Kvantumfizika Schrödinger macskája. A "Schrödinger macskája" híres rejtélye egyszerű szavakkal

Ahogy Heisenberg elmagyarázta nekünk, a bizonytalansági elv miatt a kvantummikrovilágban a tárgyak leírása más jellegű, mint a newtoni makrokozmoszban szokásos objektumok leírása. A térbeli koordináták és sebesség helyett, amellyel például egy labda mechanikai mozgását írtuk le a biliárdasztalon, a kvantummechanikában a tárgyakat úgynevezett hullámfüggvénnyel írtuk le. A "hullám" csúcsa annak a maximális valószínűségnek felel meg, hogy a mérés pillanatában egy részecske megtalálható a térben. Egy ilyen hullám mozgását a Schrödinger-egyenlet írja le, amely megmondja, hogyan változik egy kvantumrendszer állapota az idő múlásával.

Most a macskáról. Mindenki tudja, hogy a macskák szeretnek dobozokba bújni (). Erwin Schrödinger is tisztában volt vele. Sőt, pusztán északi vadsággal, ezt a tulajdonságát egy híres gondolatkísérletben használta. A lényege az volt, hogy egy macskát egy pokolgéppel egy dobozba zártak. A gép egy relén keresztül csatlakozik egy kvantumrendszerhez, például egy radioaktívan bomló anyaghoz. A bomlási valószínűség ismert, és 50%. A pokolgép akkor működik, amikor a rendszer kvantumállapota megváltozik (bomlás következik be), és a macska teljesen meghal. Ha egy órára magára hagyja a "Macskadoboz-pokolgép-kvanta" rendszert, és eszébe jut, hogy a kvantumrendszer állapota a valószínűséggel van leírva, akkor világossá válik, hogy valószínűleg nem fog sikerülni annak kiderítése, hogy a macska egy adott időpontban él-e vagy sem, ahogyan azt sem lehet előre pontosan megjósolni, ha egy érme fejre vagy farokra esik. A paradoxon nagyon egyszerű: a kvantumrendszert leíró hullámfüggvény a macska két állapotát keveri össze - egyszerre élő és halott, mint ahogy egy kötött elektron azonos valószínűséggel bárhol elhelyezkedhet az atommagtól egyenlő távolságra lévő térben. Ha nem nyitjuk ki a dobozt, nem tudjuk pontosan, hogy van a macska. Az atommagra vonatkozó megfigyelések (mérések leolvasása) nélkül csak két állapot szuperpozíciójával (keverésével) írhatjuk le az atommag állapotát: egy bomlott és egy el nem bomlott magot. A nukleáris függő macska egyszerre él és hal. A kérdés a következő: mikor szűnik meg egy rendszer két állapot keverékeként, és választ egy konkrétat?

A kísérlet koppenhágai értelmezése azt mondja, hogy a rendszer megszűnik állapotok keveréke lenni, és abban a pillanatban választ egyet ezek közül, amikor egy megfigyelés történik, ami egyben mérés is (kinyílik a doboz). Vagyis maga a mérés ténye megváltoztatja a fizikai valóságot, ami a hullámfüggvény összeomlásához vezet (a macska vagy meghal, vagy életben marad, de megszűnik a kettő keveréke lenni)! Gondoljunk csak bele, a kísérlet és az azt kísérő mérések megváltoztatják a körülöttünk lévő valóságot. Személy szerint ez a tény sokkal erősebbé teszi az agyamat, mint az alkohol. A hírhedt Steve Hawking is keményen veszi ezt a paradoxont, megismétli, hogy amikor Schrödinger macskájáról hall, a keze a Browning felé nyúl. A kiváló elméleti fizikus reakciójának élességét az okozza, hogy véleménye szerint a megfigyelő szerepe a hullámfüggvény összeomlásában (két valószínűségi állapot valamelyikébe ejtésében) erősen eltúlzott.

Természetesen, amikor Erwin professzor 1935-ben megfogant macskacsalása, ez okos módszer volt a kvantummechanika tökéletlenségének bemutatására. Valóban, egy macska nem lehet egyszerre élő és halott. Ennek eredményeként a kísérlet egyik értelmezése a makrovilág törvényei (például a termodinamika második főtétele - a macska vagy él vagy hal) és a mikrovilág (a macska élő és halott egyszerre).

A fentieket a gyakorlatban alkalmazzák: a kvantumszámítástechnikában és a kvantumkriptográfiában. Az optikai kábel fényjelet küld, amely két állapot szuperpozíciójában van. Ha a támadók valahol középen csatlakoznak a kábelhez, és ott egy jellecsapást végeznek, hogy lehallgatják a továbbított információt, akkor ez összeomlik a hullámfüggvény (koppenhágai értelmezés szempontjából megfigyelés történik) és a fény az egyik állapotba kerül. A kábel fogadó végén a fény statisztikai vizsgálata után megtudhatja, hogy a fény állapotok szuperpozíciójában van-e, vagy már megfigyelték és egy másik pontra továbbították. Ez lehetővé teszi olyan kommunikációs eszközök létrehozását, amelyek kizárják az észrevehetetlen jellehallgatást és a lehallgatást.

Schrödinger gondolatkísérletének egy másik legújabb értelmezése a Big Bang Theory Sheldon Cooperének története, aki Penny kevésbé iskolázott szomszédjával beszélt. Sheldon történetének lényege, hogy a Schrödinger macskája fogalma az emberek közötti kapcsolatokra is alkalmazható. Ahhoz, hogy megértsük, mi történik egy férfi és egy nő között, milyen kapcsolat van közöttük: jó vagy rossz, csak ki kell nyitni a dobozt. Addig a kapcsolatok jók és rosszak is.

