Fizica cuantică Pisica lui Schrödinger. Celebrul mister al „Pisicii lui Schrödinger” în cuvinte simple

După cum ne-a explicat Heisenberg, datorită principiului incertitudinii, descrierea obiectelor din microlume cuantică este de altă natură decât descrierea obișnuită a obiectelor din macrocosmosul newtonian. În loc de coordonatele spațiale și viteza, pe care le-am folosit pentru a descrie mișcarea mecanică, de exemplu, a unei mingi pe o masă de biliard, în mecanica cuantică, obiectele sunt descrise prin așa-numita funcție de undă. Creasta „valului” corespunde probabilității maxime de a găsi o particulă în spațiu în momentul măsurării. Mișcarea unei astfel de unde este descrisă de ecuația Schrödinger, care ne spune cum se schimbă starea unui sistem cuantic în timp.

Acum despre pisica. Toată lumea știe că pisicile adoră să se ascundă în cutii (). Erwin Schrödinger era și el conștient. Mai mult, cu sălbăticie pur nordică, el a folosit această caracteristică într-un experiment de gândire celebru. Esența sa a fost că o pisică a fost închisă într-o cutie cu o mașină infernală. Mașina este conectată printr-un releu la un sistem cuantic, de exemplu, la o substanță care se descompune radioactiv. Probabilitatea de dezintegrare este cunoscută și este de 50%. Mașina infernală funcționează atunci când starea cuantică a sistemului se schimbă (are loc dezintegrarea) și pisica moare complet. Dacă lăsați sistemul „Cat-box-infernal machine-quanta” pentru sine timp de o oră și vă amintiți că starea sistemului cuantic este descrisă în termeni de probabilitate, atunci devine clar că probabil că nu va funcționa pentru a afla dacă pisica este în viață sau nu, la un moment dat, așa cum nu va funcționa cu precizie să prezică în avans căderea unei monede pe capete sau cozi. Paradoxul este foarte simplu: funcția de undă care descrie un sistem cuantic amestecă două stări ale unei pisici - este vie și moartă în același timp, la fel cum un electron legat cu probabilitate egală poate fi localizat oriunde în spațiu echidistant de nucleul atomic. Dacă nu deschidem cutia, nu știm exact cum este pisica. Fără a face observații (citiți măsurători) asupra nucleului atomic, putem descrie starea acestuia doar printr-o suprapunere (amestecare) a două stări: un nucleu degradat și un nucleu nedegradat. O pisică dependentă de nuclear este atât vie, cât și moartă în același timp. Întrebarea este următoarea: când un sistem încetează să existe ca un amestec de două stări și alege una concretă?

Interpretarea de la Copenhaga a experimentului ne spune că sistemul încetează să mai fie un amestec de stări și alege una dintre ele în momentul în care are loc o observație, care este și măsurătoare (caseta se deschide). Adică, însuși faptul măsurării schimbă realitatea fizică, ducând la prăbușirea funcției de undă (pisica fie devine moartă, fie rămâne în viață, dar încetează să mai fie un amestec al ambelor)! Gândește-te bine, experimentul și măsurătorile care îl însoțesc schimbă realitatea din jurul nostru. Personal, acest fapt îmi face creierul mult mai puternic decât alcoolul. Notoriul Steve Hawking ia și el cu greu acest paradox, repetând că atunci când aude de pisica lui Schrödinger, mâna lui se întinde spre Browning. Ascuțimea reacției remarcabilului fizician teoretic se datorează faptului că, în opinia sa, rolul observatorului în prăbușirea funcției de undă (căderea acesteia într-una dintre cele două stări probabiliste) este mult exagerat.

Desigur, când profesorul Erwin și-a conceput frauda de pisică în 1935, a fost o modalitate inteligentă de a arăta imperfecțiunea mecanicii cuantice. Într-adevăr, o pisică nu poate fi vie și moartă în același timp. Ca urmare, una dintre interpretările experimentului a fost contradicția evidentă dintre legile macro-lumii (de exemplu, a doua lege a termodinamicii - o pisică este fie vie, fie moartă) și micro-lume (o pisică este viu și mort în același timp).

Cele de mai sus se aplică în practică: în calculul cuantic și în criptografia cuantică. Un cablu de fibră optică trimite un semnal luminos care se află într-o suprapunere a două stări. Dacă atacatorii se conectează la cablu undeva la mijloc și fac o atingere de semnal acolo pentru a asculta informațiile transmise, atunci aceasta va prăbuși funcția de undă (din punctul de vedere al interpretării de la Copenhaga, se va face o observație) și lumina va intra într-una din stări. După efectuarea testelor statistice ale luminii la capătul receptor al cablului, se va putea afla dacă lumina se află într-o suprapunere de stări sau dacă a fost deja observată și transmisă în alt punct. Acest lucru face posibilă crearea unor mijloace de comunicare care exclud interceptarea și interceptarea semnalelor imperceptibile.

O altă interpretare cea mai recentă a experimentului de gândire al lui Schrödinger este povestea lui Sheldon Cooper de la Big Bang Theory, care a vorbit cu vecinul mai puțin educat al lui Penny. Ideea poveștii lui Sheldon este că conceptul de pisică a lui Schrödinger poate fi aplicat relațiilor dintre oameni. Pentru a înțelege ce se întâmplă între un bărbat și o femeie, ce fel de relație între ei: bună sau rea, trebuie doar să deschideți cutia. Până atunci, relațiile sunt atât bune, cât și rele.

