Kvantová fyzika Schrödingerova mačka. Slávna záhada „Schrödingerovej mačky“ jednoduchými slovami

Ako nám vysvetlil Heisenberg, kvôli princípu neurčitosti je popis objektov v kvantovom mikrosvete iného charakteru ako bežný popis objektov v newtonskom makrokozme. Namiesto priestorových súradníc a rýchlosti, ktorými sme popisovali mechanický pohyb napríklad gule na biliardovom stole, sa v kvantovej mechanike objekty opisujú takzvanou vlnovou funkciou. Hrebeň "vlny" zodpovedá maximálnej pravdepodobnosti nájdenia častice vo vesmíre v okamihu merania. Pohyb takejto vlny je opísaný Schrödingerovou rovnicou, ktorá nám hovorí, ako sa mení stav kvantového systému s časom.

Teraz o mačke. Každý vie, že mačky sa radi schovávajú v krabiciach (). Uvedomil si to aj Erwin Schrödinger. Navyše s čisto severskou divokosťou túto vlastnosť využil v slávnom myšlienkovom experimente. Jeho podstatou bolo, že mačka bola zavretá v krabici s pekelným strojom. Stroj je cez relé spojený s kvantovým systémom, napríklad s rádioaktívne sa rozpadajúcou látkou. Pravdepodobnosť rozpadu je známa a je 50%. Pekelný stroj funguje, keď sa kvantový stav systému zmení (nastane rozpad) a mačka úplne zomrie. Ak systém „Cat-box-infernal machine-quanta“ necháte pre seba na jednu hodinu a zapamätáte si, že stav kvantového systému je popísaný z hľadiska pravdepodobnosti, potom je jasné, že asi nepôjde zistiť, či mačka je v danom čase nažive alebo nie, rovnako ako nie je možné presne predpovedať pád mince na hlavu alebo chvost vopred. Paradox je veľmi jednoduchý: vlnová funkcia popisujúca kvantový systém zmiešava dva stavy mačky – je živá a mŕtva zároveň, rovnako ako sa viazaný elektrón s rovnakou pravdepodobnosťou môže nachádzať kdekoľvek v priestore rovnako vzdialenom od atómového jadra. Ak krabicu neotvoríme, nevieme presne, ako sa mačka má. Bez vykonávania pozorovaní (čítaní meraní) na atómovom jadre môžeme opísať jeho stav iba superpozíciou (zmiešaním) dvoch stavov: rozpadnutého a nerozpadnutého jadra. Mačka závislá od jadra je živá aj mŕtva súčasne. Otázka znie: kedy systém prestane existovať ako zmes dvoch stavov a vyberie si jeden konkrétny?

Kodanská interpretácia experimentu nám hovorí, že systém prestáva byť zmesou stavov a vyberie si jeden z nich v momente, keď sa uskutoční pozorovanie, ktoré je zároveň meraním (otvorí sa rámček). To znamená, že samotná skutočnosť merania mení fyzikálnu realitu, čo vedie ku kolapsu vlnovej funkcie (mačka sa buď stane mŕtvou, alebo zostane nažive, ale prestane byť zmesou oboch)! Myslite na to, experiment a merania, ktoré ho sprevádzajú, menia realitu okolo nás. Osobne tento fakt robí môj mozog oveľa silnejším ako alkohol. Tento paradox ťažko berie aj notoricky známy Steve Hawking, ktorý opakuje, že keď počuje o Schrödingerovej mačke, jeho ruka siaha po Browningovi. Ostrosť reakcie vynikajúceho teoretického fyzika je spôsobená tým, že podľa jeho názoru je úloha pozorovateľa pri kolapse vlnovej funkcie (pri jej páde do jedného z dvoch pravdepodobnostných) stavov značne prehnaná.

Samozrejme, keď profesor Erwin v roku 1935 vymyslel svoj mačací podvod, bol to šikovný spôsob, ako ukázať nedokonalosť kvantovej mechaniky. V skutočnosti mačka nemôže byť živá a mŕtva súčasne. Výsledkom bolo, že jednou z interpretácií experimentu bol zjavný rozpor medzi zákonmi makrosveta (napríklad druhý termodynamický zákon - mačka je buď živá alebo mŕtva) a mikrosveta (mačka je živý a mŕtvy zároveň).

Uvedené sa uplatňuje v praxi: v kvantových výpočtoch a v kvantovej kryptografii. Kábel z optických vlákien vysiela svetelný signál, ktorý je v superpozícii dvoch stavov. Ak sa útočníci pripojí ku káblu niekde v strede a urobia tam signálny odposluch, aby odpočúvali prenášané informácie, tak to skolabuje vlnovú funkciu (z pohľadu kodanskej interpretácie dôjde k pozorovaniu) a svetlo prejde do jedného zo stavov. Po vykonaní štatistických testov svetla na prijímacom konci kábla bude možné zistiť, či je svetlo v superpozícii stavov alebo či už bolo pozorované a prenesené do iného bodu. To umožňuje vytvárať komunikačné prostriedky, ktoré vylučujú nepostrehnuteľné zachytenie signálu a odpočúvanie.

Ďalšou najnovšou interpretáciou Schrödingerovho myšlienkového experimentu je príbeh Sheldona Coopera z Teórie veľkého tresku, ktorý sa rozprával s Pennyiným menej vzdelaným susedom. Pointou Sheldonovho príbehu je, že koncept Schrödingerovej mačky možno aplikovať na vzťahy medzi ľuďmi. Aby ste pochopili, čo sa deje medzi mužom a ženou, aký je medzi nimi vzťah: dobrý alebo zlý, stačí otvoriť krabicu. Dovtedy sú vzťahy dobré aj zlé.