Volt egyfajta "másodlagos". Ő maga ritkán foglalkozott konkrét tudományos problémával. Kedvenc műfaja a tudományos kutatásra adott válasz, a mű fejlesztése vagy kritikája volt. Annak ellenére, hogy Schrödinger természeténél fogva individualista volt, mindig szüksége volt valaki más gondolatára, támogatására a további munkához. E sajátos megközelítés ellenére Schrödingernek sok felfedezést sikerült tennie.

Életrajzi információk

Schrödinger elméletét ma már nemcsak a fizika és a matematika szakos hallgatók ismerik. Mindenkit érdekelni fog, aki érdeklődik a népszerű tudomány iránt. Ezt az elméletet a híres fizikus, E. Schrodinger alkotta meg, aki a kvantummechanika egyik megalkotójaként vonult be a történelembe. A tudós 1887. augusztus 12-én született egy olajszövetgyár tulajdonosának családjában. A leendő tudós, aki az egész világon híressé vált titokzatosságával, gyermekkorában rajongott a botanikáért és a rajzolásért. Első mentora édesapja volt. Schrödinger 1906-ban kezdte meg tanulmányait a Bécsi Egyetemen, melynek során elkezdte csodálni a fizikát. Amikor kitört az első világháború, a tudós tüzérnek ment. Szabadidejében Albert Einstein elméleteit tanulmányozta.

1927 elejére drámai helyzet alakult ki a tudományban. E. Schrödinger úgy vélte, hogy a hullámok folytonosságának gondolata kell, hogy szolgáljon a kvantumfolyamatok elméletének alapjául. Heisenberg éppen ellenkezőleg, úgy gondolta, hogy a hullámdiszkrétség koncepciója, valamint a kvantumugrások gondolata kell, hogy legyen az alapja ennek a tudásterületnek. Niels Bohr egyik pozíciót sem fogadta el.

A tudomány fejlődése

A hullámmechanika koncepciójáért 1933-ban Schrödinger Nobel-díjat kapott. A klasszikus fizika hagyományaiban nevelkedett tudós azonban nem tudott más kategóriában gondolkodni, és nem tekintette a kvantummechanikát teljes értékű tudáságnak. Nem tudott megelégedni a részecskék kettős viselkedésével, és azt igyekezett kizárólag a hullámviselkedésre redukálni. Schrödinger N. Bohrral folytatott vitájában így fogalmazott: „Ha azt tervezzük, hogy megtartjuk ezeket a kvantum-ugrásokat a tudományban, akkor általában sajnálom, hogy az életemet az atomfizikával kötöttem össze.”

A kutató további munkája

Ugyanakkor Schrödinger nemcsak a modern kvantummechanika egyik megalapítója volt. Ő vezette be a "leírás tárgyilagossága" kifejezést a tudományos használatba. Ez a tudományos elméletek azon képessége, hogy a valóságot megfigyelő részvétele nélkül írják le. További kutatásait a relativitáselmélet, a termodinamikai folyamatok, a Born-féle nemlineáris elektrodinamikának szentelte. Emellett a tudósok számos kísérletet tettek egy egységes térelmélet létrehozására. Ezen kívül E. Schrödinger hat nyelven beszélt.

A leghíresebb rejtvény

Schrödinger elmélete, amelyben ugyanaz a macska szerepel, a tudós kvantumelméleti kritikájából nőtt ki. Egyik fő posztulátuma az, hogy amíg a rendszert nem figyeljük meg, addig szuperpozíciós állapotban van. Mégpedig két vagy több olyan állapotban, amely kizárja egymás létezését. A szuperpozíció állapotának a tudományban a következő definíciója van: egy kvantumnak, amely lehet elektron, foton, vagy például egy atom magja is, egyidejűleg két vagy akár két állapotban lévő képessége. pontokat a térben olyan időpontban, amikor senki sem figyeli őt.

Tárgyak különböző világokban

Egy hétköznapi ember számára nagyon nehéz megérteni egy ilyen meghatározást. Végül is az anyagi világ minden tárgya lehet a tér egyik pontján vagy egy másik pontján. Ez a jelenség a következőképpen szemléltethető. A megfigyelő elvesz két dobozt, és az egyikbe tesz egy teniszlabdát. Egyértelmű lesz, hogy az egyik dobozban van, a másikban nem. De ha az egyik tartályba elektron kerül, akkor igaz lesz a következő állítás: ez a részecske egyszerre két dobozban van, bármilyen paradoxnak is tűnik. Ugyanígy, az atomban lévő elektron nem mindig egy szigorúan meghatározott ponton helyezkedik el. A mag körül forog, a pálya minden pontján egyszerre található. A tudományban ezt a jelenséget "elektronfelhőnek" nevezik.

Mit akart bizonyítani a tudós?

Így a kis és nagy objektumok viselkedése teljesen más szabályok szerint valósul meg. A kvantumvilágban vannak törvények, a makrokozmoszban pedig teljesen mások. Nincs azonban olyan fogalom, amely megmagyarázná az emberek számára ismert anyagi tárgyak világából a mikrovilágba való átmenetet. Schrödinger elméletét azért alkották meg, hogy bemutassák a fizika területén végzett kutatások elégtelenségét. A tudós meg akarta mutatni, hogy van egy tudomány, amelynek célja a kis tárgyak leírása, és van egy tudományterület, amely a közönséges tárgyakat vizsgálja. A fizikát nagyrészt a tudós munkájának köszönhetően két területre osztották: kvantumra és klasszikusra.