Era un fel de „secundar”. El însuși s-a ocupat rar de o problemă științifică specifică. Genul său preferat de muncă a fost un răspuns la cercetarea științifică a cuiva, dezvoltarea acestei lucrări sau criticile acesteia. În ciuda faptului că Schrödinger însuși a fost un individualist prin natură, a avut întotdeauna nevoie de gândul altcuiva, de sprijin pentru munca ulterioară. În ciuda acestei abordări deosebite, Schrödinger a reușit să facă multe descoperiri.

Informatie biografica

Teoria lui Schrödinger este acum cunoscută nu numai studenților de la departamentele de fizică și matematică. Va fi de interes pentru oricine este interesat de știința populară. Această teorie a fost creată de celebrul fizician E. Schrodinger, care a intrat în istorie ca unul dintre creatorii mecanicii cuantice. Omul de știință s-a născut pe 12 august 1887 în familia proprietarului unei fabrici de pânză uleioasă. Viitorul om de știință, care a devenit faimos în întreaga lume pentru misterul său, era pasionat de botanică și desen în copilărie. Primul său mentor a fost tatăl său. În 1906, Schrödinger și-a început studiile la Universitatea din Viena, timp în care a început să admire fizica. Când a venit primul război mondial, omul de știință a mers să servească ca artilerist. În timpul liber, a studiat teoriile lui Albert Einstein.

Până la începutul anului 1927, în știință se dezvoltase o situație dramatică. E. Schrödinger credea că ideea continuității undelor ar trebui să servească drept bază pentru teoria proceselor cuantice. Heisenberg, dimpotrivă, credea că conceptul de discretitate a valurilor, precum și ideea de salturi cuantice, ar trebui să fie fundamentul pentru această zonă de cunoaștere. Niels Bohr nu a acceptat niciuna dintre poziții.

Progrese în știință

Pentru conceptul de mecanică ondulatorie în 1933, Schrödinger a primit Premiul Nobel. Cu toate acestea, crescut în tradițiile fizicii clasice, omul de știință nu putea gândi în alte categorii și nu considera mecanica cuantică ca fiind o ramură cu drepturi depline a cunoașterii. El nu a putut fi mulțumit de comportamentul dual al particulelor și a încercat să-l reducă exclusiv la comportamentul undei. În discuția sa cu N. Bohr, Schrödinger a spus astfel: „Dacă intenționăm să păstrăm aceste salturi cuantice în știință, atunci regret în general că mi-am conectat viața cu fizica atomică”.

Lucrări suplimentare ale cercetătorului

În același timp, Schrödinger nu a fost doar unul dintre fondatorii mecanicii cuantice moderne. El a fost cel care a introdus termenul „obiectivitatea descrierii” în uz științific. Aceasta este capacitatea teoriilor științifice de a descrie realitatea fără participarea unui observator. Cercetările sale ulterioare au fost dedicate teoriei relativității, proceselor termodinamice și electrodinamicii neliniare a lui Born. De asemenea, oamenii de știință au făcut mai multe încercări de a crea o teorie unificată a câmpului. În plus, E. Schrödinger vorbea șase limbi.

Cea mai faimoasă ghicitoare

Teoria lui Schrödinger, în care apare aceeași pisică, a apărut din critica savantului la adresa teoriei cuantice. Unul dintre principalele sale postulate este că atâta timp cât sistemul nu este observat, acesta se află într-o stare de suprapunere. Și anume, în două sau mai multe stări care exclud existența reciprocă. Starea de suprapunere în știință are următoarea definiție: este capacitatea unui cuantic, care poate fi și un electron, un foton sau, de exemplu, nucleul unui atom, de a fi simultan în două stări sau chiar la două. puncte în spațiu într-un moment în care nimeni nu îl urmărește.

Obiecte din lumi diferite

Este foarte greu pentru o persoană obișnuită să înțeleagă o astfel de definiție. La urma urmei, fiecare obiect al lumii materiale poate fi fie într-un punct din spațiu, fie în altul. Acest fenomen poate fi ilustrat după cum urmează. Observatorul ia două cutii și pune o minge de tenis într-una dintre ele. Va fi clar că este într-o cutie și nu în cealaltă. Dar dacă un electron este plasat într-unul dintre containere, atunci următoarea afirmație va fi adevărată: această particulă se află simultan în două cutii, oricât de paradoxală ar părea. În același mod, un electron dintr-un atom nu este situat într-un punct strict definit la un moment dat sau altul. Se rotește în jurul nucleului, fiind situat în toate punctele orbitei în același timp. În știință, acest fenomen este numit „nor de electroni”.

Ce a vrut să demonstreze omul de știință?

Astfel, comportamentul obiectelor mici și mari este implementat după reguli complet diferite. În lumea cuantică, există niște legi, iar în macrocosmos - complet diferite. Cu toate acestea, nu există un astfel de concept care să explice trecerea de la lumea obiectelor materiale, familiară oamenilor, la microlume. Teoria lui Schrödinger a fost creată pentru a demonstra insuficiența cercetării în domeniul fizicii. Omul de știință a vrut să arate că există o știință al cărei scop este de a descrie obiecte mici și există un domeniu de cunoaștere care studiază obiectele obișnuite. În mare parte datorită muncii omului de știință, fizica a fost împărțită în două domenii: cuantică și clasică.