Vznikol akýsi „sekundárny“. Sám sa málokedy zaoberal konkrétnym vedeckým problémom. Jeho obľúbeným žánrom bola reakcia na niečí vedecký výskum, vývoj tohto diela alebo jeho kritiku. Napriek tomu, že sám Schrödinger bol svojou povahou individualista, vždy potreboval niekoho iného myšlienku, podporu do ďalšej tvorby. Napriek tomuto zvláštnemu prístupu sa Schrödingerovi podarilo urobiť veľa objavov.

Životopisné informácie

Schrödingerovu teóriu dnes poznajú nielen študenti fyzikálnych a matematických odborov. Bude to zaujímať každého, kto sa zaujíma o populárnu vedu. Túto teóriu vytvoril známy fyzik E. Schrodinger, ktorý sa do histórie zapísal ako jeden z tvorcov kvantovej mechaniky. Vedec sa narodil 12. augusta 1887 v rodine majiteľa továrne na výrobu olejových súknov. Budúci vedec, ktorý sa svojou záhadou preslávil po celom svete, mal v detstve rád botaniku a kreslenie. Jeho prvým mentorom bol jeho otec. V roku 1906 začal Schrödinger štúdium na Viedenskej univerzite, počas ktorého začal obdivovať fyziku. Keď prišla prvá svetová vojna, vedec išiel slúžiť ako delostrelec. Vo voľnom čase študoval teórie Alberta Einsteina.

Začiatkom roku 1927 sa vo vede vyvinula dramatická situácia. E. Schrödinger veril, že myšlienka kontinuity vĺn by mala slúžiť ako základ pre teóriu kvantových procesov. Naopak, Heisenberg veril, že koncept vlnovej diskrétnosti, ako aj myšlienka kvantových skokov, by mali byť základom pre túto oblasť poznania. Niels Bohr neprijal žiadnu z pozícií.

Pokroky vo vede

Za koncept vlnovej mechaniky v roku 1933 dostal Schrödinger Nobelovu cenu. Vedec, vychovaný v tradíciách klasickej fyziky, však nemohol myslieť v iných kategóriách a kvantovú mechaniku nepovažoval za plnohodnotné odvetvie poznania. S duálnym správaním častíc sa nemohol uspokojiť a snažil sa ho zredukovať výlučne na vlnové správanie. Schrödinger to vo svojej diskusii s N. Bohrom vyjadril takto: „Ak plánujeme zachovať tieto kvantové skoky vo vede, potom vo všeobecnosti ľutujem, že som svoj život spojil s atómovou fyzikou.“

Ďalšia práca výskumníka

Schrödinger zároveň nebol len jedným zo zakladateľov modernej kvantovej mechaniky. Bol to on, kto zaviedol pojem „objektivita opisu“ do vedeckého používania. Ide o schopnosť vedeckých teórií opísať realitu bez účasti pozorovateľa. Jeho ďalší výskum sa venoval teórii relativity, termodynamickým procesom, Bornovej nelineárnej elektrodynamike. Vedci tiež urobili niekoľko pokusov o vytvorenie jednotnej teórie poľa. Okrem toho E. Schrödinger ovládal šesť jazykov.

Najznámejšia hádanka

Schrödingerova teória, v ktorej vystupuje tá istá mačka, vyrástla z vedcovej kritiky kvantovej teórie. Jedným z jeho hlavných postulátov je, že pokiaľ systém nie je pozorovaný, je v stave superpozície. A to v dvoch alebo viacerých stavoch, ktoré vylučujú vzájomnú existenciu. Stav superpozície vo vede má nasledujúcu definíciu: je to schopnosť kvanta, ktorým môže byť aj elektrón, fotón alebo napríklad jadro atómu, byť súčasne v dvoch stavoch alebo dokonca v dvoch stavoch. bodov v priestore v čase, keď ho nikto nesleduje.

Objekty v rôznych svetoch

Pre bežného človeka je veľmi ťažké pochopiť takúto definíciu. Koniec koncov, každý objekt hmotného sveta môže byť buď v jednom bode priestoru, alebo v inom. Tento jav možno ilustrovať nasledovne. Pozorovateľ vezme dve krabice a do jednej vloží tenisovú loptičku. Bude jasné, že v jednej krabici je a v druhej nie. Ale ak je elektrón umiestnený v jednom z kontajnerov, potom bude pravdivé nasledujúce tvrdenie: táto častica je súčasne v dvoch krabiciach, bez ohľadu na to, aké paradoxné sa to môže zdať. Rovnakým spôsobom sa elektrón v atóme nenachádza v presne definovanom bode v tom či onom čase. Otáča sa okolo jadra, pričom sa nachádza vo všetkých bodoch obežnej dráhy súčasne. Vo vede sa tento jav nazýva "elektrónový oblak".

Čo tým chcel vedec dokázať?

Správanie malých a veľkých objektov sa teda realizuje podľa úplne iných pravidiel. V kvantovom svete existujú určité zákony av makrokozme - úplne iné. Neexistuje však taký pojem, ktorý by vysvetľoval prechod zo sveta hmotných predmetov, ľudí známych, do mikrosveta. Schrödingerova teória vznikla s cieľom demonštrovať nedostatočnosť výskumu v oblasti fyziky. Vedec chcel ukázať, že existuje veda, ktorej účelom je popisovať malé predmety, a existuje oblasť poznania, ktorá študuje bežné predmety. Z veľkej časti kvôli práci vedca bola fyzika rozdelená na dve oblasti: kvantovú a klasickú.