Schrödinger elmélete: leírás

A tudós 1935-ben írta le híres gondolatkísérletét. Megvalósítása során Schrödinger a szuperpozíció elvére támaszkodott. Schrödinger hangsúlyozta, hogy amíg nem figyeljük meg a fotont, az akár részecske, akár hullám lehet; piros és zöld egyaránt; kerek és szögletes is. Ezt a bizonytalansági elvet, amely közvetlenül a kvantumdualizmus fogalmából következik, Schrödinger használta híres macskarejtvényében. A kísérlet jelentése röviden a következő:

• Egy macskát egy zárt dobozba, valamint egy hidrogén-cianidot és egy radioaktív anyagot tartalmazó tartályba helyeznek.
• A mag egy órán belül széteshet. Ennek a valószínűsége 50%.
• Ha az atommag elbomlik, akkor ezt a Geiger-számláló rögzíti. A mechanizmus működni fog, és a méregdoboz eltörik. A macska meg fog halni.
• Ha a bomlás nem következik be, akkor Schrödinger macskája életben marad.

Ezen elmélet szerint a macska megfigyeléséig egyidejűleg két állapotban van (halott és élő), akárcsak az atommag (lebomlott vagy nem bomlott). Természetesen ez csak a kvantumvilág törvényei szerint lehetséges. A makrokozmoszban a macska nem lehet egyszerre élő és halott.

Megfigyelői paradoxon

Ahhoz, hogy megértsük Schrödinger elméletének lényegét, meg kell értenünk a megfigyelő paradoxonát is. Jelentése az, hogy a mikrokozmosz objektumai csak akkor lehetnek egyszerre két állapotban, ha nem figyelik őket. Például a tudományban ismert az úgynevezett "Kísérlet 2 réssel és egy megfigyelővel". Egy átlátszatlan lemezen, amelyen két függőleges rés készült, a tudósok elektronsugarat irányítottak. A lemez mögötti képernyőn az elektronok hullámmintát festettek. Más szóval, fekete-fehér csíkokat hagytak. Amikor a kutatók meg akarták figyelni, hogyan repülnek át az elektronok a réseken, a részecskék csak két függőleges csíkot jelenítettek meg a képernyőn. Úgy viselkedtek, mint a részecskék, nem mint a hullámok.

Koppenhágai magyarázat

Schrödinger elméletének modern magyarázatát koppenhágainak nevezik. A megfigyelő paradoxonja alapján ez így hangzik: amíg a rendszerben lévő atommagot senki nem figyeli meg, az egyszerre két állapotban van - bomlott és bomlásmentes. Az az állítás azonban, hogy a macska egyszerre él és hal, rendkívül téves. Hiszen a makrokozmoszban soha nem figyelhetők meg ugyanazok a jelenségek, mint a mikrokozmoszban.

Ezért nem a „macskamag” rendszerről beszélünk, hanem arról, hogy a Geiger-számláló és az atommag összefügg egymással. A kernel a mérések pillanatában választhat egy vagy másik állapotot. Ez a választás azonban nem abban a pillanatban történik, amikor a kísérletvezető kinyitja a dobozt Schrödinger macskájával. Valójában a doboz kinyílása a makrokozmoszban történik. Más szóval egy olyan rendszerben, amely nagyon távol van az atomvilágtól. Ezért az atommag pontosan abban a pillanatban választja ki állapotát, amikor eltalálja a Geiger-számláló detektorát. Erwin Schrödinger tehát gondolatkísérletében nem írta le teljesen a rendszert.

Általános következtetések

Így nem teljesen helyes a makrorendszert a mikroszkopikus világgal társítani. A makrokozmoszban a kvantumtörvények elvesztik erejüket. Egy atommag csak a mikrokozmoszban lehet egyszerre két állapotban. A macskáról ugyanez nem mondható el, hiszen a makrokozmosz tárgya. Ezért csak első pillantásra úgy tűnik, hogy a macska a szuperpozícióból az egyik állapotba kerül a doboz kinyitásának pillanatában. Valójában a sorsa abban a pillanatban dől el, amikor az atommag kölcsönhatásba lép a detektorral. A következtetés a következőképpen vonható le: a rendszer állapotának Erwin Schrödinger rejtvényében semmi köze az emberhez. Ez nem a kísérletezőn, hanem a detektoron múlik - egy objektumon, amely "megfigyeli" a magot.

A koncepció folytatása

Schrödinger elméletét egyszerűen a következőképpen írjuk le: míg a megfigyelő nem nézi a rendszert, az egyszerre két állapotban lehet. Egy másik tudós - Eugene Wigner - azonban tovább ment, és úgy döntött, hogy Schrödinger koncepcióját teljes abszurditásba hozza. – Elnézést – mondta Wigner –, mi van, ha a macskát figyelő kísérletező mellett a kollégája áll? A partner nem tudja, pontosan mit látott maga a kísérletező abban a pillanatban, amikor kinyitotta a dobozt a macskával. Schrödinger macskája elhagyja a szuperpozíció állapotát. Figyelőtársnak azonban nem. Csak abban a pillanatban, amikor az utóbbi tudomására jut a macska sorsa, az állatot végre élőnek vagy halottnak lehet nevezni. Ráadásul több milliárd ember él a Földön. A végső ítéletet pedig csak akkor lehet meghozni, ha a kísérlet eredménye minden élőlény tulajdonába kerül. Természetesen minden embernek elmesélheti röviden a macska sorsát és Schrödinger elméletét, de ez nagyon hosszú és fáradságos folyamat.

A fizika kvantumdualizmusának alapelveit Schrödinger gondolatkísérlete soha nem cáfolta. Bizonyos értelemben minden lény nem nevezhető sem élőnek, sem halottnak (szuperpozícióban lévén), amíg van legalább egy ember, aki nem figyeli őt.

Mindannyian hallottunk már a híres Schrodinger macskáról, de vajon tudjuk-e, hogy valójában milyen macska? Találjuk ki, és próbáljunk meg egyszerű szavakkal beszélni a híres Schrödinger macskájáról.