Teoria lui Schrödinger: descriere

Omul de știință și-a descris faimosul experiment de gândire în 1935. În implementarea sa, Schrödinger s-a bazat pe principiul suprapunerii. Schrödinger a subliniat că atâta timp cât nu observăm fotonul, acesta poate fi fie o particulă, fie o undă; atât roșu cât și verde; atât rotunde cât și pătrate. Acest principiu al incertitudinii, care decurge direct din conceptul de dualism cuantic, a fost folosit de Schrödinger în celebra sa ghicitoare cu pisici. Sensul experimentului pe scurt este următorul:

• O pisică este plasată într-o cutie închisă, precum și un recipient care conține acid cianhidric și o substanță radioactivă.
• Nucleul se poate dezintegra într-o oră. Probabilitatea acestui lucru este de 50%.
• Dacă nucleul atomic se descompune, atunci acest lucru va fi înregistrat de contorul Geiger. Mecanismul va funcționa și cutia cu otravă va fi spartă. Pisica va muri.
• Dacă degradarea nu are loc, atunci pisica lui Schrödinger va fi vie.

Conform acestei teorii, până când pisica este observată, aceasta se află simultan în două stări (moartă și vie), la fel ca nucleul unui atom (decăzut sau nedezintegrat). Desigur, acest lucru este posibil numai conform legilor lumii cuantice. În macrocosmos, o pisică nu poate fi atât vie, cât și moartă în același timp.

Paradoxul observatorului

Pentru a înțelege esența teoriei lui Schrödinger, este, de asemenea, necesar să avem o înțelegere a paradoxului observatorului. Sensul său este că obiectele microcosmosului pot fi simultan în două stări numai atunci când nu sunt observate. De exemplu, așa-numitul „Experiment cu 2 fante și un observator” este cunoscut în știință. Pe o placă opacă în care au fost făcute două fante verticale, oamenii de știință au direcționat un fascicul de electroni. Pe ecranul din spatele plăcii, electronii au pictat un model de undă. Cu alte cuvinte, au lăsat dungi albe și negre. Când cercetătorii au vrut să observe cum electronii zboară prin fante, particulele au afișat doar două dungi verticale pe ecran. S-au comportat ca niște particule, nu ca valurile.

Explicație de la Copenhaga

Explicația modernă a teoriei lui Schrödinger se numește cea de la Copenhaga. Pe baza paradoxului observatorului, sună așa: atâta timp cât nimeni nu observă nucleul unui atom din sistem, acesta se află simultan în două stări - degradat și nedezintegrat. Cu toate acestea, afirmația că pisica este vie și moartă în același timp este extrem de eronată. La urma urmei, aceleași fenomene nu se observă niciodată în macrocosmos ca și în microcosmos.

Prin urmare, nu vorbim despre sistemul „cat-core”, ci despre faptul că contorul Geiger și nucleul atomului sunt interconectate. Nucleul poate alege una sau alta stare în momentul în care se fac măsurătorile. Totuși, această alegere nu are loc în momentul în care experimentatorul deschide cutia cu pisica lui Schrödinger. De fapt, deschiderea cutiei are loc în macrocosmos. Cu alte cuvinte, într-un sistem care este foarte departe de lumea atomică. Prin urmare, nucleul își selectează starea exact în momentul în care lovește detectorul contorului Geiger. Astfel, Erwin Schrödinger, în experimentul său de gândire, nu a descris pe deplin sistemul.

Concluzii generale

Astfel, nu este în întregime corect să asociem macrosistemul cu lumea microscopică. În macrocosmos, legile cuantice își pierd forța. Nucleul unui atom poate fi simultan în două stări numai în microcosmos. Nu același lucru se poate spune despre pisică, deoarece este un obiect al macrocosmosului. Prin urmare, doar la prima vedere pare că pisica trece de la suprapunere la una dintre stările în momentul deschiderii cutiei. De fapt, soarta lui este determinată în momentul în care nucleul atomic interacționează cu detectorul. Concluzia poate fi trasă după cum urmează: starea sistemului din ghicitoarea lui Erwin Schrödinger nu are nimic de-a face cu o persoană. Nu depinde de experimentator, ci de detector - un obiect care „observă” nucleul.

Continuarea conceptului

Teoria lui Schrödinger este descrisă în termeni simpli după cum urmează: în timp ce observatorul nu privește sistemul, acesta poate fi în două stări simultan. Cu toate acestea, un alt om de știință - Eugene Wigner, a mers mai departe și a decis să aducă conceptul de Schrödinger la absurd total. „Scuzați-mă!” a spus Wigner, „ce-ar fi dacă lângă experimentatorul care urmărește pisica este colegul lui?” Partenerul nu știe exact ce a văzut experimentatorul însuși în momentul în care a deschis cutia cu pisica. Pisica lui Schrödinger părăsește starea de suprapunere. Cu toate acestea, nu pentru un coleg observator. Abia în acel moment, când soarta pisicii devine cunoscută de acesta din urmă, animalul poate fi numit în sfârșit viu sau mort. În plus, există miliarde de oameni pe planeta Pământ. Iar verdictul final poate fi dat numai atunci când rezultatul experimentului devine proprietatea tuturor ființelor vii. Desigur, tuturor oamenilor li se poate spune soarta pisicii și teoria lui Schrödinger pe scurt, dar acesta este un proces foarte lung și laborios.

Principiile dualismului cuantic în fizică nu au fost niciodată infirmate de experimentul gândirii lui Schrödinger. Într-un fel, orice creatură nu poate fi numită nici vie, nici moartă (fiind în suprapunere), atâta timp cât există cel puțin o persoană care nu o urmărește.

