Vsakdo, ki ni šokiran nad kvantno teorijo, tega ne razume,« je dejal Niels Bohr, ustanovitelj kvantna teorija.
Warp klasična fizika- enoznačno programiranje sveta, sicer laplaceovski determinizem, je s pojavom kvantne mehanike zamenjal vdor v svet negotovosti in verjetnostnega dogajanja. In tu so miselni poskusi teoretičnim fizikom prišli prav. To so bili preizkusni kamni, na katerih so se preizkušale najnovejše zamisli.

"Schrodingerjeva mačka" je miselni eksperiment, ki ga je predlagal Erwin Schrödinger, s katerim je želel prikazati nepopolnost kvantne mehanike pri prehodu iz subatomskih sistemov v makroskopske sisteme.

Mačka je nameščena v zaprti škatli. Škatla vsebuje mehanizem, ki vsebuje radioaktivno jedro in posodo s strupenim plinom. Verjetnost, da bo jedro razpadlo v 1 uri, je 1/2. Če jedro razpade, aktivira mehanizem, odpre posodo s plinom in mačka umre. Po kvantni mehaniki je, če jedra ne opazujemo, potem njegovo stanje opisano s superpozicijo (mešanjem) dveh stanj - razpadlega jedra in nerazpadlega jedra, zato je mačka, ki sedi v škatli, hkrati živa in mrtva. hkrati. Če se škatla odpre, lahko eksperimentator vidi samo eno specifično stanje - "jedro je razpadlo, mačka je mrtva" ali "jedro ni razpadlo, mačka je živa."

Kdaj sistem preneha obstajati? Kako zmešati dve državi in ​​izbrati eno specifično?

Namen poskusa- pokazati, da je kvantna mehanika nepopolna brez nekaterih pravil, ki kažejo, pod kakšnimi pogoji pride do kolapsa valovna funkcija(trenutna sprememba kvantnega stanja predmeta, ki se zgodi med meritvijo), in mačka bodisi postane mrtva ali ostane živa, vendar preneha biti mešanica obojega.

Ker je jasno, da mora biti mačka živa ali mrtva (med življenjem in smrtjo ni vmesnega stanja), to pomeni, da to velja tudi za atomsko jedro. Nujno bo razpadlo ali nerazpadlo.

Schrödingerjev članek "The Current Situation in Quantum Mechanics", ki predstavlja miselni poskus z mačko, je bil objavljen v nemški reviji " Naravoslovje” leta 1935 za razpravo o paradoksu EPR.

Članki Einstein-Podolsky-Rosen in Schrödinger označeni čudna narava»kvantna prepletenost« (izraz je uvedel Schrödinger), značilna za kvantna stanja, ki so superpozicija stanj dveh sistemov (na primer dveh subatomskih delcev).

Interpretacije kvantne mehanike

V času obstoja kvantne mehanike so znanstveniki predlagali različne interpretacije le-te, vendar sta danes najbolj podprti »kopebenhavnska« in »mnogosvetovna«.

"Kopenhagenska interpretacija"- to interpretacijo kvantne mehanike sta oblikovala Niels Bohr in Werner Heisenberg med sodelovanje v Kopenhagnu (1927). Znanstveniki so poskušali odgovoriti na vprašanja, ki izhajajo iz dvojnosti valov in delcev, ki je neločljivo povezana s kvantno mehaniko, zlasti na vprašanje merjenja.

IN Kopenhagenska interpretacija sistem preneha biti mešanica stanj in izbere eno od njih v trenutku, ko pride do opazovanja. Poskus z mačko pokaže, da v tej interpretaciji narava prav tega opazovanja – merjenja – ni dovolj definirana. Nekateri verjamejo, da izkušnje kažejo, da dokler je škatla zaprta, je sistem v obeh stanjih hkrati, v superpoziciji stanj »razpadlo jedro, mrtva mačka« in »nerazpadlo jedro, živa mačka« in ko je škatla odprta. , šele takrat se valovna funkcija zruši na eno od možnosti. Drugi ugibajo, da do "opazovanja" pride, ko delec iz jedra zadene detektor; vendar (in to ključna točka miselni eksperiment) v köbenhavnski razlagi ni jasnega pravila, ki pravi, kdaj se to zgodi, zato je ta razlaga nepopolna, dokler se vanjo ne vnese takšno pravilo ali se pove, kako ga je mogoče uvesti. Natančno pravilo je, da se naključnost pojavi na točki, kjer je klasični približek prvič uporabljen.

Tako se lahko zanesemo naslednji pristop: v makroskopskih sistemih ne opazimo kvantnih pojavov (razen pojava superfluidnosti in superprevodnosti); torej, če kvantnemu stanju vsilimo makroskopsko valovno funkcijo, moramo iz izkušenj sklepati, da se superpozicija pokvari. In čeprav ni povsem jasno, kaj na splošno pomeni, da je nekaj »makroskopsko«, je pri mački gotovo to, da je makroskopski objekt. Tako københavnska razlaga ne upošteva, da je mačka v stanju zmede med živim in mrtvim, preden se škatla odpre.

V "razlagi mnogih svetov" kvantne mehanike, ki postopka merjenja ne smatra za nekaj posebnega, obstajata obe stanji mačke, vendar dekohere, t.j. pride do procesa, v katerem kvantnomehanski sistem interagira z okolju in pridobi informacije, ki so na voljo v okolju, ali se kako drugače »zaplete« z okoljem. In ko opazovalec odpre škatlo, se zaplete z mačko in iz tega nastaneta dve stanji opazovalca, ki ustrezata živi in ​​mrtvi mački, ti stanji pa med seboj ne delujeta. Isti mehanizem kvantne dekoherence je pomemben za "skupne" zgodovine. V tej razlagi je lahko v »skupni zgodbi« le »mrtva mačka« ali »živa mačka«.