A Schrödinger macskája Erwin Schrödinger, a kvantummechanika egyik alapító atyja által végzett kísérlet. Ráadásul ez nem egy közönséges fizikai kísérlet, hanem szellemi.

El kell ismerni, hogy Erwin Schrödinger nagyon fantáziadús ember volt.

Tehát mi a képzeletbeli alapunk a kísérlethez? Egy macska van egy dobozban. A dobozban egy Geiger-számláló is található, nagyon kis mennyiségű radioaktív anyaggal. Az anyag mennyisége olyan, hogy egy atom órán belüli bomlásának és el nem bomlásának valószínűsége azonos. Ha az atom elbomlik, egy speciális mechanizmus indul be, amely hidrogén-cianiddal töri össze a lombikot, és szegény macska meghal. Ha az összeomlás nem következik be, akkor a macska továbbra is csendben ül a dobozában, és kolbászokról álmodik.

Mi a lényege Schrödinger macskájának? Miért is kell ilyen szürreális élménnyel előállni?

A kísérlet eredménye szerint csak akkor tudjuk meg, hogy a macska életben van-e vagy sem, amikor kinyitjuk a dobozt. A kvantummechanika szempontjából a macska egyszerre (mint egy anyagatom) egyszerre két állapotban van - egyszerre él és hal. Ez Schrödinger macskájának híres paradoxona.

Ez természetesen nem lehet. Erwin Schrödinger ezt a gondolatkísérletet azért állította fel, hogy bemutassa a kvantummechanika tökéletlenségét a szubatomi rendszerekről a makroszkopikus rendszerekre való áttéréskor.

Íme Schrödinger saját megfogalmazása:

Olyan eseteket is konstruálhatsz, amelyekben elég a burleszk. Zárjanak be egy macskát egy acélkamrába a következő ördögi géppel együtt (amelynek függetlennek kell lennie a macska beavatkozásától): a Geiger-számláló belsejében van egy kis mennyiségű radioaktív anyag - olyan kicsi, hogy csak egy atom tud bomlani óra, de ugyanakkor a valószínűség nem eshet szét; ha ez megtörténik, a leolvasócső lemerül, és egy relé aktiválódik, leengedve a kalapácsot, ami eltöri a hidrogén-cianid kúpját.

Ha ezt az egész rendszert magára hagyjuk egy órára, akkor azt mondhatjuk, hogy a macska élni fog ennyi idő után, amíg az atom nem bomlik le. Egy atom első bomlása megmérgezte volna a macskát. A rendszer egészének pszi-funkciója ezt úgy fogja kifejezni, hogy önmagában összekeveri vagy az élő és döglött macskát egyenlő arányban keni be (elnézést a kifejezésért). Ilyen esetekben jellemző, hogy az eredetileg az atomi világra korlátozódó bizonytalanság makroszkopikus bizonytalansággá alakul, amely közvetlen megfigyeléssel kiküszöbölhető. Ez megakadályozza, hogy naivan elfogadjuk a „homályos modellt”, mint a valóságot. Ez önmagában nem jelent semmi tisztázatlant vagy ellentmondást. Különbség van a homályos vagy életlen fénykép és a felhős vagy ködös felvétel között.

Mindenképpen pozitívum ebben a kísérletben, hogy egyetlen állat sem sérült meg a kísérlet során.

Végül az anyag megszilárdítása érdekében javasoljuk, hogy nézzen meg egy videót a jó öreg "The Big Bang Theory" sorozatból.

És ha hirtelen kérdései vannak, vagy a tanár problémát tett fel a kvantummechanikával kapcsolatban, forduljon bizalommal. Együtt sokkal gyorsabban megoldunk minden problémát!

Jurij Gordejev
Programozó, játékfejlesztő, tervező, művész

A "Schrödinger macskája" egy gondolatkísérlet, amelyet a kvantumfizika egyik úttörője javasolt, hogy megmutassa, milyen furcsán néznek ki a kvantumeffektusok makroszkopikus rendszerekben.

Megpróbálom igazán egyszerű szavakkal elmagyarázni: fizika uraim, ne pontosíts. A "durván szólva" kifejezés minden mondat előtt szerepel.

Nagyon-nagyon kis léptékben a világ olyan dolgokból áll, amelyek nagyon szokatlan módon viselkednek. Az ilyen objektumok egyik legfurcsább tulajdonsága az, hogy képesek egyszerre két egymást kizáró állapotban lenni.

Intuitív szempontból még szokatlanabb (valaki azt is mondja, hátborzongató), hogy a céltudatos megfigyelés megszünteti ezt a bizonytalanságot, és egy éppen egyszerre két egymásnak ellentmondó állapotban lévő tárgy jelenik meg a megfigyelő előtt. csak az egyikük, mintha mi sem történt volna, oldalra néz, és ártatlanul fütyül.

Szubatomi szinten mindenki már régóta hozzászokott ezekhez a bohóckodásokhoz. Létezik egy matematikai apparátus, amely leírja ezeket a folyamatokat, és a velük kapcsolatos ismeretek sokféle alkalmazásra találtak: például a számítógépekben és a kriptográfiában.

Makroszkópikus szinten ezek a hatások nem figyelhetők meg: a számunkra ismerős tárgyak mindig egyetlen meghatározott állapotban vannak.

És most egy gondolatkísérlet. Fogunk egy macskát és betesszük egy dobozba. Ugyanitt helyezünk el egy lombikot mérgező gázzal, egy radioaktív atommal és egy Geiger-számlálót. Egy radioaktív atom bármikor elbomolhat, vagy nem. Ha lebomlik, a számláló érzékeli a sugárzást, egy egyszerű mechanizmus gázzal feltöri a lombikot, és a macskánk meghal. Ha nem, a macska élni fog.