Cu toții am auzit despre celebra pisică a lui Schrödinger, dar știm ce fel de pisică este cu adevărat? Să ne dăm seama și să încercăm să vorbim despre celebra pisică a lui Schrödinger în cuvinte simple.

Pisica lui Schrödinger este un experiment condus de Erwin Schrödinger, unul dintre părinții fondatori ai mecanicii cuantice. Mai mult, acesta nu este un experiment fizic obișnuit, dar mental.

Trebuie să recunoaștem că Erwin Schrödinger a fost un om foarte imaginativ.

Deci, ce avem ca bază imaginară pentru experiment? Există o pisică plasată într-o cutie. Cutia conține și un contor Geiger cu niște cantități foarte mici de material radioactiv. Cantitatea de substanță este de așa natură încât probabilitatea dezintegrarii și a nedezintegrarii unui atom într-o oră este aceeași. Dacă atomul se descompune, va porni un mecanism special care va sparge balonul cu acid cianhidric, iar biata pisică va muri. Dacă prăbușirea nu are loc, atunci pisica va continua să stea liniștită în cutia lui și să viseze la cârnați.

Care este esența pisicii lui Schrödinger? De ce să venim cu o experiență atât de suprarealistă?

Conform rezultatelor experimentului, vom ști dacă pisica este în viață sau nu numai când deschidem cutia. Din punctul de vedere al mecanicii cuantice, o pisică simultan (ca un atom de materie) se află în două stări deodată - atât vie, cât și moartă în același timp. Acesta este faimosul paradox al pisicii lui Schrödinger.

Desigur, acest lucru nu poate fi. Erwin Schrödinger a creat acest experiment de gândire pentru a arăta imperfecțiunea mecanicii cuantice atunci când trece de la sistemele subatomice la cele macroscopice.

Iată formula proprie a lui Schrödinger:

Puteți construi și cazuri în care burlescul este suficient. Lasă o pisică să fie închisă într-o cameră de oțel împreună cu următoarea mașină diabolică (care ar trebui să fie independentă de intervenția pisicii): în interiorul contorului Geiger se află o cantitate mică de material radioactiv - atât de mică încât doar un atom se poate descompune într-un oră, dar cu aceeași probabilitatea poate să nu se destrame; dacă se întâmplă acest lucru, tubul de citire este descărcat și se activează un releu, coborând ciocanul, care rupe conul de acid cianhidric.

Dacă lăsăm întregul sistem pentru el însuși timp de o oră, atunci putem spune că pisica va fi în viață după acest timp, atâta timp cât atomul nu se descompune. Prima dezintegrare a unui atom ar fi otrăvit pisica. Funcția psi a sistemului în ansamblu va exprima acest lucru amestecând în sine sau mânjind pisica vie și moartă (iertați expresia) în proporții egale. Tipic în astfel de cazuri este faptul că incertitudinea, limitată inițial la lumea atomică, este transformată într-o incertitudine macroscopică care poate fi eliminată prin observare directă. Acest lucru ne împiedică să acceptăm naiv „modelul blur” ca reflectând realitatea. În sine, acest lucru nu înseamnă nimic neclar sau contradictoriu. Există o diferență între o fotografie neclară sau nefocalizată și o fotografie în nor sau ceață.

Un punct cu siguranță pozitiv în acest experiment este faptul că niciun animal nu a fost rănit în timpul cursului său.

În cele din urmă, pentru a consolida materialul, vă sugerăm să urmăriți un videoclip din vechiul serial bun „The Big Bang Theory”.

Și dacă aveți brusc întrebări sau profesorul a pus o problemă despre mecanica cuantică, vă rugăm să contactați. Împreună vom rezolva toate problemele mult mai repede!

Yuri Gordeev
Programator, dezvoltator de jocuri, designer, artist

„Pisica lui Schrödinger” este un experiment de gândire propus de unul dintre pionierii fizicii cuantice pentru a arăta cât de ciudat arată efectele cuantice atunci când sunt aplicate sistemelor macroscopice.

Voi încerca să explic în cuvinte foarte simple: domnilor fizicii, nu exact. Expresia „aproximativ vorbind” este implicată mai departe înaintea fiecărei propoziții.

La o scară foarte, foarte mică, lumea este alcătuită din lucruri care se comportă în moduri foarte neobișnuite. Una dintre cele mai ciudate caracteristici ale unor astfel de obiecte este capacitatea de a fi în două stări care se exclud reciproc în același timp.

Ceea ce este și mai neobișnuit din punct de vedere intuitiv (cineva va spune chiar, înfiorător) este că actul de observare intenționată elimină această incertitudine, iar un obiect care tocmai a fost în două stări contradictorii în același timp apare în fața observatorului în doar unul dintre ei, ca și cum nimic nu s-ar fi întâmplat niciodată, privește în lateral și fluieră inocent.

La nivel subatomic, toată lumea s-a obișnuit de multă vreme cu aceste șmecherii. Există un aparat matematic care descrie aceste procese, iar cunoștințele despre ele au găsit o varietate de aplicații: de exemplu, în computere și criptografie.

La nivel macroscopic, aceste efecte nu sunt observate: obiectele cunoscute nouă sunt întotdeauna într-o singură stare specifică.

Și acum un experiment de gândire. Luăm o pisică și o punem într-o cutie. De asemenea, punem acolo un balon cu gaz otrăvitor, un atom radioactiv și un contor Geiger. Un atom radioactiv se poate degrada sau nu în orice moment. Dacă scade, contorul va detecta radiațiile, un mecanism simplu va sparge balonul cu gaz și pisica noastră va muri. Dacă nu, pisica va trăi.