Schrödingerova teória: opis

Vedec opísal svoj slávny myšlienkový experiment v roku 1935. Pri jej realizácii sa Schrödinger opieral o princíp superpozície. Schrödinger zdôraznil, že pokiaľ fotón nepozorujeme, môže to byť buď častica, alebo vlna; červená aj zelená; okrúhle aj hranaté. Tento princíp neurčitosti, ktorý priamo vyplýva z konceptu kvantového dualizmu, použil Schrödinger vo svojej slávnej mačacej hádanke. Stručný význam experimentu je nasledujúci:

• V uzavretej krabici je umiestnená mačka, ako aj nádoba s kyselinou kyanovodíkovou a rádioaktívnou látkou.
• Jadro sa môže rozpadnúť do hodiny. Pravdepodobnosť tohto je 50%.
• Ak sa atómové jadro rozpadne, zaznamená to Geigerov počítač. Mechanizmus bude fungovať a skrinka s jedom sa rozbije. Mačka zomrie.
• Ak nedôjde k rozpadu, Schrödingerova mačka bude nažive.

Podľa tejto teórie, kým nie je mačka pozorovaná, je súčasne v dvoch stavoch (mŕtva a živá), rovnako ako jadro atómu (rozložené alebo nerozložené). Samozrejme, je to možné len podľa zákonov kvantového sveta. V makrokozme nemôže byť mačka živá aj mŕtva súčasne.

Pozorovateľský paradox

Pre pochopenie podstaty Schrödingerovej teórie je potrebné mať pochopenie aj pre paradox pozorovateľa. Jeho význam spočíva v tom, že objekty mikrokozmu môžu byť súčasne v dvoch stavoch len vtedy, keď nie sú pozorované. Napríklad vo vede je známy takzvaný „Experiment s 2 štrbinami a pozorovateľom“. Na nepriehľadnú platňu, v ktorej boli vytvorené dve vertikálne štrbiny, vedci nasmerovali lúč elektrónov. Na obrazovke za platňou elektróny namaľovali vlnový vzor. Inými slovami, nechali čierne a biele pruhy. Keď chceli vedci pozorovať, ako elektróny prelietavajú cez štrbiny, častice zobrazili na obrazovke iba dva zvislé pruhy. Správali sa ako častice, nie ako vlny.

Kodanské vysvetlenie

Moderné vysvetlenie Schrödingerovej teórie sa nazýva kodanské. Na základe paradoxu pozorovateľa to znie takto: pokiaľ nikto nepozoruje jadro atómu v sústave, nachádza sa súčasne v dvoch stavoch – rozpadnutý a nerozpadnutý. Tvrdenie, že mačka je živá a mŕtva zároveň, je však krajne mylné. Veď v makrokozme nikdy nie sú pozorované rovnaké javy ako v mikrokozme.

Preto nehovoríme o systéme „cat-core“, ale o tom, že Geigerov počítač a jadro atómu sú vzájomne prepojené. Jadro si môže vybrať jeden alebo druhý stav v momente, keď sa vykonávajú merania. Táto voľba sa však nekoná v momente, keď experimentátor otvorí krabicu so Schrödingerovou mačkou. V skutočnosti sa otvorenie schránky odohráva v makrokozme. Inými slovami, v systéme, ktorý je veľmi vzdialený od atómového sveta. Preto si jadro vyberá svoj stav presne v momente, keď narazí na detektor Geigerovho počítača. Erwin Schrödinger teda vo svojom myšlienkovom experimente úplne nepopísal systém.

Všeobecné závery

Nie je teda celkom správne spájať makrosystém s mikroskopickým svetom. V makrokozme kvantové zákony strácajú svoju silu. Jadro atómu môže byť súčasne v dvoch stavoch iba v mikrokozme. To isté nemožno povedať o mačke, pretože je objektom makrokozmu. Preto sa len na prvý pohľad zdá, že mačka prechádza zo superpozície do jedného zo stavov v momente otvorenia škatule. V skutočnosti je jeho osud určený vo chvíli, keď atómové jadro interaguje s detektorom. Záver možno vyvodiť nasledovne: stav systému v hádanke Erwina Schrödingera nemá nič spoločné s človekom. Nezáleží na experimentátorovi, ale na detektore – predmete, ktorý „pozoruje“ jadro.

Pokračovanie konceptu

Schrödingerova teória je opísaná jednoducho takto: kým sa pozorovateľ na systém nepozerá, môže byť súčasne v dvoch stavoch. Ďalší vedec - Eugene Wigner však zašiel ďalej a rozhodol sa doviesť Schrödingerovu koncepciu do úplnej absurdity. "Prepáčte!" povedal Wigner, "čo ak vedľa experimentátora, ktorý sleduje mačku, je jeho kolega?" Partner nevie, čo presne videl samotný experimentátor v momente, keď otvoril škatuľu s mačkou. Schrödingerova mačka opúšťa stav superpozície. Nie však pre kolegu pozorovateľa. Až v tom okamihu, keď sa osud mačky dozvie o mačke, môže byť zviera konečne nazývané živé alebo mŕtve. Okrem toho sú na planéte Zem miliardy ľudí. A konečný verdikt možno vyniesť až vtedy, keď sa výsledok experimentu stane majetkom všetkých živých bytostí. Osud mačky a Schrödingerovej teórii možno samozrejme stručne povedať všetkým ľuďom, ale je to veľmi dlhý a namáhavý proces.

Princípy kvantového dualizmu vo fyzike neboli nikdy vyvrátené Schrödingerovým myšlienkovým experimentom. V istom zmysle nemôže byť každý tvor nazývaný ani živý, ani mŕtvy (je v superpozícii), pokiaľ existuje aspoň jedna osoba, ktorá ho nesleduje.