Bezárjuk a dobozt. Innentől kezdve a kvantummechanika szemszögéből atomunk bizonytalanságban van - 50%-os valószínűséggel bomlott le és 50%-os valószínűséggel nem bomlott le. Mielőtt kinyitnánk a dobozt és belenéznénk (megfigyelést végzünk), egyszerre mindkét állapotban lesz. És mivel a macska sorsa közvetlenül függ ennek az atomnak az állapotától, kiderül, hogy a macska szó szerint él és halott is egyszerre (“... élő és döglött macskát bekenni (elnézést a kifejezésért) egyenlő arányban ...” - írja a kísérlet szerzője). A kvantumelmélet így írná le ezt a helyzetet.

Schrödinger aligha sejtette, milyen feltűnést kelt majd az ötlete. Természetesen magát a kísérletet, még az eredetiben is, rendkívül durván és a tudományos pontosság színlelése nélkül írják le: a szerző azt a gondolatot kívánta kollégái felé közvetíteni, hogy az elméletet ki kell egészíteni az olyan folyamatok egyértelműbb meghatározásával, mint a „megfigyelés”. annak érdekében, hogy kizárja a hatásköréből a dobozokban lévő macskákat tartalmazó forgatókönyveket.

A macska gondolatát még arra is használták, hogy „bizonyítsák” Isten, mint szuperelme létezését, amely folyamatos megfigyelésével a mi létezésünket is lehetővé teszi. A valóságban a „megfigyeléshez” nincs szükség tudatos megfigyelőre, ami megfosztja a kvantumhatásokat némi miszticizmustól. De ennek ellenére a kvantumfizika ma is a tudomány élvonala marad számos megmagyarázhatatlan jelenséggel és azok értelmezésével.

Ivan Boldin
A fizikai és matematikai tudományok kandidátusa, kutató, MIPT végzettségű

A mikrovilágban lévő tárgyak (elemi részecskék, atomok, molekulák) viselkedése jelentősen eltér azon tárgyak viselkedésétől, amelyekkel általában meg kell küzdenünk. Például egy elektron egyszerre repülhet át két térben távoli helyen, vagy egyidejűleg több pályán is lehet egy atomban. E jelenségek leírására egy elméletet hoztak létre - a kvantumfizikát. Ez az elmélet szerint például a részecskék elkenődhetnek a térben, de ha meg akarjuk határozni, hogy végül is hol van a részecske, akkor mindig megtaláljuk az egész részecskét valahol, vagyis valahogy összeesik a helyétől. elkenődött állapot valamilyen meghatározott helyre. Vagyis úgy gondolják, hogy amíg meg nem mérjük egy részecske helyzetét, addig nincs pozíciója, a fizika pedig csak azt tudja megjósolni, hogy milyen valószínűséggel, milyen helyen találhat egy részecskét.

Erwin Schrödinger, a kvantumfizika egyik megalkotója feltette magának a kérdést: mi van akkor, ha a mikrorészecske állapotmérésének eredményétől függően valamilyen esemény bekövetkezik vagy nem következik be. Ez például a következőképpen valósítható meg: egy radioaktív atom felezési ideje mondjuk egy óra. Egy atomot lehet helyezni egy átlátszatlan dobozba, oda lehet tenni egy olyan eszközt, amely az atom radioaktív bomlástermékei becsapódásakor széttör egy ampullát mérgező gázzal, és ebbe a dobozba tesz egy macskát. Akkor nem fogod kívülről látni, hogy az atom elbomlott-e vagy sem, vagyis a kvantumelmélet szerint egyszerre bomlott és nem bomlott, és a macska tehát egyszerre él és hal. Az ilyen macska Schrödinger macskájaként vált ismertté.

Meglepőnek tűnhet, hogy egy macska egyszerre lehet élő és halott, bár formailag itt nincs ellentmondás, és ez nem a kvantumelmélet cáfolata. Felmerülhetnek azonban kérdések, például: ki tudja végrehajtani egy atom összeomlását maszatolt állapotból egy bizonyos állapotba, és ki az, aki ilyen kísérletben maga is elkenődött állapotba kerül? Hogyan zajlik ez az összeomlási folyamat? Vagy hogy van az, hogy aki végrehajtja az összeomlást, maga nem engedelmeskedik a kvantumfizika törvényeinek? Még mindig nem világos, hogy van-e értelme ezeknek a kérdéseknek, és ha igen, mi a válasz rájuk.

George Panin
végzett az RKhTU-n. DI. Mengyelejev, a Kutatási Osztály főszakértője (Marketingkutatás)

Ahogy Heisenberg elmagyarázta nekünk, a bizonytalansági elv miatt a kvantummikrovilágban a tárgyak leírása más jellegű, mint a newtoni makrokozmoszban szokásos objektumok leírása. A térbeli koordináták és sebesség helyett, amellyel például egy labda mechanikai mozgását írtuk le a biliárdasztalon, a kvantummechanikában a tárgyakat úgynevezett hullámfüggvénnyel írtuk le. A "hullám" csúcsa annak a maximális valószínűségnek felel meg, hogy a mérés pillanatában egy részecske megtalálható a térben. Egy ilyen hullám mozgását a Schrödinger-egyenlet írja le, amely megmondja, hogyan változik egy kvantumrendszer állapota az idő múlásával.