Z drugimi besedami, ko se škatla odpre, se vesolje razcepi na dve različni vesolji, v enem opazovalec gleda škatlo z mrtvo mačko, v drugem pa gleda živo mačko.

Paradoks "Wignerjevega prijatelja"

Wignerjev Prijateljev paradoks je zapleten poskus paradoksa Schrödingerjevega mačka. Laureat Nobelova nagrada, je ameriški fizik Eugene Wigner uvedel kategorijo »prijateljev«. Po končanem poskusu eksperimentator odpre škatlo in zagleda živo mačko. Stanje mačke v trenutku odpiranja škatle preide v stanje "jedro ni razpadlo, mačka je živa." Tako so v laboratoriju mačko prepoznali kot živo. Zunaj laboratorija je "prijatelj". Prijatelj še ne ve, ali je mačka živa ali mrtva. Prijatelj prepozna mačko kot živo šele, ko mu izvajalec poskusa pove izid poskusa. Toda vsi ostali »prijatelji« mačke še niso prepoznali kot žive in jo bodo prepoznali šele, ko jim bodo povedali rezultat poskusa. Tako je mačka lahko prepoznana kot popolnoma živa šele, ko vsi ljudje v vesolju poznajo rezultat poskusa. Do te točke v obsegu Veliko vesolje mačka ostane napol živa in napol mrtva hkrati.

Navedeno se uporablja v praksi: v kvantnem računalništvu in kvantni kriptografiji. Svetlobni signal v superpoziciji dveh stanj se pošlje po optičnem kablu. Če se napadalci povežejo s kablom nekje na sredini in tam naredijo signalno pipo, da bi prisluškovali posredovanim informacijam, potem bo to zrušilo valovno funkcijo (z vidika köbenhavnske interpretacije bo izvedeno opazovanje) in luč bo prešla v eno od stanj. Z izvajanjem statističnih testov svetlobe na sprejemnem koncu kabla bo mogoče zaznati, ali je svetloba v superpoziciji stanj ali je bila že opažena in prenesena na drugo točko. To omogoča ustvarjanje komunikacijskih sredstev, ki izključujejo nezaznavno prestrezanje signala in prisluškovanje.

Eksperiment (ki ga je načeloma mogoče izvesti, čeprav še niso bili ustvarjeni delujoči kvantni kriptografski sistemi, ki bi bili sposobni prenašati velike količine informacij) tudi kaže, da »opazovanje« v kopenhagenski interpretaciji nima nobene zveze z zavestjo opazovalca, saj v tem primeru sprememba statistike na koncu kabla vodi v popolnoma neživo vejo žice.

In v kvantnem računalništvu je stanje Schrödingerjeve mačke posebno zapleteno stanje kubitov, v katerem so vsi v isti superpoziciji vseh ničel ali enic.

("Qubit"- To najmanjši element za shranjevanje informacij v kvantnem računalniku. Omogoča dvoje lastne države, lahko pa tudi v njihovi superpoziciji. Kadarkoli se izmeri stanje kubita, ta naključno preide v eno od svojih stanj.)

V resnici! Mali brat "Schrodingerjeve mačke"

Minilo je že 75 let, odkar se je pojavila Schrödingerjeva mačka, vendar se nekatere posledice kvantne fizike še vedno zdijo v nasprotju z našimi vsakodnevnimi predstavami o materiji in njenih lastnostih. Po zakonih kvantne mehanike bi moralo biti mogoče ustvariti »mačje« stanje, v katerem je hkrati živa in mrtva, tj. bo v stanju kvantne superpozicije dveh stanj. Vendar pa je v praksi ustvarjanje kvantne superpozicije takega velika količina atomi še niso bili doseženi. Težava je v tem, da več kot je atomov v superpoziciji, manj stabilno je to stanje, saj zunanji vplivi ga poskušajo uničiti.

Fiziki iz Univerza na Dunaju(objava v reviji Nature Communications«, 2011) je bilo prvič na svetu mogoče dokazati kvantno vedenje organska molekula, sestavljen iz 430 atomov in v stanju kvantne superpozicije. Molekula, ki so jo pridobili eksperimentatorji, je bolj podobna hobotnici. Velikost molekul je približno 60 angstromov, de Brogliejeva valovna dolžina za molekulo pa le 1 pikometer. Ta "molekularna hobotnica" je lahko pokazala lastnosti, ki so značilne za Schrödingerjevo mačko.

Kvantni samomor

Kvantni samomor je miselni eksperiment v kvantni mehaniki, ki sta ga neodvisno predlagala G. Moravec in B. Marshall, leta 1998 pa ga je razširil kozmolog Max Tegmark. Ta miselni eksperiment, modifikacija Schrödingerjevega mačjega miselnega eksperimenta, jasno kaže razliko med dvema interpretacijama kvantne mehanike: kopenhagensko interpretacijo in Everettovo interpretacijo mnogih svetov.

Eksperiment je pravzaprav poskus s Schrödingerjevo mačko z mačjega vidika.

V predlaganem poskusu je proti udeležencu uperjena pištola, ki sproži ali ne sproži, odvisno od razpada radioaktivnega atoma. Obstaja 50 % verjetnost, da bo pištola sprožila in bo udeleženec umrl. Če je kopenhagenska razlaga pravilna, bo pištola na koncu sprožila in udeleženec bo umrl.
Če je Everettova interpretacija mnogih svetov pravilna, potem se kot rezultat vsakega izvedenega eksperimenta vesolje razdeli na dve vesolji, v enem od katerih udeleženec ostane živ, v drugem pa umre. V svetovih, kjer udeleženec umre, preneha obstajati. Nasprotno pa se bo z vidika ne-mrtvega udeleženca poskus nadaljeval, ne da bi udeleženec izginil. To se zgodi zato, ker lahko udeleženec v kateri koli panogi opazuje rezultat poskusa samo v svetu, v katerem preživi. In če je interpretacija mnogih svetov pravilna, potem lahko udeleženec opazi, da med poskusom ne bo nikoli umrl.