Všetci sme už počuli o slávnej Schrödingerovej mačke, no vieme, o akú mačku v skutočnosti ide? Poďme na to a skúsme sa o slávnej Schrödingerovej mačke porozprávať jednoduchými slovami.

Schrödingerova mačka je experiment vykonaný Erwinom Schrödingerom, jedným zo zakladateľov kvantovej mechaniky. Navyše nejde o obyčajný fyzikálny experiment, ale duševný.

Treba priznať, že Erwin Schrödinger bol veľmi nápaditý človek.

Čo teda máme ako pomyselný základ experimentu? V krabici je umiestnená mačka. Škatuľa obsahuje aj Geigerov počítač s veľmi malým množstvom rádioaktívneho materiálu. Množstvo látky je také, že pravdepodobnosť rozpadu a nerozpadu jedného atómu za hodinu je rovnaká. Ak sa atóm rozpadne, spustí sa špeciálny mechanizmus, ktorý rozbije banku s kyselinou kyanovodíkovou a úbohá mačka zomrie. Ak nedôjde ku kolapsu, mačka bude naďalej pokojne sedieť vo svojej krabici a snívať o párkoch.

Čo je podstatou Schrödingerovej mačky? Prečo vôbec prísť s takým neskutočným zážitkom?

Či je mačka živá alebo nie, spoznáme podľa výsledkov experimentu až vtedy, keď škatuľu otvoríme. Z pohľadu kvantovej mechaniky je mačka súčasne (ako atóm hmoty) v dvoch stavoch naraz – živá aj mŕtva súčasne. Toto je slávny paradox Schrödingerovej mačky.

To samozrejme nemôže byť. Erwin Schrödinger pripravil tento myšlienkový experiment, aby ukázal nedokonalosť kvantovej mechaniky pri prechode od subatomárnych k makroskopickým systémom.

Tu je Schrödingerova vlastná formulácia:

Môžete tiež skonštruovať prípady, v ktorých stačí burleska. Nechajte nejakú mačku zavrieť do oceľovej komory spolu s nasledujúcim diabolským strojom (ktorý by mal byť nezávislý od zásahu mačky): vo vnútri Geigerovho počítača je malé množstvo rádioaktívneho materiálu - také malé, že sa za jeden atóm môže rozpadnúť iba jeden atóm. hodinu, ale s rovnakou pravdepodobnosťou sa nemusí rozpadnúť; ak k tomu dôjde, čítacia trubica sa vybije a aktivuje sa relé, ktoré spustí kladivo, čím sa zlomí kužeľ kyseliny kyanovodíkovej.

Ak celý tento systém necháme hodinu pre seba, potom môžeme povedať, že po tomto čase bude mačka nažive, pokiaľ sa atóm nerozpadne. Prvý rozpad atómu by mačku otrávil. Psi-funkcia systému ako celku to vyjadrí zmiešaním v sebe alebo rozmazaním živej a mŕtvej mačky (prepáčte ten výraz) v rovnakých pomeroch. Typické v takýchto prípadoch je, že neistota, pôvodne obmedzená na atómový svet, sa premení na makroskopickú neistotu, ktorú možno eliminovať priamym pozorovaním. To nám bráni naivne akceptovať „model rozmazania“ ako odrážajúci realitu. To samo o sebe neznamená nič nejasné alebo protirečivé. Je rozdiel medzi neostrou alebo neostrou fotkou a záberom z oblaku alebo hmly.

Rozhodne pozitívnym bodom tohto experimentu je fakt, že počas jeho priebehu nebolo zranené ani jedno zviera.

Na záver vám na konsolidáciu materiálu odporúčame pozrieť si video zo starej dobrej série „Teória veľkého tresku“.

A ak zrazu máte otázky alebo sa učiteľ spýtal na problém z kvantovej mechaniky, kontaktujte nás. Spoločne vyriešime všetky problémy oveľa rýchlejšie!

Jurij Gordejev
Programátor, vývojár hier, dizajnér, umelec

„Schrödingerova mačka“ je myšlienkový experiment navrhnutý jedným z priekopníkov kvantovej fyziky, aby ukázal, ako zvláštne kvantové efekty vyzerajú pri aplikácii na makroskopické systémy.

Pokúsim sa vysvetliť naozaj jednoduchými slovami: páni fyzikovia, nepresnejšie. Fráza „zhruba povedané“ je naznačená ďalej pred každou vetou.

Vo veľmi, veľmi malom meradle sa svet skladá z vecí, ktoré sa správajú veľmi nezvyčajným spôsobom. Jednou z najpodivnejších vlastností takýchto objektov je schopnosť byť súčasne v dvoch vzájomne sa vylučujúcich stavoch.

Z intuitívneho hľadiska (niekto povie dokonca strašidelné) je ešte nezvyčajnejšie, že akt cieľavedomého pozorovania túto neistotu eliminuje a pred pozorovateľom sa v r. len jeden z nich, akoby sa nič nestalo, odvracia pohľad nabok a nevinne pískne.

Na subatomárnej úrovni je na tieto huncútstva každý už dávno zvyknutý. Existuje matematický aparát, ktorý tieto procesy popisuje a poznatky o nich našli rôzne aplikácie: napríklad v počítačoch a kryptografii.

Na makroskopickej úrovni sa tieto efekty nepozorujú: nám známe predmety sú vždy v jedinom špecifickom stave.

A teraz myšlienkový experiment. Vezmeme mačku a vložíme ju do krabice. Položíme tam aj banku s jedovatým plynom, rádioaktívnym atómom a Geigerovým počítačom. Rádioaktívny atóm sa môže alebo nemusí kedykoľvek rozpadnúť. Ak sa rozpadne, počítadlo zaznamená žiarenie, jednoduchý mechanizmus rozbije banku s plynom a naša mačka zomrie. Ak nie, mačka bude žiť.