Most a macskáról. Mindenki tudja, hogy a macskák szeretnek dobozokba bújni (thequestion.ru). Erwin Schrödinger is tisztában volt vele. Sőt, pusztán északi vadsággal, ezt a tulajdonságát egy híres gondolatkísérletben használta. A lényege az volt, hogy egy macskát egy pokolgéppel egy dobozba zártak. A gép egy relén keresztül csatlakozik egy kvantumrendszerhez, például egy radioaktívan bomló anyaghoz. A bomlási valószínűség ismert, és 50%. A pokolgép akkor működik, amikor a rendszer kvantumállapota megváltozik (bomlás következik be), és a macska teljesen meghal. Ha egy órára magára hagyjuk a „Macskadoboz-pokolgép-kvanta” rendszert, és emlékezünk arra, hogy a kvantumrendszer állapota a valószínűséggel van leírva, akkor világossá válik, hogy lehetetlen kideríteni, hogy a macska Élve vagy nem, egy adott időpontban biztosan, ahogyan az sem fog pontosan menni, ha előre megjósoljuk egy érme fejére vagy farkára esését. A paradoxon nagyon egyszerű: a kvantumrendszert leíró hullámfüggvény a macska két állapotát keveri össze - egyszerre élő és halott, mint ahogy egy kötött elektron azonos valószínűséggel bárhol elhelyezkedhet az atommagtól egyenlő távolságra lévő térben. Ha nem nyitjuk ki a dobozt, nem tudjuk pontosan, hogy van a macska. Az atommagra vonatkozó megfigyelések (mérések leolvasása) nélkül csak két állapot szuperpozíciójával (keverésével) írhatjuk le az atommag állapotát: egy bomlott és egy el nem bomlott magot. A nukleáris függő macska egyszerre él és hal. A kérdés a következő: mikor szűnik meg egy rendszer két állapot keverékeként, és választ egy konkrétat?

A kísérlet koppenhágai értelmezése azt mondja, hogy a rendszer megszűnik állapotok keveréke lenni, és abban a pillanatban választ egyet ezek közül, amikor egy megfigyelés történik, ami egyben mérés is (kinyílik a doboz). Vagyis maga a mérés ténye megváltoztatja a fizikai valóságot, ami a hullámfüggvény összeomlásához vezet (a macska vagy meghal, vagy életben marad, de megszűnik a kettő keveréke lenni)! Gondoljunk csak bele, a kísérlet és az azt kísérő mérések megváltoztatják a körülöttünk lévő valóságot. Személy szerint ez a tény sokkal erősebbé teszi az agyamat, mint az alkohol. A hírhedt Steve Hawking is keményen veszi ezt a paradoxont, megismétli, hogy amikor Schrödinger macskájáról hall, a keze a Browning felé nyúl. A kiváló elméleti fizikus reakciójának élességét az okozza, hogy véleménye szerint a megfigyelő szerepe a hullámfüggvény összeomlásában (két valószínűségi állapot valamelyikébe ejtésében) erősen eltúlzott.

Természetesen, amikor Erwin professzor 1935-ben megfogant macskacsalása, ez okos módszer volt a kvantummechanika tökéletlenségének bemutatására. Valóban, egy macska nem lehet egyszerre élő és halott. Ennek eredményeként a kísérlet egyik értelmezése a makrovilág törvényei (például a termodinamika második főtétele - a macska vagy él vagy hal) és a mikrovilág (a macska élő és halott egyszerre).

A fentieket a gyakorlatban alkalmazzák: a kvantumszámítástechnikában és a kvantumkriptográfiában. Az optikai kábel fényjelet küld, amely két állapot szuperpozíciójában van. Ha a támadók valahol középen csatlakoznak a kábelhez, és ott egy jellecsapást végeznek, hogy lehallgatják a továbbított információt, akkor ez összeomlik a hullámfüggvény (koppenhágai értelmezés szempontjából megfigyelés történik) és a fény az egyik állapotba kerül. A kábel fogadó végén a fény statisztikai vizsgálata után megtudhatja, hogy a fény állapotok szuperpozíciójában van-e, vagy már megfigyelték és egy másik pontra továbbították. Ez lehetővé teszi olyan kommunikációs eszközök létrehozását, amelyek kizárják az észrevehetetlen jellehallgatást és a lehallgatást.

Schrödinger gondolatkísérletének egy másik legújabb értelmezése a Big Bang Theory Sheldon Cooperének története, aki Penny kevésbé iskolázott szomszédjával beszélt. Sheldon történetének lényege, hogy a Schrödinger macskája fogalma az emberek közötti kapcsolatokra is alkalmazható. Ahhoz, hogy megértsük, mi történik egy férfi és egy nő között, milyen kapcsolat van közöttük: jó vagy rossz, csak ki kell nyitni a dobozt. Addig a kapcsolatok jók és rosszak is. youtube.com

Szégyenszemre szeretném bevallani, hogy hallottam ezt a kifejezést, de egyáltalán nem tudtam, mit jelent, és legalábbis milyen témában használták. Hadd mondjam el, mit olvastam az interneten erről a macskáról...

« Shroedinger macskája”- így hívja a híres osztrák elméleti fizikus, Erwin Schrödinger híres gondolatkísérletét, aki szintén Nobel-díjas. Ezzel a fiktív kísérlettel a tudós meg akarta mutatni a kvantummechanika hiányosságát a szubatomi rendszerekről a makroszkopikus rendszerekre való átmenet során.

Erwin Schrödinger eredeti cikke 1935-ben jelent meg. Íme az idézet:

Olyan eseteket is konstruálhatsz, amelyekben elég a burleszk. Zárjanak be egy macskát egy acélkamrába, a következő ördögi géppel együtt (amelynek függetlennek kell lennie a macska beavatkozásától): a Geiger-számláló belsejében egy kis mennyiségű radioaktív anyag található, olyan kicsi, hogy csak egy atom bomlik le. egy óra, de ugyanekkor a valószínűség nem eshet szét; ha ez megtörténik, a leolvasócső lemerül, és egy relé aktiválódik, leengedve a kalapácsot, ami eltöri a hidrogén-cianid kúpját.