Udeleženec nikoli ne bo mogel govoriti o teh rezultatih, saj bo z vidika zunanjega opazovalca verjetnost izida eksperimenta enaka tako v interpretaciji mnogih svetov kot v kopenhagenski interpretaciji.

Kvantna nesmrtnost

Kvantna nesmrtnost je miselni eksperiment, ki izhaja iz miselnega eksperimenta kvantnega samomora in navaja, da so v skladu z razlago kvantne mehanike o mnogih svetovih bitja, ki imajo sposobnost samozavedanja, nesmrtna.

Predstavljajmo si, da udeleženec eksperimenta v svoji bližini razstreli jedrsko bombo. V skoraj vseh vzporednih vesoljih bo jedrska eksplozija uničila udeleženca. Toda kljub temu bi moralo biti majhno število alternativna vesolja, v katerem udeleženec nekako preživi (torej Vesolja, v katerih je možen razvoj potencialnega scenarija reševanja). Ideja kvantne nesmrtnosti je, da udeleženec ostane živ in je s tem sposoben zaznati okoliško resničnost v vsaj enem od vesolj v nizu, tudi če je število takšnih vesolj izjemno majhno v primerjavi s številom vse možna vesolja. Tako bo udeleženec čez čas ugotovil, da lahko živi večno. Nekaj ​​vzporednic s tem sklepom je mogoče najti v konceptu antropičnega načela.

Še en primer izhaja iz ideje o kvantnem samomoru. V tem miselnem eksperimentu udeleženec vase usmeri pištolo, ki lahko sproži ali ne, odvisno od izida razpada radioaktivnega atoma. Obstaja 50 % verjetnost, da bo pištola sprožila in bo udeleženec umrl. Če je kopenhagenska razlaga pravilna, bo pištola na koncu sprožila in udeleženec bo umrl.

Če je Everettova interpretacija mnogih svetov pravilna, potem se kot rezultat vsakega izvedenega eksperimenta vesolje razdeli na dve vesolji, v enem od katerih udeleženec ostane živ, v drugem pa umre. V svetovih, kjer udeleženec umre, preneha obstajati. Nasprotno pa se bo z vidika ne-mrtvega udeleženca eksperiment nadaljeval, ne da bi povzročil izginotje udeleženca, saj se bo po vsaki delitvi vesolja lahko sam sebe zavedal samo v tistih vesoljih, kjer je preživel. Torej, če je Everettova interpretacija mnogih svetov pravilna, potem lahko udeleženec opazi, da v poskusu nikoli ne bo umrl, s čimer "dokazuje" svojo nesmrtnost, vsaj z njegovega vidika.

Zagovorniki kvantne nesmrtnosti poudarjajo, da ta teorija ni v nasprotju z nobenim znanim zakonom fizike (to stališče še zdaleč ni soglasno sprejeto v znanstveni svet). V svojem sklepanju se zanašajo na naslednji dve sporni predpostavki:
- Everettova interpretacija mnogih svetov je pravilna, ne kopenhagenska, saj slednja zanika obstoj vzporedna vesolja;
- Vse možni scenariji, v katerih lahko udeleženec med potekom poskusa umre, vsebujejo vsaj majhno podskupino scenarijev, kjer udeleženec ostane živ.

Možen argument proti teoriji o kvantni nesmrtnosti je, da druga predpostavka ne izhaja nujno iz Everettove interpretacije mnogih svetov in je lahko v nasprotju z zakoni fizike, za katere se verjame, da veljajo za vse možne realnosti. Razlaga kvantne fizike z več svetovi ne pomeni nujno, da je »vse mogoče«. Nakazuje le to določen trenutek V času lahko vesolje razdelimo na več drugih, od katerih bo vsak ustrezal enemu od mnogih možnih rezultatov. Na primer, verjame se, da drugi zakon termodinamike velja za vsa verjetna vesolja. To pomeni, da teoretično obstoj tega zakona preprečuje nastanek vzporednih vesolj, kjer bi bil ta zakon kršen. Posledica tega je lahko doseganje, z vidika eksperimentatorja, stanja realnosti, kjer postane njegovo nadaljnje preživetje nemogoče, saj bi to zahtevalo kršitev fizikalnega zakona, ki po prej navedeni predpostavki , velja za vse možne realnosti.

Na primer v eksploziji jedrska bomba kot je opisano zgoraj, je precej težko opisati verjeten scenarij, ki ne krši osnovnih bioloških načel, v katerem bo udeleženec preživel. Žive celice preprosto ne morejo obstajati pri temperaturah, doseženih v središču jedrska eksplozija. Da bi teorija o kvantni nesmrtnosti ostala veljavna, je nujno, da pride do neuspešnega vžiga (in s tem do jedrske eksplozije) ali pa do nekega dogodka, ki temelji na še neodkritih ali nedokazanih zakonih fizike. Drugi argument proti obravnavani teoriji je lahko prisotnost naravne biološke smrti v vseh bitjih, ki se ji ni mogoče izogniti v nobenem vzporednem vesolju (vsaj na tej stopnji razvoja znanosti).