Krabicu zatvoríme. Od tohto momentu je z pohľadu kvantovej mechaniky náš atóm v stave neistoty - rozpadol sa s pravdepodobnosťou 50% a nerozpadol sa s pravdepodobnosťou 50%. Predtým, ako otvoríme krabicu a pozrieme sa dovnútra (urobíme pozorovanie), bude v oboch stavoch naraz. A keďže osud mačky priamo závisí od stavu tohto atómu, ukazuje sa, že aj mačka je doslova živá a mŕtva zároveň („... rozmazanie živej a mŕtvej mačky (prepáčte za výraz) v rovnaké proporcie ...“ - píše autor experimentu). Takto by túto situáciu opísala kvantová teória.

Schrödinger sotva tušil, aký rozruch spôsobí jeho nápad. Samozrejme, samotný experiment, dokonca aj v origináli, je opísaný mimoriadne hrubo a bez predstierania vedeckej presnosti: autor chcel svojim kolegom sprostredkovať myšlienku, že teóriu je potrebné doplniť o jasnejšie definície takých procesov, ako je „pozorovanie“ s cieľom vylúčiť zo svojej jurisdikcie scenáre s mačkami v krabiciach.

Myšlienka mačky bola dokonca použitá na „dokázanie“ existencie Boha ako supermyse, ktorá svojim neustálym pozorovaním umožňuje našu existenciu. V skutočnosti „pozorovanie“ nevyžaduje vedomého pozorovateľa, čo zbavuje kvantové efekty akejsi mystiky. Ale aj tak zostáva dnes kvantová fyzika na čele vedy s mnohými nevysvetliteľnými javmi a ich interpretáciami.

Ivan Boldin
Kandidát fyzikálnych a matematických vied, vedecký pracovník, absolvent MIPT

Správanie objektov v mikrosvete (elementárnych častíc, atómov, molekúl) sa výrazne líši od správania objektov, s ktorými sa bežne musíme potýkať. Napríklad elektrón môže preletieť súčasne cez dve priestorovo vzdialené miesta alebo byť súčasne na niekoľkých obežných dráhach v atóme. Na popis týchto javov bola vytvorená teória – kvantová fyzika. Podľa tejto teórie môžu byť častice napríklad rozmazané vo vesmíre, ale ak chcete určiť, kde sa častica napokon nachádza, vždy nájdete celú časticu na nejakom mieste, to znamená, že sa akosi zrúti zo svojho rozmazaný stav na nejaké konkrétne miesto. To znamená, že sa verí, že kým nezmeriate polohu častice, nemá vôbec žiadnu polohu a fyzika môže iba predpovedať, s akou pravdepodobnosťou, na akom mieste nájdete časticu.

Erwin Schrödinger, jeden z tvorcov kvantovej fyziky, si položil otázku: čo ak v závislosti od výsledku merania stavu mikročastice dôjde alebo nenastane udalosť. Napríklad by to mohlo byť implementované takto: rádioaktívny atóm sa odoberie s polčasom rozpadu, povedzme, hodina. Atóm sa dá umiestniť do nepriehľadnej škatule, dať tam zariadenie, ktoré keď naň dopadnú produkty rádioaktívneho rozpadu atómu, rozbije ampulku s jedovatým plynom a do tejto škatule vloží mačku. Potom zvonku neuvidíte, či sa atóm rozpadol alebo nie, to znamená, že podľa kvantovej teórie sa súčasne rozpadol a nerozpadol sa, a preto je mačka živá aj mŕtva. Takáto mačka sa stala známou ako Schrödingerova mačka.

Môže sa zdať prekvapujúce, že mačka môže byť živá a mŕtva súčasne, hoci formálne tu nie je žiadny rozpor a nejde o vyvrátenie kvantovej teórie. Môžu sa však objaviť otázky, napríklad: kto môže uskutočniť kolaps atómu z rozmazaného stavu do určitého stavu a kto pri takomto pokuse sám prechádza do rozmazaného stavu? Ako prebieha tento proces kolapsu? Alebo ako to, že ten, kto kolaps vykonáva, sám neposlúcha zákony kvantovej fyziky? Či tieto otázky dávajú zmysel, a ak áno, aké sú na ne odpovede, stále nie je jasné.

George Panin
absolvovali ich RKhTU. DI. Mendelejev, hlavný špecialista oddelenia výskumu (marketingový výskum)

Ako nám vysvetlil Heisenberg, kvôli princípu neurčitosti je popis objektov v kvantovom mikrosvete iného charakteru ako bežný popis objektov v newtonskom makrokozme. Namiesto priestorových súradníc a rýchlosti, ktorými sme popisovali mechanický pohyb napríklad gule na biliardovom stole, sa v kvantovej mechanike objekty opisujú takzvanou vlnovou funkciou. Hrebeň "vlny" zodpovedá maximálnej pravdepodobnosti nájdenia častice vo vesmíre v okamihu merania. Pohyb takejto vlny je opísaný Schrödingerovou rovnicou, ktorá nám hovorí, ako sa mení stav kvantového systému s časom.