Închidem cutia. Din acest punct de vedere, din punct de vedere al mecanicii cuantice, atomul nostru se află într-o stare de incertitudine - s-a dezintegrat cu o probabilitate de 50% și nu s-a dezintegrat cu o probabilitate de 50%. Înainte să deschidem cutia și să privim înăuntru (faceți o observație), aceasta va fi în ambele stări simultan. Și din moment ce soarta unei pisici depinde direct de starea acestui atom, se dovedește că pisica este, de asemenea, literalmente vie și moartă în același timp („... mânjirea unei pisici vie și moartă (îmi pare rău pentru expresie) în proporții egale...” – scrie autorul experimentului). Așa ar descrie teoria cuantică această situație.

Schrödinger cu greu a ghicit ce agitație va face ideea lui. Desigur, experimentul în sine, chiar și în original, este descris extrem de grosolan și fără pretenții de acuratețe științifică: autorul a dorit să transmită colegilor săi ideea că teoria trebuie completată cu definiții mai clare ale unor astfel de procese precum „observarea”. pentru a exclude din jurisdicția sa scenariile cu pisici în cutii.

Ideea de pisică a fost folosită chiar pentru a „demonstra” existența lui Dumnezeu ca supraminte, care prin observarea sa continuă face posibilă însăși existența noastră. În realitate, „observarea” nu necesită un observator conștient, ceea ce privează efectele cuantice de un oarecare misticism. Dar chiar și așa, fizica cuantică rămâne astăzi pe frontul științei cu multe fenomene inexplicabile și interpretările lor.

Ivan Boldin
Candidat la Științe Fizice și Matematice, Cercetător, absolvent MIPT

Comportamentul obiectelor din microlume (particule elementare, atomi, molecule) diferă semnificativ de comportamentul obiectelor cu care avem de-a face de obicei. De exemplu, un electron poate zbura simultan prin două locuri îndepărtate spațial sau se află simultan pe mai multe orbite într-un atom. Pentru a descrie aceste fenomene, a fost creată o teorie - fizica cuantică. Conform acestei teorii, de exemplu, particulele pot fi mânjite în spațiu, dar dacă doriți să determinați unde se află particula, atunci veți găsi întotdeauna întreaga particulă într-un loc, adică se va prăbuși stare mânjită într-un loc anume. Adică, se crede că până nu măsurați poziția unei particule, aceasta nu are deloc poziție, iar fizica poate doar prezice cu ce probabilitate în ce loc puteți găsi o particulă.

Erwin Schrödinger, unul dintre creatorii fizicii cuantice, și-a pus întrebarea: ce se întâmplă dacă, în funcție de rezultatul măsurării stării unei microparticule, un eveniment are loc sau nu. De exemplu, acest lucru ar putea fi implementat după cum urmează: un atom radioactiv este luat cu un timp de înjumătățire de, să zicem, o oră. Un atom poate fi plasat într-o cutie opac, pune acolo un dispozitiv care, atunci când produsele dezintegrarii radioactive a atomului îl lovesc, sparge o fiolă cu gaz otrăvitor și pune o pisică în această cutie. Atunci nu veți vedea din exterior dacă atomul s-a degradat sau nu, adică, conform teoriei cuantice, s-a degradat simultan și nu s-a degradat, iar pisica, prin urmare, este și vie și moartă. O astfel de pisică a devenit cunoscută drept pisica lui Schrödinger.

Poate părea surprinzător că o pisică poate fi atât vie, cât și moartă, deși formal nu există nicio contradicție aici și aceasta nu este o respingere a teoriei cuantice. Cu toate acestea, pot apărea întrebări, de exemplu: cine poate duce la prăbușirea unui atom dintr-o stare mânjită într-o anumită stare și cine, într-o astfel de încercare, trece el însuși într-o stare mânjită? Cum decurge acest proces de colaps? Sau cum se face că cel care efectuează colapsul nu se supune el însuși legile fizicii cuantice? Încă nu este clar dacă aceste întrebări au sens și, dacă da, care sunt răspunsurile la ele.

George Panin
absolvit de la RKhTU ei. DI. Mendeleev, specialist-șef al Departamentului de cercetare (cercetare de marketing)

După cum ne-a explicat Heisenberg, datorită principiului incertitudinii, descrierea obiectelor din microlume cuantică este de altă natură decât descrierea obișnuită a obiectelor din macrocosmosul newtonian. În loc de coordonatele spațiale și viteza, pe care le-am folosit pentru a descrie mișcarea mecanică, de exemplu, a unei mingi pe o masă de biliard, în mecanica cuantică, obiectele sunt descrise prin așa-numita funcție de undă. Creasta „valului” corespunde probabilității maxime de a găsi o particulă în spațiu în momentul măsurării. Mișcarea unei astfel de unde este descrisă de ecuația Schrödinger, care ne spune cum se schimbă starea unui sistem cuantic în timp.