Po drugi strani pa je drugi zakon termodinamike statistično pravo, pojav fluktuacije pa ni v nasprotju z ničemer (na primer pojav območja z razmerami, primernimi za življenje opazovalca v vesolju, ki je na splošno doseglo stanje toplotne smrti; ali načeloma možno gibanje vseh delcev, ki nastanejo zaradi jedrske eksplozije tako, da bo vsak od njih letel mimo opazovalca), čeprav se bo takšno nihanje zgodilo le v izjemno majhnem delu vseh možnih izidov. Argument o neizogibnosti biološke smrti je mogoče ovreči tudi na podlagi verjetnostnih premislekov. Za vsak živ organizem v v tem trenutku ko obstaja verjetnost, ki ni enaka nič, da bo ostal živ v naslednji sekundi. Tako je tudi verjetnost, da bo ostal živ naslednjo milijardo let, različna od nič (ker je produkt veliko število neničelni faktorji), čeprav zelo majhni.

Kar je problematično pri ideji o kvantni nesmrtnosti, je, da bo v skladu z njo samozavedno bitje "prisiljeno" izkusiti izjemno malo verjetne dogodke, ki se bodo pojavili v situacijah, v katerih se zdi, da udeleženec umre. Čeprav v mnogih vzporednih vesoljih udeleženec umre, se bo nekaj vesolj, ki jih udeleženec lahko subjektivno zazna, razvilo po zelo malo verjetnem scenariju. To pa lahko na nek način povzroči kršitev načela vzročnosti, katere narava je kvantna fizikaše ni dovolj jasno.

Čeprav sledi ideja o kvantni nesmrtnosti večinoma iz eksperimenta »kvantnega samomora« Tegmark trdi, da za katero koli normalne razmere Vsako misleče bitje pred smrtjo gre skozi fazo (od nekaj sekund do nekaj let) zmanjšanja stopnje samozavedanja, ki nima nobene zveze z kvantna mehanika, in udeleženec nima možnosti nadaljnjega obstoja s prehodom iz enega sveta v drugega, kar mu daje možnost preživetja.

Tukaj samozavedni inteligentni opazovalec le v razmeroma majhnem številu možnih stanj, v katerih ohranja samozavest, še naprej ostaja tako rekoč v » zdravo telo" Možnost, da bo opazovalec ob ohranitvi zavesti ostal pohabljen, je veliko večja, kot če ostane nepoškodovan. Vsak sistem (vključno z živim organizmom) ima veliko več možnosti delujejo nepravilno, kot da ostanejo v popolni formi. Boltzmannova ergodična hipoteza zahteva, da bo nesmrtni opazovalec prej ali slej šel skozi vsa stanja, združljiva z ohranitvijo zavesti, tudi tista, v katerih bo čutil neznosno trpljenje – in teh stanj bo bistveno več kot stanj optimalnega delovanja organizma. Tako bi morali, kot predlaga filozof David Lewis, upati, da je razlaga mnogih svetov napačna.

Pred kratkim je bil na znanem znanstvenem portalu "PostScience" objavljen avtorski članek Emila Akhmedova o razlogih za nastanek slavnega paradoksa, pa tudi o tem, kaj to ni.

Fizik Emil Akhmedov o verjetnostni interpretaciji, zaprtih kvantnih sistemih in formulaciji paradoksa.

Po mojem mnenju najbolj psihološko, filozofsko in še marsikaj težji del kvantna mehanika je njena verjetnostna interpretacija. Mnogi ljudje so nasprotovali verjetnostni razlagi. Na primer, Einstein je skupaj s Podolskim in Rosenom prišel do paradoksa, ki ovrže verjetnostno razlago.

Poleg njih je Schrödinger argumentiral tudi verjetnostno razlago kvantne mehanike. Kot logično protislovje verjetnostni interpretaciji kvantne mehanike je Schrödinger prišel do tako imenovanega paradoksa Schrödingerjeve mačke. Lahko se formulira na različne načine, na primer: recimo, da imate škatlo, v kateri sedi mačka, na to škatlo pa je priključena jeklenka smrtonosnega plina. Na stikalo tega cilindra je povezana nekakšna naprava, ki dovoli ali ne spusti smrtonosni plin, ki deluje takole: tam je polarizacijsko steklo in če je prehajajoči foton zahtevane polarizacije, se valj obrne. naprej, plin teče do mačke; če je foton napačne polarizacije, potem se jeklenka ne vklopi, ključ se ne vklopi, jeklenka ne spusti plina v mačko.

Recimo, da je foton krožno polariziran, naprava pa se odziva na linearno polarizacijo. To morda ni jasno, ni pa zelo pomembno. Z določeno verjetnostjo bo foton polariziran na en način, z določeno verjetnostjo - na drugačen. Schrödinger je rekel: stanje se izkaže tako, da bo v nekem trenutku, dokler ne odpremo pokrova in vidimo, ali je mačka mrtva ali živa (in je sistem zaprt), mačka z neko verjetnostjo živa in z nekaj verjetnostjo mrtva. verjetnost. Mogoče paradoks formuliram malomarno, a končni rezultat je čudna situacija: mačka ni ne živa ne mrtva. Tako je formuliran paradoks.

Po mojem mnenju ima ta paradoks povsem jasno in natančno razlago. Morda je to moje osebno stališče, vendar bom poskušal razložiti. Glavna lastnost kvantne mehanike je naslednja: če opisujemo zaprt sistem, potem kvantna mehanika ni nič drugega kot valovna mehanika, valovna mehanika. To pomeni, da ga opisujejo diferencialne enačbe, katerih rešitve so valovi. Kjer so valovi in diferencialne enačbe, obstajajo matrice in tako naprej. To sta dva enakovredna opisa: matrični opis in valovni opis. Opis matrice pripada Heisenbergu, val - Schrödingerju, vendar opisujeta isto situacijo.