Teraz o mačke. Každý vie, že mačky sa radi schovávajú v krabiciach (thequestion.ru). Uvedomil si to aj Erwin Schrödinger. Navyše s čisto severskou divokosťou túto vlastnosť využil v slávnom myšlienkovom experimente. Jeho podstatou bolo, že mačka bola zavretá v krabici s pekelným strojom. Stroj je cez relé spojený s kvantovým systémom, napríklad s rádioaktívne sa rozpadajúcou látkou. Pravdepodobnosť rozpadu je známa a je 50%. Pekelný stroj funguje, keď sa kvantový stav systému zmení (nastane rozpad) a mačka úplne zomrie. Ak systém „Cat-box-infernal machine-quanta“ necháme pre seba na jednu hodinu a zapamätáme si, že stav kvantového systému je opísaný z hľadiska pravdepodobnosti, potom je jasné, že je nemožné zistiť, či je mačka nažive alebo nie, v určitom čase určite, rovnako ako nebude možné presne predpovedať pád mince na hlavu alebo chvost vopred. Paradox je veľmi jednoduchý: vlnová funkcia popisujúca kvantový systém zmiešava dva stavy mačky – je živá a mŕtva zároveň, rovnako ako sa viazaný elektrón s rovnakou pravdepodobnosťou môže nachádzať kdekoľvek v priestore rovnako vzdialenom od atómového jadra. Ak krabicu neotvoríme, nevieme presne, ako sa mačka má. Bez vykonávania pozorovaní (čítaní meraní) na atómovom jadre môžeme opísať jeho stav iba superpozíciou (zmiešaním) dvoch stavov: rozpadnutého a nerozpadnutého jadra. Mačka závislá od jadra je živá aj mŕtva súčasne. Otázka znie: kedy systém prestane existovať ako zmes dvoch stavov a vyberie si jeden konkrétny?

Kodanská interpretácia experimentu nám hovorí, že systém prestáva byť zmesou stavov a vyberie si jeden z nich v momente, keď sa uskutoční pozorovanie, ktoré je zároveň meraním (otvorí sa rámček). To znamená, že samotná skutočnosť merania mení fyzikálnu realitu, čo vedie ku kolapsu vlnovej funkcie (mačka sa buď stane mŕtvou, alebo zostane nažive, ale prestane byť zmesou oboch)! Myslite na to, experiment a merania, ktoré ho sprevádzajú, menia realitu okolo nás. Osobne tento fakt robí môj mozog oveľa silnejším ako alkohol. Tento paradox ťažko berie aj notoricky známy Steve Hawking, ktorý opakuje, že keď počuje o Schrödingerovej mačke, jeho ruka siaha po Browningovi. Ostrosť reakcie vynikajúceho teoretického fyzika je spôsobená tým, že podľa jeho názoru je úloha pozorovateľa pri kolapse vlnovej funkcie (pri jej páde do jedného z dvoch pravdepodobnostných) stavov značne prehnaná.

Samozrejme, keď profesor Erwin v roku 1935 vymyslel svoj mačací podvod, bol to šikovný spôsob, ako ukázať nedokonalosť kvantovej mechaniky. V skutočnosti mačka nemôže byť živá a mŕtva súčasne. Výsledkom bolo, že jednou z interpretácií experimentu bol zjavný rozpor medzi zákonmi makrosveta (napríklad druhý termodynamický zákon - mačka je buď živá alebo mŕtva) a mikrosveta (mačka je živý a mŕtvy zároveň).

Uvedené sa uplatňuje v praxi: v kvantových výpočtoch a v kvantovej kryptografii. Kábel z optických vlákien vysiela svetelný signál, ktorý je v superpozícii dvoch stavov. Ak sa útočníci pripojí ku káblu niekde v strede a urobia tam signálny odposluch, aby odpočúvali prenášané informácie, tak to skolabuje vlnovú funkciu (z pohľadu kodanskej interpretácie dôjde k pozorovaniu) a svetlo prejde do jedného zo stavov. Po vykonaní štatistických testov svetla na prijímacom konci kábla bude možné zistiť, či je svetlo v superpozícii stavov alebo či už bolo pozorované a prenesené do iného bodu. To umožňuje vytvárať komunikačné prostriedky, ktoré vylučujú nepostrehnuteľné zachytenie signálu a odpočúvanie.

Ďalšou najnovšou interpretáciou Schrödingerovho myšlienkového experimentu je príbeh Sheldona Coopera z Teórie veľkého tresku, ktorý sa rozprával s Pennyiným menej vzdelaným susedom. Pointou Sheldonovho príbehu je, že koncept Schrödingerovej mačky možno aplikovať na vzťahy medzi ľuďmi. Aby ste pochopili, čo sa deje medzi mužom a ženou, aký je medzi nimi vzťah: dobrý alebo zlý, stačí otvoriť krabicu. Dovtedy sú vzťahy dobré aj zlé. youtube.com

Na moju hanbu sa chcem priznať, že som tento výraz počul, ale vôbec som nevedel, čo znamená a prinajmenšom na akú tému bol použitý. Poviem vám, čo som čítal na internete o tejto mačke ...

« Shroedingerova mačka“- to je názov slávneho myšlienkového experimentu slávneho rakúskeho teoretického fyzika Erwina Schrödingera, ktorý je aj nositeľom Nobelovej ceny. Pomocou tohto fiktívneho experimentu chcel vedec ukázať neúplnosť kvantovej mechaniky pri prechode od subatomárnych systémov k makroskopickým systémom.

Pôvodný článok Erwina Schrödingera vyšiel v roku 1935. Tu je citát:

Môžete tiež skonštruovať prípady, v ktorých stačí burleska. Nechajte nejakú mačku zavrieť do oceľovej komory spolu s nasledujúcim diabolským strojom (ktorý by mal byť nezávislý od zásahu mačky): vo vnútri Geigerovho počítača je malé množstvo rádioaktívneho materiálu, tak malé, že sa tam môže rozpadnúť iba jeden atóm. hodinu, ale s rovnakou pravdepodobnosťou sa nemusí rozpadnúť; ak k tomu dôjde, čítacia trubica sa vybije a aktivuje sa relé, ktoré spustí kladivo, čím sa zlomí kužeľ kyseliny kyanovodíkovej.