Ha ezt az egész rendszert magára hagyjuk egy órára, akkor azt mondhatjuk, hogy a macska élni fog ennyi idő után, amíg az atom nem bomlik le. Egy atom első bomlása megmérgezte volna a macskát. A rendszer egészének pszi-funkciója ezt úgy fogja kifejezni, hogy önmagában összekeveri vagy az élő és döglött macskát egyenlő arányban keni be (elnézést a kifejezésért). Ilyen esetekben jellemző, hogy az eredetileg az atomi világra korlátozódó bizonytalanság makroszkopikus bizonytalansággá alakul, amely közvetlen megfigyeléssel kiküszöbölhető. Ez megakadályozza, hogy naivan elfogadjuk a „homályos modellt”, mint a valóságot. Ez önmagában nem jelent semmi tisztázatlant vagy ellentmondást. Különbség van a homályos vagy életlen fénykép és a felhős vagy ködös felvétel között.

Más szavakkal:

1. Van egy doboz és egy macska. A doboz egy radioaktív atommagot és egy mérgező gázt tartalmazó tartályt tartalmaz. A kísérleti paramétereket úgy választjuk meg, hogy a magbomlás valószínűsége 1 óra alatt 50%. Ha a mag szétesik, a gáztartály kinyílik, és a macska meghal. Ha a mag szétesése nem következik be, a macska életben marad és jól van.
2. Bezárjuk a macskát egy dobozba, várunk egy órát, és megkérdezzük magunktól: él vagy halt a macska?
3. A kvantummechanika mintegy azt mondja nekünk, hogy az atommag (és így a macska) egyidejűleg minden lehetséges állapotban van (lásd kvantum-szuperpozíció). Mielőtt kinyitottuk volna a dobozt, a "macskamag" rendszer 50%-os valószínűséggel "a mag elpusztult, a macska meghalt" és "a mag nem bomlott el, a macska él" állapotban van. 50%-os valószínűséggel. Kiderül, hogy a dobozban ülő macska egyszerre él és hal.
4. A modern koppenhágai értelmezés szerint a macska még mindig él / halott köztes állapotok nélkül. És az atommag bomlási állapotának kiválasztása nem a doboz kinyitásának pillanatában történik, hanem akkor is, amikor a mag belép a detektorba. Mert a "macska-detektor-mag" rendszer hullámfüggvényének redukciója nem a doboz emberi megfigyelőjéhez, hanem a mag detektor-megfigyelőjéhez kapcsolódik.

A kvantummechanika szerint, ha egy atom magját nem figyeljük meg, akkor annak állapotát két állapot keveréke írja le - egy bomlott mag és egy el nem bomlott mag, tehát egy macska, aki egy dobozban ül és megszemélyesíti az atom magját. egyszerre él és hal. Ha a dobozt kinyitják, akkor a kísérletező csak egy meghatározott állapotot láthat - "a mag szétesett, a macska meghalt" vagy "a mag nem bomlott fel, a macska él".

Esszencia emberi nyelven: Schrödinger kísérlete kimutatta, hogy a kvantummechanika szempontjából a macska egyszerre él és hal, ami nem lehet. Következésképpen a kvantummechanikának jelentős hibái vannak.

A kérdés a következő: mikor szűnik meg egy rendszer két állapot keverékeként, és választ egy konkrétat? A kísérlet célja annak bemutatása, hogy a kvantummechanika nem teljes bizonyos szabályok nélkül, amelyek meghatározzák, hogy milyen körülmények között omlik össze a hullámfüggvény, és a macska vagy meghal, vagy életben marad, de megszűnik a kettő keveréke lenni. Mivel egyértelmű, hogy a macskának szükségszerűen élőnek vagy halottnak kell lennie (nincs köztes állapot élet és halál között), ez az atommag esetében is így lesz. Feltétlenül fel kell törni, vagy fel nem szakítani (Wikipédia).

Schrödinger gondolatkísérletének egy másik legújabb értelmezése a Big Bang Theory Sheldon Cooperének története, aki Penny kevésbé iskolázott szomszédjával beszélt. Sheldon történetének lényege, hogy a Schrödinger macskája fogalma az emberek közötti kapcsolatokra is alkalmazható. Ahhoz, hogy megértsük, mi történik egy férfi és egy nő között, milyen kapcsolat van közöttük: jó vagy rossz, csak ki kell nyitni a dobozt. Addig a kapcsolatok jók és rosszak is.

Az alábbiakban egy videoklip a Big Bang Theory párbeszédéből Sheldon és Peny között.

Schrödinger illusztrációja a legjobb példa a kvantumfizika fő paradoxonának leírására: törvényei szerint a részecskék, például az elektronok, fotonok, sőt az atomok egyidejűleg két állapotban léteznek ("élő" és "halott", ha emlékszel). a hosszútűrő macska). Ezeket az állapotokat szuperpozícióknak nevezzük.

Art Hobson (Art Hobson) amerikai fizikus, az Arkansas Egyetemről (Arkansas State University) kínált megoldást erre a paradoxonra.

„A kvantumfizika mérései bizonyos makroszkopikus eszközök, például a Geiger-számláló működésén alapulnak, amelyek meghatározzák a mikroszkopikus rendszerek - atomok, fotonok és elektronok - kvantumállapotát. A kvantumelmélet azt sugallja, hogy ha egy mikroszkopikus rendszert (részecskét) csatlakoztatunk valamilyen makroszkopikus eszközhöz, amely különbséget tesz a rendszer két különböző állapota között, akkor az eszköz (például a Geiger-számláló) kvantumösszefonódás állapotába kerül, és ezzel egyidejűleg két szuperpozícióban. Ezt a jelenséget azonban nem lehet közvetlenül megfigyelni, ami elfogadhatatlanná teszi” – mondja a fizikus.