Pomembno je naslednje: dokler je sistem zaprt, ga opisuje valovna enačba, dogajanje s tem valovanjem pa opisuje nekakšna valovna enačba. Celotna verjetnostna interpretacija kvantne mehanike nastane, ko se sistem odpre - nanj od zunaj vpliva nek velik klasičen, torej nekvantni objekt. V trenutku udarca ga ta valovna enačba neha več opisovati. Pojavita se tako imenovana redukcija valovne funkcije in verjetnostna interpretacija. Do trenutka odprtja se sistem razvija v skladu z valovno enačbo.

Zdaj moramo podati nekaj komentarjev o tem, kako se veliki klasični sistem razlikuje od majhnega kvantnega. Na splošno lahko tudi velik klasičen sistem opišemo z valovno enačbo, čeprav je ta opis običajno težko podati, v resnici pa je popolnoma nepotreben. Ti sistemi se matematično razlikujejo po svojem delovanju. Tako imenovani objekt obstaja v kvantni mehaniki, v teoriji polja. Za klasičen velik sistem je dejanje ogromno, za kvantno majhen sistem pa je dejanje majhno. Poleg tega je gradient tega delovanja - hitrost spremembe tega delovanja v času in prostoru - ogromen za velik klasični sistem in majhen za majhen kvantni sistem. To je glavna razlika med obema sistemoma. Zaradi dejstva, da je delovanje za klasični sistem zelo veliko, ga je bolj priročno opisati ne z nekaterimi valovnimi enačbami, ampak preprosto klasični zakoni kot Newtonov zakon in tako naprej. Na primer, zaradi tega se Luna ne vrti okoli Zemlje kot elektron okoli jedra atoma, ampak po določeni, jasno določeni orbiti, po klasični orbiti, trajektoriji. Medtem ko se elektron kot majhen kvantni sistem giblje kot stoječi val znotraj atoma okoli jedra, je njegovo gibanje opisano z stoječi val in to je razlika med obema situacijama.

Meritev v kvantni mehaniki je, ko na majhen kvantni sistem vplivate z velikim klasičnim sistemom. Po tem se valovna funkcija zmanjša. Po mojem mnenju je prisotnost balona ali mačke v Schrödingerjevem paradoksu enaka prisotnosti velikega klasičnega sistema, ki meri polarizacijo fotona. V skladu s tem se meritev ne zgodi v trenutku, ko odpremo pokrov škatle in vidimo, ali je mačka živa ali mrtva, temveč v trenutku, ko foton interagira s polarizacijskim steklom. Tako se v tem trenutku fotonska valovna funkcija zmanjša, balon se znajde v zelo specifičnem stanju: ali se odpre ali se ne odpre in mačka umre ali ne umre. Vse. Ni "verjetnih mačkov", da je z neko verjetnostjo živ, z neko verjetnostjo je mrtev. Ko sem rekel, da ima Schrödingerjev mačji paradoks veliko različnih formulacij, sem rekel le, da jih je veliko različne načine izmisliti napravo, ki mačko ubije ali pusti pri življenju. V bistvu se formulacija paradoksa ne spremeni.

Slišal sem za druge poskuse razlage tega paradoksa z uporabo pluralnosti svetov in tako naprej. Po mojem mnenju vse te razlage ne vzdržijo kritike. Kar sem v tem videoposnetku razložil z besedami, je mogoče ubesediti matematična oblika in preverite točnost te izjave. Še enkrat poudarjam, da je po mojem mnenju merjenje in zmanjševanje valovne funkcije majhno kvantni sistem se zgodi v trenutku interakcije z velikim klasičnim sistemom. Tako velik klasični sistem je mačka z napravo, ki jo ubije, in ne človek, ki odpre škatlo z mačko in vidi, ali je mačka živa ali ne. To pomeni, da se meritev zgodi v trenutku interakcije tega sistema z kvantni delec, in ne v času preverjanja mačke. Takšni paradoksi po mojem mnenju najdejo razlago z uporabo teorij in zdrave pameti.

Bistvo samega eksperimenta

Schrödingerjev izvirni članek je eksperiment opisal takole:

Konstruirate lahko tudi primere, v katerih je precej burleske. Določena mačka je zaprta v jekleni komori skupaj z naslednjim peklenskim strojem (ki ga je treba zaščititi pred mačjim neposrednim posegom): znotraj Geigerjevega števca je majhna količina radioaktivna snov, tako majhen, da lahko samo en atom razpade v eni uri, vendar z enako verjetnostjo morda ne razpade; če se to zgodi, se bralna cev izprazni in aktivira se rele, ki sprosti kladivo, ki zlomi stožec z cianovodikova kislina. Če celoten sistem pustimo eno uro samega sebe, potem lahko rečemo, da bo mačka po tem času živa, dokler atom ne razpade. Že prvi razpad atoma bi zastrupil mačko. Psi-funkcija sistema kot celote bo to izrazila z mešanjem ali razmazanjem žive in mrtve mačke (oprostite izrazu) v enake deleže. Tipično v podobnih primerih je, da je negotovost, sprva omejena atomski svet, se pretvori v makroskopsko negotovost, ki jo je mogoče odpraviti z neposrednim opazovanjem. To nam preprečuje, da bi naivno sprejeli »model zamegljenosti« kot odraz realnosti. To samo po sebi ne pomeni nič nejasnega ali protislovnega. Obstaja razlika med zamegljeno ali neizostreno fotografijo in fotografijo oblakov ali megle. Po kvantni mehaniki je, če jedra ne opazujemo, potem njegovo stanje opisano s superpozicijo (mešanjem) dveh stanj - razpadlega jedra in nerazpadlega jedra, zato je mačka, ki sedi v škatli, hkrati živa in mrtva. hkrati. Če se škatla odpre, lahko eksperimentator vidi samo eno specifično stanje - "jedro je razpadlo, mačka je mrtva" ali "jedro ni razpadlo, mačka je živa." Vprašanje je: kdaj sistem preneha obstajati kot mešanica dveh stanj in izbere eno specifično? Namen eksperimenta je pokazati, da je kvantna mehanika nepopolna brez nekaterih pravil, ki kažejo, pod kakšnimi pogoji se valovna funkcija sesuje in mačka bodisi postane mrtva ali ostane živa, vendar ni več mešanica obojega.