Ak celý tento systém necháme hodinu pre seba, potom môžeme povedať, že po tomto čase bude mačka nažive, pokiaľ sa atóm nerozpadne. Prvý rozpad atómu by mačku otrávil. Psi-funkcia systému ako celku to vyjadrí zmiešaním v sebe alebo rozmazaním živej a mŕtvej mačky (prepáčte ten výraz) v rovnakých pomeroch. Typické v takýchto prípadoch je, že neistota, pôvodne obmedzená na atómový svet, sa premení na makroskopickú neistotu, ktorú možno eliminovať priamym pozorovaním. To nám bráni naivne akceptovať „model rozmazania“ ako odrážajúci realitu. To samo o sebe neznamená nič nejasné alebo protirečivé. Je rozdiel medzi neostrou alebo neostrou fotkou a záberom z oblaku alebo hmly.

Inými slovami:

1. Je tam krabica a mačka. Krabička obsahuje mechanizmus obsahujúci rádioaktívne atómové jadro a nádobu s jedovatým plynom. Experimentálne parametre sú zvolené tak, aby pravdepodobnosť rozpadu jadra za 1 hodinu bola 50 %. Ak sa jadro rozpadne, plynová nádoba sa otvorí a mačka zomrie. Ak nedôjde k rozpadu jadra, mačka zostáva živá a zdravá.
2. Zatvoríme mačku do krabice, počkáme hodinu a pýtame sa sami seba: je mačka živá alebo mŕtva?
3. Kvantová mechanika nám hovorí, že atómové jadro (a teda aj mačka) je vo všetkých možných stavoch súčasne (pozri kvantovú superpozíciu). Predtým, ako sme otvorili škatuľku, systém "cat-core" je v stave "jadro sa rozpadlo, mačka je mŕtva" s pravdepodobnosťou 50% a v stave "jadro sa nerozpadlo, mačka žije" s pravdepodobnosťou 50 %. Ukazuje sa, že mačka sediaca v boxe je živá aj mŕtva zároveň.
4. Podľa modernej kodanskej interpretácie je mačka stále nažive / mŕtva bez akýchkoľvek medzistavov. A výber stavu rozpadu jadra nastáva nie v okamihu otvorenia škatule, ale dokonca aj vtedy, keď jadro vstúpi do detektora. Pretože redukcia vlnovej funkcie systému „mačka-detektor-jadro“ nie je spojená s ľudským pozorovateľom krabice, ale je spojená s detektorom-pozorovateľom jadra.

Podľa kvantovej mechaniky, ak jadro atómu nie je pozorované, potom je jeho stav opísaný zmesou dvoch stavov - rozpadnuté jadro a nerozpadnuté jadro, teda mačka sediaca v krabici a zosobňujúca jadro atómu. je živý aj mŕtvy zároveň. Ak sa škatuľka otvorí, potom môže experimentátor vidieť iba jeden konkrétny stav – „jadro sa rozpadlo, mačka je mŕtva“ alebo „jadro sa nerozpadlo, mačka žije“.

Esencia v ľudskom jazyku: Schrödingerov experiment ukázal, že z pohľadu kvantovej mechaniky je mačka živá aj mŕtva zároveň, čo nemôže byť. V dôsledku toho má kvantová mechanika značné nedostatky.

Otázka znie: kedy systém prestane existovať ako zmes dvoch stavov a vyberie si jeden konkrétny? Účelom experimentu je ukázať, že kvantová mechanika je neúplná bez niektorých pravidiel, ktoré špecifikujú, za akých podmienok sa vlnová funkcia zrúti a mačka buď zomrie, alebo zostane nažive, ale prestane byť zmesou oboch. Keďže je jasné, že mačka musí byť nevyhnutne buď živá alebo mŕtva (medzi životom a smrťou neexistuje žiadny medzistav), bude to rovnaké pre atómové jadro. Musí byť nevyhnutne buď rozbité, alebo nerozbité (Wikipedia).

Ďalšou najnovšou interpretáciou Schrödingerovho myšlienkového experimentu je príbeh Sheldona Coopera z Teórie veľkého tresku, ktorý sa rozprával s Pennyiným menej vzdelaným susedom. Pointou Sheldonovho príbehu je, že koncept Schrödingerovej mačky možno aplikovať na vzťahy medzi ľuďmi. Aby ste pochopili, čo sa deje medzi mužom a ženou, aký je medzi nimi vzťah: dobrý alebo zlý, stačí otvoriť krabicu. Dovtedy sú vzťahy dobré aj zlé.

Nižšie je videoklip tohto dialógu Teória veľkého tresku medzi Sheldonom a Peny.

Schrödingerova ilustrácia je najlepším príkladom na opísanie hlavného paradoxu kvantovej fyziky: podľa jej zákonov častice ako elektróny, fotóny a dokonca aj atómy existujú súčasne v dvoch stavoch („živé“ a „mŕtve“, ak si pamätáte dlho trpiaca mačka). Tieto stavy sa nazývajú superpozície.

Americký fyzik Art Hobson (Art Hobson) z University of Arkansas (Arkansas State University) ponúkol svoje riešenie tohto paradoxu.

„Merania v kvantovej fyzike sú založené na prevádzke určitých makroskopických zariadení, ako je Geigerov počítač, ktoré určujú kvantový stav mikroskopických systémov – atómov, fotónov a elektrónov. Kvantová teória naznačuje, že ak pripojíte mikroskopický systém (časticu) k nejakému makroskopickému zariadeniu, ktoré rozlišuje medzi dvoma rôznymi stavmi systému, potom zariadenie (napríklad Geigerov počítač) prejde do stavu kvantového zapletenia a bude tiež súčasne v dvoch superpozíciách. Priamo pozorovať tento jav je však nemožné, čo ho robí neprijateľným,“ hovorí fyzik.