Hobson azt mondja, hogy Schrödinger paradoxonában a macska egy makroszkopikus eszköz, egy Geiger-számláló szerepét tölti be, amely egy radioaktív maghoz kapcsolódik, hogy meghatározza ennek az atommagnak a bomlási vagy „nem bomlási” állapotát. Ebben az esetben az élő macska a „nem bomlás”, a halott macska pedig a bomlás jelzője. De a kvantumelmélet szerint a macskának, akárcsak a magnak, az élet és a halál két szuperpozíciójában kell lennie.

Ehelyett a fizikus szerint a macska kvantumállapotát az atom állapotával kell összefonni, ami azt jelenti, hogy "nem lokális kapcsolatban" vannak egymással. Vagyis ha az egyik összegabalyodott objektum állapota hirtelen az ellenkezőjére változik, akkor a párjának állapota is ugyanúgy változik, függetlenül attól, hogy milyen messze vannak egymástól. Ugyanakkor Hobson ennek a kvantumelméletnek a kísérleti megerősítésére hivatkozik.

„A kvantumösszefonódás elméletében az a legérdekesebb, hogy mindkét részecske állapotváltozása azonnal megtörténik: egyetlen fénynek vagy elektromágneses jelnek sem lenne ideje információt átvinni egyik rendszerből a másikba. Tehát azt mondhatjuk, hogy ez egy tárgy, amelyet a tér két részre oszt, függetlenül attól, hogy milyen nagy a távolság közöttük” – magyarázza Hobson.

Schrödinger macskája már nem él és halott egyszerre. Halott, ha a bomlás megtörténik, és él, ha a bomlás soha nem történik meg.

Hozzátesszük, hogy ehhez a paradoxonhoz hasonló megoldásokat javasolt még három tudóscsoport az elmúlt harminc évben, de ezeket nem vették komolyan, és a széles tudományos közösség észrevétlen maradt. Hobson megjegyzi, hogy a kvantummechanika paradoxonainak – legalábbis elméleti – megoldása feltétlenül szükséges annak mély megértéséhez.

Schrödinger

És a közelmúltban az elmélet elmagyarázta, hogy a GRAVITÁCIÓ HOGY GYÖLJI MEG SCHROEDINGER MACSKÁJÁT, de ez már bonyolultabb...

A fizikusok általában úgy magyarázzák a jelenséget, hogy a szuperpozíció lehetséges a részecskék világában, de lehetetlen macskák vagy más makroobjektumok, környezeti interferencia esetén. Amikor egy kvantumobjektum áthalad egy mezőn, vagy véletlenszerű részecskékkel lép kölcsönhatásba, azonnal csak egy állapotot vesz fel – mintha megmérnék. Így omlik össze a szuperpozíció, ahogy a tudósok hitték.

De még ha valamilyen módon el is lehetne szigetelni a szuperpozícióban lévő makroobjektumot más részecskékkel és mezőkkel való kölcsönhatásoktól, akkor is előbb-utóbb egyetlen állapotba kerülne. Legalábbis ez igaz a Föld felszínén zajló folyamatokra.

„Valahol a csillagközi térben talán egy macskának lenne esélye a kvantumkoherencia fenntartására, de a Földön vagy bármely bolygó közelében ez rendkívül valószínűtlen. Ennek pedig a gravitáció az oka” – magyarázza az új tanulmány vezető szerzője, Igor Pikovski (Igor Pikovski), a Harvard-Smithsonian Asztrofizikai Központ munkatársa.

Pikovsky és munkatársai a Bécsi Egyetemről azzal érvelnek, hogy a gravitáció romboló hatással van a makroobjektumok kvantum-szuperpozícióira, ezért nem figyelünk meg ilyen jelenségeket a makrokozmoszban. Az új hipotézis alapkoncepcióját egyébként az Interstellar című játékfilm vázolja röviden.

Einstein általános relativitáselmélete kijelenti, hogy egy rendkívül nagy tömegű objektum meghajtja a téridőt a közelében. Kisebb szinten tekintve a helyzetet, azt mondhatjuk, hogy a Föld felszíne közelében elhelyezett molekulánál az idő valamivel lassabban telik, mint a bolygónk pályáján lévő molekulánál.

A gravitációnak a téridőre gyakorolt ​​hatása miatt egy molekula, amely e hatás alá esik, helyzetében eltérést tapasztal. És ennek viszont ki kell hatnia a belső energiájára is - a molekulában lévő részecskék rezgéseire, amelyek idővel változnak. Ha egy molekulát két hely kvantum-szuperpozíciójának állapotába vezetnek, akkor a helyzet és a belső energia közötti kapcsolat hamarosan arra kényszerítené a molekulát, hogy a térben lévő két pozíció közül csak az egyiket válassza.

"A legtöbb esetben a dekoherencia jelensége külső hatáshoz kapcsolódik, de ebben az esetben a részecskék belső rezgése kölcsönhatásba lép magának a molekulának a mozgásával" - magyarázza Pikovsky.

Ezt a hatást még nem figyelték meg, mivel a dekoherencia egyéb forrásai, mint például a mágneses mezők, a hősugárzás és a rezgések, általában sokkal erősebbek, és jóval a gravitáció előtt okozzák a kvantumrendszerek pusztulását. A kísérletezők azonban megpróbálják tesztelni a felállított hipotézist.

Hasonló elrendezés használható a gravitáció kvantumrendszerek elpusztítására való képességének tesztelésére is. Ehhez össze kell hasonlítani a függőleges és a vízszintes interferométert: az elsőben a szuperpozíció az idő dilatációja miatt hamarosan eltűnik az út különböző "magasságain", míg a másodikban a kvantum-szuperpozíció fennmaradhat. .