Acum despre pisica. Toată lumea știe că pisicile adoră să se ascundă în cutii (thequestion.ru). Erwin Schrödinger era și el conștient. Mai mult, cu sălbăticie pur nordică, el a folosit această caracteristică într-un experiment de gândire celebru. Esența sa a fost că o pisică a fost închisă într-o cutie cu o mașină infernală. Mașina este conectată printr-un releu la un sistem cuantic, de exemplu, la o substanță care se descompune radioactiv. Probabilitatea de dezintegrare este cunoscută și este de 50%. Mașina infernală funcționează atunci când starea cuantică a sistemului se schimbă (are loc dezintegrarea) și pisica moare complet. Dacă lăsăm sistemul „Cat-box-infernal machine-quanta” pentru o oră și ne amintim că starea sistemului cuantic este descrisă în termeni de probabilitate, atunci devine clar că este imposibil să aflăm dacă pisica este în viață sau nu, la un moment dat, cu siguranță, la fel cum nu va funcționa cu precizie să prezică în avans căderea unei monede pe capete sau cozi. Paradoxul este foarte simplu: funcția de undă care descrie un sistem cuantic amestecă două stări ale unei pisici - este vie și moartă în același timp, la fel cum un electron legat cu probabilitate egală poate fi localizat oriunde în spațiu echidistant de nucleul atomic. Dacă nu deschidem cutia, nu știm exact cum este pisica. Fără a face observații (citiți măsurători) asupra nucleului atomic, putem descrie starea acestuia doar printr-o suprapunere (amestecare) a două stări: un nucleu degradat și un nucleu nedegradat. O pisică dependentă de nuclear este atât vie, cât și moartă în același timp. Întrebarea este următoarea: când un sistem încetează să existe ca un amestec de două stări și alege una concretă?

Interpretarea de la Copenhaga a experimentului ne spune că sistemul încetează să mai fie un amestec de stări și alege una dintre ele în momentul în care are loc o observație, care este și măsurătoare (caseta se deschide). Adică, însuși faptul măsurării schimbă realitatea fizică, ducând la prăbușirea funcției de undă (pisica fie devine moartă, fie rămâne în viață, dar încetează să mai fie un amestec al ambelor)! Gândește-te bine, experimentul și măsurătorile care îl însoțesc schimbă realitatea din jurul nostru. Personal, acest fapt îmi face creierul mult mai puternic decât alcoolul. Notoriul Steve Hawking ia și el cu greu acest paradox, repetând că atunci când aude de pisica lui Schrödinger, mâna lui se întinde spre Browning. Ascuțimea reacției remarcabilului fizician teoretic se datorează faptului că, în opinia sa, rolul observatorului în prăbușirea funcției de undă (căderea acesteia într-una dintre cele două stări probabiliste) este mult exagerat.

Desigur, când profesorul Erwin și-a conceput frauda de pisică în 1935, a fost o modalitate inteligentă de a arăta imperfecțiunea mecanicii cuantice. Într-adevăr, o pisică nu poate fi vie și moartă în același timp. Ca urmare, una dintre interpretările experimentului a fost contradicția evidentă dintre legile macro-lumii (de exemplu, a doua lege a termodinamicii - o pisică este fie vie, fie moartă) și micro-lume (o pisică este viu și mort în același timp).

Cele de mai sus se aplică în practică: în calculul cuantic și în criptografia cuantică. Un cablu de fibră optică trimite un semnal luminos care se află într-o suprapunere a două stări. Dacă atacatorii se conectează la cablu undeva la mijloc și fac o atingere de semnal acolo pentru a asculta informațiile transmise, atunci aceasta va prăbuși funcția de undă (din punctul de vedere al interpretării de la Copenhaga, se va face o observație) și lumina va intra într-una din stări. După efectuarea testelor statistice ale luminii la capătul receptor al cablului, se va putea afla dacă lumina se află într-o suprapunere de stări sau dacă a fost deja observată și transmisă în alt punct. Acest lucru face posibilă crearea unor mijloace de comunicare care exclud interceptarea și interceptarea semnalelor imperceptibile.

O altă interpretare cea mai recentă a experimentului de gândire al lui Schrödinger este povestea lui Sheldon Cooper de la Big Bang Theory, care a vorbit cu vecinul mai puțin educat al lui Penny. Ideea poveștii lui Sheldon este că conceptul de pisică a lui Schrödinger poate fi aplicat relațiilor dintre oameni. Pentru a înțelege ce se întâmplă între un bărbat și o femeie, ce fel de relație între ei: bună sau rea, trebuie doar să deschideți cutia. Până atunci, relațiile sunt atât bune, cât și rele. youtube.com

Spre rusinea mea, vreau sa recunosc ca am auzit aceasta expresie, dar nu stiam deloc ce inseamna si macar pe ce subiect a fost folosita. Să vă spun ce am citit pe internet despre această pisică...

« Pisica lui Shroedinger”- acesta este numele celebrului experiment de gândire al celebrului fizician teoretician austriac Erwin Schrödinger, care este și laureat al Premiului Nobel. Cu ajutorul acestui experiment fictiv, omul de știință a dorit să arate incompletitudinea mecanicii cuantice în trecerea de la sistemele subatomice la sistemele macroscopice.

Articolul original al lui Erwin Schrödinger a fost publicat în 1935. Iată citatul:

Puteți construi și cazuri în care burlescul este suficient. Lasă o pisică să fie închisă într-o cameră de oțel, împreună cu următoarea mașină diabolică (care ar trebui să fie independentă de intervenția pisicii): în interiorul contorului Geiger se află o cantitate mică de material radioactiv, atât de mică încât doar un atom se poate descompune. o oră, dar cu aceeași probabilitatea s-ar putea să nu se destrame; dacă se întâmplă acest lucru, tubul de citire este descărcat și se activează un releu, coborând ciocanul, care rupe conul de acid cianhidric.