Hobson hovorí, že v Schrödingerovom paradoxe mačka zohráva úlohu makroskopického zariadenia, Geigerovho počítača, spojeného s rádioaktívnym jadrom na určenie stavu rozpadu alebo „nerozpadu“ tohto jadra. V tomto prípade bude živá mačka indikátorom "nerozpadu" a mŕtva mačka - indikátorom rozpadu. Ale podľa kvantovej teórie musí byť mačka, rovnako ako jadro, v dvoch superpozíciách života a smrti.

Namiesto toho musí byť podľa fyzika kvantový stav mačky zapletený so stavom atómu, čo znamená, že sú medzi sebou v „nelokálnom spojení“. To znamená, že ak sa stav jedného zo zapletených predmetov náhle zmení na opačný, potom sa rovnako zmení aj stav jeho páru, bez ohľadu na to, ako ďaleko sú od seba. Hobson sa zároveň odvoláva na experimentálne potvrdenie tejto kvantovej teórie.

„Najzaujímavejšia vec na teórii kvantového zapletenia je, že zmena stavu oboch častíc nastáva okamžite: žiadne svetlo ani elektromagnetický signál by nestihol preniesť informácie z jedného systému do druhého. Dá sa teda povedať, že ide o jeden objekt rozdelený na dve časti priestorom, bez ohľadu na to, aká veľká je medzi nimi vzdialenosť,“ vysvetľuje Hobson.

Schrödingerova mačka už nie je živá a mŕtva zároveň. Je mŕtvy, ak dôjde k rozkladu, a živý, ak k rozkladu nikdy nedôjde.

Dodávame, že podobné riešenia tohto paradoxu navrhli za posledných tridsať rokov ešte tri skupiny vedcov, no nebrali ich vážne a v širokej vedeckej komunite zostali nepovšimnuté. Hobson poznamenáva, že riešenie paradoxov kvantovej mechaniky, aspoň teoretické, je absolútne nevyhnutné pre jej hlboké pochopenie.

Schrödinger

A len nedávno TEORETIKY VYSVETLILI, AKO GRAVITÁCIA ZABÍJA SCHROEDINGEROVU MAČKU, ale toto je už komplikovanejšie ...

Fyzici spravidla vysvetľujú jav, že superpozícia je možná vo svete častíc, ale nemožná s mačkami alebo inými makro objektmi, interferenciou z prostredia. Keď kvantový objekt prejde poľom alebo interaguje s náhodnými časticami, okamžite nadobudne len jeden stav - ako keby bol meraný. Takto sa superpozícia zrúti, ako sa vedci domnievali.

Ale aj keby bolo nejakým spôsobom možné izolovať makroobjekt, ktorý je v stave superpozície, od interakcií s inými časticami a poľami, potom by skôr či neskôr nadobudol jediný stav. Prinajmenšom to platí pre procesy prebiehajúce na povrchu Zeme.

"Niekde v medzihviezdnom priestore by mačka možno mala šancu zachovať kvantovú koherenciu, ale na Zemi alebo v blízkosti akejkoľvek planéty je to extrémne nepravdepodobné." A dôvodom je gravitácia,“ vysvetľuje Igor Pikovski, hlavný autor novej štúdie, z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

Pikovský a jeho kolegovia z Viedenskej univerzity tvrdia, že gravitácia má deštruktívny vplyv na kvantové superpozície makroobjektov, a preto takéto javy v makrokozme nepozorujeme. Základný koncept novej hypotézy je mimochodom stručne načrtnutý v celovečernom filme Interstellar.

Einsteinova všeobecná teória relativity tvrdí, že extrémne masívny objekt bude deformovať časopriestor v jeho blízkosti. Ak vezmeme do úvahy situáciu na menšej úrovni, môžeme povedať, že pre molekulu umiestnenú blízko povrchu Zeme pôjde čas o niečo pomalšie ako pre molekulu, ktorá je na obežnej dráhe našej planéty.

Vplyvom gravitácie na časopriestor zaznamená molekula, ktorá spadá pod tento vplyv, odchýlku svojej polohy. A to by zase malo ovplyvniť aj jeho vnútornú energiu – vibrácie častíc v molekule, ktoré sa časom menia. Ak sa molekula uvedie do stavu kvantovej superpozície dvoch miest, potom by vzťah medzi polohou a vnútornou energiou čoskoro prinútil molekulu „vybrať si“ len jednu z dvoch pozícií v priestore.

"Vo väčšine prípadov je fenomén dekoherencie spojený s vonkajším vplyvom, ale v tomto prípade interaguje vnútorná vibrácia častíc s pohybom samotnej molekuly," vysvetľuje Pikovsky.

Tento efekt ešte nebol pozorovaný, pretože iné zdroje dekoherencie, ako sú magnetické polia, tepelné žiarenie a vibrácie, sú zvyčajne oveľa silnejšie a spôsobujú deštrukciu kvantových systémov dávno pred gravitáciou. Experimentátori sa však snažia otestovať uvedenú hypotézu.

Podobné nastavenie by sa dalo použiť aj na testovanie schopnosti gravitácie ničiť kvantové systémy. Na to bude potrebné porovnať vertikálne a horizontálne interferometre: v prvom superpozícia čoskoro zmizne v dôsledku dilatácie času v rôznych „výškach“ dráhy, zatiaľ čo v druhom môže kvantová superpozícia pretrvávať .