Ker je jasno, da mora biti mačka ali živa ali mrtva (ni stanja, ki bi združevalo življenje in smrt), bo to podobno za atomsko jedro. Biti mora razpadlo ali nerazpadlo.

Izvirni članek je bil objavljen leta 1935. Namen članka je bil obravnavati paradoks Einstein-Podolsky-Rosen (EPR), ki so ga objavili Einstein, Podolsky in Rosen prej istega leta

Schrödingerjeva mačka je najbolj skrivnostna izmed vseh mačk, mačk, mačk, mačk, ki jih človeštvo tako obožuje. Videoposnetki virusnih mačk se širijo po svetovnem spletu z milijoni dnevnih ogledov, slike ljubkih mačjih mladičev na reklamnih panojih pa nas lahko spodbudijo k nakupu katerega koli izdelka. Tudi področje popularizacije znanosti ima svoje brkate in črtaste junake. Natančneje, ena je Schrödingerjeva mačka. Zagotovo ste že slišali za to, tudi če se ne ukvarjate s kvantno mehaniko. Zakaj torej slavni maček že skoraj sto let straši fizike in pisce besedil in je postal tudi eden najbolj radovednih predmetov sodobnega časa popularna kultura?

Schrödingerjeva mačka kot metafora

Naj se sliši še tako paradoksalno, avstrijski teoretični fizik in Nobelov nagrajenec Erwin Schrödinger je »oče« najbolj skrivnostne mačke in ne lastnik. Konec koncev Schrödingerjeva mačka je miselni eksperiment, teoretični paradoks in resnično neverjetna metafora za opis kvantne superpozicije.

Je bila tam mačka?

Vprašanje "Ali je imel Schrödinger mačko?" še vedno ostaja odprta. Čeprav po številnih virih v eni od zgodnjih izdaj FizikaDanes tam je fotografija znanstvenika s hišnim ljubljenčkom mačko Milton. Po drugi strani pa v izvirnem besedilu članka iz leta 1935, kjer je Erwin Schrödinger opisal svoj hipotetični poskus, sploh ne gre za mačko, ampak za mačko (die Katze). Zakaj je fizik za glavnega junaka svojega koncepta izbral predstavnico mačke? Kako se je mačka spremenila v mačko? Zdi se, da bodo ta vprašanja ostala retorična.

Schrödingerjeva mačka je mrtva s 50% možnostjo

Če pa je bil vir navdiha za raziskovalca njegov osebni hišni ljubljenček, potem je bil očitno razlog za to vaza, ki jo je razbila mačka, ali poškodovane tapete. Kajti glavna stvar, ki jo Schrödingerjeva mačka počne med poskusom, je, da jo zaprejo v jekleno škatlo in ... umrejo. Res je, z verjetnostjo 50%. Natančneje, poleg uboge živali je v škatli nameščen poseben mehanizem, ki vsebuje radioaktivno jedro in posodo s strupenim plinom. Če jedro razpade, se mehanizem sproži in mačka pogine zaradi sproščenega plina. Če ne deluje, živi. Toda samo opazovalec, ki odpre škatlo, lahko izve njegovo usodo. Do takrat je mačka živa in mrtva.

Brez mačke kvantna mehanika ni enaka

Celotna situacija, na prvi pogled paradoksalna, jasno prikazuje eno od določb kvantne mehanike. Po njegovih besedah atomsko jedro je v vseh hkrati možna stanja: razpad in nerazpad. Če atoma ne opazujemo, je njegovo stanje opisano z mešanico teh dveh značilnosti. Zato je mačka, beri – jedro atoma, hkrati živa in mrtva. In to je preprosto nemogoče. To pomeni, da kvantni mehaniki manjka nekaj pravil, ki določajo pogoje, pod katerimi je usoda mačke jasno jasna.

Schrödingrova mačka: sorte

Ni presenetljivo, da ima pomen tega, kar se dogaja z mitsko mačko v jekleni škatli, več interpretacij.

• Copenhagen sorta

Obstaja kopenhagenska interpretacija kvantne mehanike, katere avtorja sta Niels Bohr in Werner Heisenberg. Po njej mačka ostane v obeh stanjih, ne glede na opazovalca. Navsezadnje se odločilni trenutek ne zgodi, ko se predal odpre, ampak ko se mehanizem sproži. To pomeni, da je žival že zdavnaj umrla zaradi plina, vendar je škatla še vedno zaklenjena. Z drugimi besedami, v köbenhavnski interpretaciji ni "mrtvo-živo" stanje, ker ga določa detektor, ki reagira na razpad jedra.

• Sorta Everett

Obstaja tudi interpretacija mnogih svetov ali Everettova interpretacija. Izkušnjo s Schrödingerjevo mačko interpretira kot dve ločeni obstoječi svet, ki se razdeli v trenutku, ko se škatla odpre. V enem vesolju je mačka živa in zdrava, v drugem pa poskusa ni preživela.