Dacă lăsăm întregul sistem pentru el însuși timp de o oră, atunci putem spune că pisica va fi în viață după acest timp, atâta timp cât atomul nu se descompune. Prima dezintegrare a unui atom ar fi otrăvit pisica. Funcția psi a sistemului în ansamblu va exprima acest lucru amestecând în sine sau mânjind pisica vie și moartă (iertați expresia) în proporții egale. Tipic în astfel de cazuri este faptul că incertitudinea, limitată inițial la lumea atomică, este transformată într-o incertitudine macroscopică care poate fi eliminată prin observare directă. Acest lucru ne împiedică să acceptăm naiv „modelul blur” ca reflectând realitatea. În sine, acest lucru nu înseamnă nimic neclar sau contradictoriu. Există o diferență între o fotografie neclară sau nefocalizată și o fotografie în nor sau ceață.

Cu alte cuvinte:

1. Există o cutie și o pisică. Cutia conține un mecanism care conține un nucleu atomic radioactiv și un recipient cu gaz otrăvitor. Parametrii experimentali sunt aleși astfel încât probabilitatea dezintegrarii nucleare într-o oră să fie de 50%. Dacă miezul se dezintegrează, recipientul de gaz se deschide și pisica moare. Dacă nu are loc dezintegrarea nucleului, pisica rămâne în viață și sănătoasă.
2. Închidem pisica într-o cutie, așteptăm o oră și ne întrebăm: pisica este vie sau moartă?
3. Mecanica cuantică, așa cum spune, ne spune că nucleul atomic (și, prin urmare, pisica) se află în toate stările posibile în același timp (vezi suprapunerea cuantică). Înainte de a deschide cutia, sistemul „cat-core” este în starea „nucleul s-a degradat, pisica este moartă” cu o probabilitate de 50% și în starea „nucleul nu s-a degradat, pisica este în viață” cu o probabilitate de 50%. Se dovedește că pisica care stă în cutie este și vie și moartă în același timp.
4. Conform interpretării moderne de la Copenhaga, pisica este încă vie / moartă fără stări intermediare. Și alegerea stării de dezintegrare a nucleului nu are loc în momentul deschiderii cutiei, ci chiar și atunci când nucleul intră în detector. Deoarece reducerea funcției de undă a sistemului „pisica-detector-nucleu” nu este legată de observatorul uman al cutiei, ci este legată de detector-observator al nucleului.

Conform mecanicii cuantice, dacă nucleul unui atom nu este observat, atunci starea acestuia este descrisă printr-un amestec de două stări - un nucleu degradat și un nucleu nedescompus, prin urmare, o pisică așezată într-o cutie și personifică nucleul unui atom. este viu și mort în același timp. Dacă cutia este deschisă, atunci experimentatorul poate vedea o singură stare specifică - „nucleul s-a dezintegrat, pisica este moartă” sau „nucleul nu s-a dezintegrat, pisica este vie”.

Esența în limbajul uman: Experimentul lui Schrödinger a arătat că, din punctul de vedere al mecanicii cuantice, o pisică este atât vie, cât și moartă în același timp, ceea ce nu poate fi. În consecință, mecanica cuantică are defecte semnificative.

Întrebarea este următoarea: când un sistem încetează să existe ca un amestec de două stări și alege una concretă? Scopul experimentului este de a arăta că mecanica cuantică este incompletă fără niște reguli care specifică în ce condiții funcția de undă se prăbușește, iar pisica fie devine moartă, fie rămâne în viață, dar încetează să mai fie un amestec al ambelor. Deoarece este clar că pisica trebuie să fie în mod necesar fie vie, fie moartă (nu există o stare intermediară între viață și moarte), acest lucru va fi același pentru nucleul atomic. Trebuie neapărat să fie rupt sau nu (Wikipedia).

O altă interpretare cea mai recentă a experimentului de gândire al lui Schrödinger este povestea lui Sheldon Cooper de la Big Bang Theory, care a vorbit cu vecinul mai puțin educat al lui Penny. Ideea poveștii lui Sheldon este că conceptul de pisică a lui Schrödinger poate fi aplicat relațiilor dintre oameni. Pentru a înțelege ce se întâmplă între un bărbat și o femeie, ce fel de relație între ei: bună sau rea, trebuie doar să deschideți cutia. Până atunci, relațiile sunt atât bune, cât și rele.

Mai jos este un videoclip al acestui dialog Big Bang Theory dintre Sheldon și Peny.

Ilustrația lui Schrödinger este cel mai bun exemplu pentru a descrie principalul paradox al fizicii cuantice: conform legilor sale, particule precum electronii, fotonii și chiar atomii există în două stări în același timp („viu” și „mort”, dacă vă amintiți). pisica îndelung răbdătoare). Aceste stări se numesc suprapoziții.

Fizicianul american Art Hobson (Art Hobson) de la Universitatea din Arkansas (Universitatea de Stat din Arkansas) și-a oferit soluția la acest paradox.

„Măsurătorile din fizica cuantică se bazează pe funcționarea anumitor dispozitive macroscopice, precum contorul Geiger, care determină starea cuantică a sistemelor microscopice - atomi, fotoni și electroni. Teoria cuantică implică faptul că dacă conectați un sistem microscopic (particulă) la un dispozitiv macroscopic care face distincția între două stări diferite ale sistemului, atunci dispozitivul (contorul Geiger, de exemplu) va intra într-o stare de încrucișare cuantică și va fi, de asemenea, simultan. în două suprapuneri. Cu toate acestea, este imposibil de observat direct acest fenomen, ceea ce îl face inacceptabil”, spune fizicianul.