• "kvantni samomor"

Tako ali drugače so ubogega mačka Schrödingerja "mučili" številni fiziki. Nekateri so na primer predlagali, da bi situacijo z mačko obravnavali z vidika same živali - navsezadnje bolje kot vsi fiziki na svetu ve, ali je mrtev ali živ. Resnično, s tem ne morete oporekati. Ta pristop se imenuje "kvantni samomor" in hipotetično vam omogoča, da preverite, katera od teh interpretacij je pravilna.

Vsak lahko vzgoji svojo sorto

Če pogledate sodobno fizikalna znanost, potem lahko z gotovostjo trdimo, da je na straneh raziskav Schrödingerjev trpeči maček bolj živ kot kdorkoli drug živ. Od časa do časa znanstveniki ponudijo svoje rešitve za ta dobro znani paradoks in tudi razvijejo koncept v okviru zelo zanimivih dogodkov.

• "druga škatla"

Na primer, lani so raziskovalci z univerze Yale Schrödingerjevemu mačku "podarili" drugo škatlo za njegove smrtonosne skrivalnice. Na podlagi tega pristopa so znanstveniki poskušali simulirati sistem, potreben za delovanje kvantni računalnik. Konec koncev, kot veste, je ena glavnih težav pri ustvarjanju te vrste stroja potreba po odpravljanju napak. In kot se je izkazalo, je privabljanje Schrödingerjevih mačk obetaven način za obvladovanje presežkov kvantne informacije.

• "mikro mačka"

In samo nekaj tednov nazaj je mednarodna ekipa znanstvenikov pod vodstvom ruski specialisti na območju kvantna optika, uspel »vzrediti« mikroskopske Schrödingerjeve mačke, da bi napredoval pri iskanju meje med kvantnim in klasičnih svetov. Tako Schrödingerjeva mačka pomaga fizikom pri razvoju kvantnih komunikacijskih tehnologij in kriptografije.

Schrödingerjeva mačka je zvezda pop kulture

Afriški studio / shutterstock.com

Če mačka ne more pobegniti iz svoje nesrečne škatle, potem mu je uspelo izstopiti iz meja znanstvenih konceptov in strani raziskovanja. In še kako!

Lik skrivnostne mačke s težko usodo se z zavidljivo doslednostjo pojavlja v delih popularne kulture. Tako se Schrödingerjeva mačka pojavlja v knjigah Terryja Pratchetta, Fredrika Pohla, Douglasa Adamsa in drugih po vsem svetu. znani pisci. Seveda je bila mačka omenjena v priljubljenih televizijskih projektih, kot je "Teorija veliki pok in Doctor Who. Da ne omenjam, da se podoba Schrödingerjeve mačke nenehno pojavlja v video igrah in besedilih pesmi. In spletni portal ThinkGeek je že obogatel s prodajo majic z napisom na eni strani: "Schrodingerjeva mačka je živa", na drugi pa "Schrodingerjeva mačka je mrtva."

Mačke to bolje obnesejo

Strinjate se, lahko opazite neverjetno stvar: najbolj znana znanstvena mačka je le vizualiziran model za testiranje hipoteze. Vendar pa je sodelovanje hišnega ljubljenčka z repom v njem dalo poskusu veliko količino poezije in šarma. Ali pa je morda le to, da mačke vse počnejo bolje? Čisto mogoče.

In ne pozabite: zaradi Schrödingerjevega poskusa ni bila poškodovana niti ena mačka.

Če najdete napako, označite del besedila in kliknite Ctrl+Enter.

Vsi smo že slišali za slavnega Schrödingerjevega mačka, toda ali vemo, kakšna mačka v resnici je? Ugotovimo in poskusimo se pogovoriti slavni maček Schrödinger z enostavnimi besedami.

Schrödingerjeva mačka je eksperiment, ki ga je izvedel Erwin Schrödinger, eden od ustanoviteljev kvantne mehanike. In to ni običajno fizikalni poskus, A duševno.

Treba je priznati, da je bil Erwin Schrödinger človek z zelo bogato domišljijo.

Kaj imamo torej kot namišljeno osnovo za izvedbo eksperimenta? V škatli je mačka. Škatla vsebuje tudi Geigerjev števec z nekaj zelo majhnimi količinami radioaktivnega materiala. Količina snovi je tolikšna, da je verjetnost razpada in nerazpada enega atoma v eni uri enaka. Če atom razpade, se bo aktiviral poseben mehanizem, ki bo razbil bučko s cianovodikovo kislino in uboga mačka bo umrla. Če ne pride do razpada, bo mačka še naprej tiho sedela v škatli in sanjala o klobasah.

Kaj je bistvo Schrödingerjeve mačke? Zakaj si sploh omisliti tako nadrealistično izkušnjo?

Glede na rezultate poskusa ugotovimo, ali je mačka živa ali ne, šele ko odpremo škatlo. Z vidika kvantne mehanike je mačka (kot atom snovi) hkrati v dveh stanjih hkrati - živa in mrtva hkrati. To je znameniti paradoks Schrödingerjeve mačke.

Seveda to ne more biti. Erwin Schrödinger je izvedel ta miselni eksperiment, da bi pokazal nepopolnost kvantne mehanike pri prehodu iz subatomskih v makroskopske sisteme.

Tukaj je Schrödingerjeva lastna formulacija:

Konstruirate lahko tudi primere, v katerih je precej burleske. Naj kakšno mačko zaprejo v jekleno komoro skupaj z naslednjim diaboličnim strojem (ki mora obstajati ne glede na mačji poseg): znotraj Geigerjevega števca je majhna količina radioaktivne snovi – tako majhna, da lahko v eni uri razpade samo en atom. , vendar z enako verjetnostjo morda ne razpade; če se to zgodi, se čitalna cevka izprazni in aktivira se rele, ki sprosti kladivo, ki razbije bučko s cianovodikovo kislino.

Če celoten sistem pustimo eno uro samega sebe, potem lahko rečemo, da bo mačka po tem času živa, dokler atom ne razpade. Že prvi razpad atoma bi zastrupil mačko. Psi-funkcija sistema kot celote bo to izrazila z mešanjem ali namazanjem žive in mrtve mačke (oprostite izrazu) v enakih delih. V takih primerih je značilno, da se negotovost, ki je bila prvotno omejena na atomski svet, spremeni v makroskopsko negotovost, ki jo je mogoče odpraviti z neposrednim opazovanjem. To nam preprečuje, da bi naivno sprejeli »model zamegljenosti« kot odraz realnosti. To samo po sebi ne pomeni nič nejasnega ali protislovnega. Obstaja razlika med zamegljeno ali neizostreno fotografijo in fotografijo oblakov ali megle.

Nedvomno pozitivna točka tega poskusa je dejstvo, da med njegovim potekom ni bila poškodovana niti ena žival.

Nazadnje, za utrjevanje gradiva, predlagamo, da si ogledate video iz dobre stare serije "Teorija velikega poka".

In če imate nenadoma vprašanja ali vam je učitelj zastavil problem kvantne mehanike, se obrnite. Skupaj bomo vse težave rešili veliko hitreje!

Leta 1935 velik fizik, Nobelov nagrajenec in utemeljitelj kvantne mehanike Erwin Schrödinger je formuliral svoj slavni paradoks.

Znanstvenik je predlagal, da če vzamete določeno mačko in jo postavite v neprozorno jekleno škatlo z "peklenskim strojem", bo čez eno uro živa in mrtva hkrati. Mehanizem v škatli izgleda takole: znotraj Geigerjevega števca je mikroskopsko majhna količina radioaktivne snovi, ki lahko v eni uri razpade le na en atom; hkrati pa z enako verjetnostjo morda ne razpade. Če pride do razpada, bo vzvodni mehanizem deloval in kladivo bo zlomilo posodo s cianovodikovo kislino in mačka bo umrla; če ne pride do razpada, bo posoda ostala nedotaknjena in mačka bo živa in zdrava.

Če ne bi govorili o mački in škatli, ampak o svetu subatomskih delcev, bi znanstveniki rekli, da je mačka hkrati živa in mrtva, v makrokozmosu pa je takšen sklep napačen. Zakaj torej operiramo s takimi koncepti, ko govorimo o več majhnih delcev zadeva?

Schrödingerjeva ilustracija je najboljši primer da opišem glavni paradoks kvantne fizike: po njenih zakonih delci, kot so elektroni, fotoni in celo atomi, obstajajo v dveh stanjih hkrati ("živi" in "mrtvi", če se spomnite dolgotrpeče mačke). Ta stanja se imenujejo superpozicije.

Ameriški fizik Art Hobson z Univerze v Arkansasu (Arkansas State University) je predlagal svojo rešitev tega paradoksa.

»Meritve v kvantni fiziki temeljijo na delovanju nekaterih makroskopskih naprav, kot je Geigerjev števec, s pomočjo katerega se določa kvantno stanje mikroskopskih sistemov – atomov, fotonov in elektronov. Kvantna teorija pomeni, da če povežete mikroskop sistema (delca) do neke makroskopske naprave, pri čemer ločimo dva različna stanja sistem, potem bo naprava (Geigerjev števec, na primer) prešla v stanje kvantne prepletenosti in se tudi znašla v dveh superpozicijah hkrati. Nemogoče pa je neposredno opazovati ta pojav, zaradi česar je nesprejemljiv,« pravi fizik.

Hobson pravi, da v Schrödingerjevem paradoksu mačka igra vlogo makroskopske naprave, Geigerjevega števca, povezanega z radioaktivnim jedrom, da se določi stanje razpada ali "nerazpada" tega jedra. V tem primeru bo živa mačka pokazatelj "ne-razpada", mrtva mačka pa indikator razpada. Toda po kvantni teoriji mora mačka, tako kot jedro, obstajati v dveh superpozicijah življenja in smrti.

Namesto tega pravi fizik, bi moralo biti mačje kvantno stanje prepleteno s stanjem atoma, kar pomeni, da sta drug z drugim v "nelokalnem odnosu". To pomeni, da če se stanje enega od zapletenih predmetov nenadoma spremeni v nasprotno, se bo spremenilo tudi stanje njegovega para, ne glede na to, kako daleč sta drug od drugega. Pri tem se Hobson sklicuje na to kvantno teorijo.

»Najbolj zanimiva stvar pri teoriji kvantne prepletenosti je, da se stanje obeh delcev zgodi takoj: nobena svetloba ali elektromagnetni signal ne bi imel časa za prenos informacije iz enega sistema v drugega. Tako lahko rečemo, da gre za en objekt prostor razdeljen na dva dela, ne glede na to, kako velika je razdalja med njima,« pojasnjuje Hobson.

Schrödingerjeva mačka ni več živa in mrtva hkrati. Mrtev je, če pride do razpada, in živ, če do razpada nikoli ne pride.

Dodajmo, da so podobne rešitve tega paradoksa v zadnjih tridesetih letih predlagale še tri skupine znanstvenikov, ki pa niso bile vzete resno in so ostale neopažene v širši skupnosti. znanstvenih krogih. Hobson ugotavlja, da je reševanje paradoksov kvantne mehanike, vsaj teoretično, nujno potrebno za njeno globoko razumevanje.