Hobson spune că, în paradoxul lui Schrödinger, pisica joacă rolul unui dispozitiv macroscopic, un contor Geiger, conectat la un nucleu radioactiv pentru a determina starea de dezintegrare sau „nedezintegrare” a acestui nucleu. În acest caz, o pisică vie va fi un indicator al „nedegradării”, iar o pisică moartă - un indicator al dezintegrarii. Dar, conform teoriei cuantice, pisica, ca și nucleul, trebuie să se afle în două suprapuneri ale vieții și ale morții.

În schimb, potrivit fizicianului, starea cuantică a pisicii trebuie să fie încurcată cu starea atomului, ceea ce înseamnă că acestea se află într-o „conexiune non-locală” între ele. Adică, dacă starea unuia dintre obiectele încurcate se schimbă brusc la opus, atunci și starea perechii sale se va schimba în același mod, indiferent cât de departe sunt acestea. În același timp, Hobson se referă la confirmarea experimentală a acestei teorii cuantice.

„Cel mai interesant lucru despre teoria întanglementării cuantice este că schimbarea stării ambelor particule are loc instantaneu: niciun semnal luminos sau electromagnetic nu ar avea timp să transfere informații de la un sistem la altul. Deci, puteți spune că este un obiect împărțit în două părți de spațiu, indiferent cât de mare este distanța dintre ele”, explică Hobson.

Pisica lui Schrödinger nu mai este în viață și moartă în același timp. El este mort dacă se întâmplă decăderea și viu dacă dezintegrarea nu are loc niciodată.

Adăugăm că soluții similare la acest paradox au fost propuse de încă trei grupuri de oameni de știință în ultimii treizeci de ani, dar nu au fost luate în serios și au rămas neobservate în comunitatea științifică largă. Hobson notează că soluția paradoxurilor mecanicii cuantice, cel puțin teoretică, este absolut necesară pentru înțelegerea ei profundă.

Schrödinger

Și recent, TEORETICA A EXPLICAT CUM GRAVITATEA OMĂ PISICA LUI SCHROEDINGER, dar acest lucru este deja mai complicat...

De regulă, fizicienii explică fenomenul că suprapunerea este posibilă în lumea particulelor, dar imposibilă cu pisici sau alte macro-obiecte, interferențe din mediu. Când un obiect cuantic trece printr-un câmp sau interacționează cu particule aleatorii, acesta își asumă imediat o singură stare - ca și cum ar fi măsurat. Așa se prăbușește suprapunerea, așa cum credeau oamenii de știință.

Dar chiar dacă într-un fel ar deveni posibil să se izoleze macroobiectul, care se află într-o stare de suprapunere, de interacțiunile cu alte particule și câmpuri, atunci tot mai devreme sau mai târziu ar căpăta o singură stare. Cel puțin, acest lucru este valabil pentru procesele care au loc pe suprafața Pământului.

„Undeva în spațiul interstelar, poate că o pisică ar avea șansa să mențină coerența cuantică, dar pe Pământ sau aproape de orice planetă acest lucru este extrem de puțin probabil. Iar motivul pentru aceasta este gravitația”, explică autorul principal al noului studiu, Igor Pikovski (Igor Pikovski) de la Centrul Harvard-Smithsonian pentru Astrofizică.

Pikovsky și colegii săi de la Universitatea din Viena susțin că gravitația are un efect distructiv asupra suprapunerilor cuantice ale macroobiectelor și, prin urmare, nu observăm astfel de fenomene în macrocosmos. Conceptul de bază al noii ipoteze, de altfel, este subliniat pe scurt în lungmetrajul Interstellar.

Teoria generală a relativității a lui Einstein afirmă că un obiect extrem de masiv va deforma spațiu-timp în apropierea lui. Având în vedere situația la un nivel mai mic, putem spune că pentru o moleculă plasată lângă suprafața Pământului, timpul va merge ceva mai încet decât pentru una care se află pe orbita planetei noastre.

Datorită influenței gravitației asupra spațiu-timp, o moleculă care se încadrează sub această influență va experimenta o abatere a poziției sale. Și aceasta, la rândul său, ar trebui să-i afecteze și energia internă - vibrațiile particulelor dintr-o moleculă, care se schimbă în timp. Dacă o moleculă este introdusă într-o stare de suprapunere cuantică a două locații, atunci relația dintre poziție și energia internă ar forța în curând molecula să „alege” doar una dintre cele două poziții în spațiu.

„În majoritatea cazurilor, fenomenul de decoerență este asociat cu o influență externă, dar în acest caz, vibrația internă a particulelor interacționează cu mișcarea moleculei în sine”, explică Pikovsky.

Acest efect nu a fost încă observat, deoarece alte surse de decoerență, cum ar fi câmpurile magnetice, radiațiile termice și vibrațiile, sunt de obicei mult mai puternice și provoacă distrugerea sistemelor cuantice cu mult înainte ca gravitația să o facă. Dar experimentatorii caută să testeze ipoteza declarată.

O configurație similară ar putea fi folosită și pentru a testa capacitatea gravitației de a distruge sistemele cuantice. Pentru a face acest lucru, va fi necesar să comparați interferometrele verticale și orizontale: în primul, suprapunerea va dispărea în curând din cauza dilatației timpului la diferite „înălțimi” ale căii, în timp ce în al doilea, suprapunerea cuantică poate persista. .