Kvantna fizika Schrödingerjeva mačka. Znana skrivnost "Schrödingerjeve mačke" s preprostimi besedami

Kot nam je pojasnil Heisenberg, je zaradi načela negotovosti opis predmetov v kvantnem mikrosvetu drugačne narave kot običajni opis predmetov v newtonovem makrokozmosu. Namesto prostorskih koordinat in hitrosti, s katerimi smo opisali mehansko gibanje na primer žoge po biljardni mizi, v kvantni mehaniki predmete opisujemo s tako imenovano valovno funkcijo. Greben "vala" ustreza največji verjetnosti, da se delček najde v prostoru v trenutku merjenja. Gibanje takšnega vala opisuje Schrödingerjeva enačba, ki nam pove, kako se stanje kvantnega sistema spreminja s časom.

Zdaj pa o mački. Vsi vedo, da se mačke radi skrivajo v škatlah (). Zavedal se je tudi Erwin Schrödinger. Poleg tega je s čisto nordijsko divjostjo to lastnost uporabil v znamenitem miselnem eksperimentu. Njegovo bistvo je bilo, da je bila mačka zaprta v škatli s peklenskim strojem. Stroj je preko releja povezan s kvantnim sistemom, na primer z radioaktivno razpadajočo snovjo. Verjetnost razpada je znana in je 50 %. Peklenski stroj deluje, ko se spremeni kvantno stanje sistema (pride do razpada) in mačka popolnoma pogine. Če pustite sistem "Mačja škatla-peklenski stroj-kvanta" eno uro zase in se spomnite, da je stanje kvantnega sistema opisano z verjetnostjo, potem postane jasno, da verjetno ne bo uspelo ugotoviti, ali je mačka živa ali ne, v določenem trenutku, tako kot ne bo uspelo vnaprej natančno napovedati padec kovanca na glavo ali rep. Paradoks je zelo preprost: valovna funkcija, ki opisuje kvantni sistem, meša dve stanji mačke - hkrati je živa in mrtva, tako kot se lahko vezan elektron z enako verjetnostjo nahaja kjerkoli v prostoru, enako oddaljeni od atomskega jedra. Če škatle ne odpremo, ne vemo natančno, kako je mačka. Brez opazovanja (beri meritev) atomskega jedra lahko njegovo stanje opišemo le s superpozicijo (mešanjem) dveh stanj: razpadlega in nerazpadlega jedra. Jedrsko odvisna mačka je živa in mrtva hkrati. Vprašanje je naslednje: kdaj sistem preneha obstajati kot mešanica dveh stanj in izbere eno konkretno?

Kopenhagenska interpretacija eksperimenta nam pove, da sistem preneha biti mešanica stanj in izbere eno izmed njih v trenutku, ko pride do opazovanja, ki je tudi meritev (okvir se odpre). To pomeni, da samo dejstvo merjenja spremeni fizično realnost, kar vodi do kolapsa valovne funkcije (mačka bodisi postane mrtva ali ostane živa, vendar preneha biti mešanica obojega)! Pomislite, eksperiment in meritve, ki ga spremljajo, spreminjajo realnost okoli nas. Osebno to dejstvo naredi moje možgane veliko močnejše od alkohola. Tudi razvpiti Steve Hawking jemlje ta paradoks težko in ponavlja, da ko sliši za Schrödingerjevo mačko, njegova roka seže po Browningu. Ostrina reakcije izjemnega teoretičnega fizika je posledica dejstva, da je po njegovem mnenju vloga opazovalca pri kolapsu valovne funkcije (padec v eno od dveh verjetnostnih) stanj močno pretirana.

Seveda, ko je profesor Erwin leta 1935 zamislil svojo mačjo goljufijo, je bil to pameten način za prikaz nepopolnosti kvantne mehanike. Pravzaprav mačka ne more biti živa in mrtva hkrati. Posledično je bila ena od interpretacij eksperimenta očitno protislovje med zakoni makrosveta (na primer drugi zakon termodinamike – mačka je živa ali mrtva) in mikrosvetom (mačka je živ in mrtev hkrati).

Navedeno se uporablja v praksi: v kvantnem računalstvu in kvantni kriptografiji. Kabel iz optičnih vlaken pošilja svetlobni signal, ki je v superpoziciji dveh stanj. Če se napadalci povežejo s kablom nekje na sredini in tam naredijo signalno pipo, da bi prisluškovali prenesenim informacijam, bo to porušilo valovno funkcijo (z vidika kopenhagenske interpretacije bo opravljeno opazovanje) in svetloba bo šla v eno od stanj. Po izvedbi statističnih testov svetlobe na sprejemnem koncu kabla bo mogoče ugotoviti, ali je svetloba v superpoziciji stanj ali je bila že opažena in prenesena na drugo točko. To omogoča ustvarjanje komunikacijskih sredstev, ki izključujejo neopazno prestrezanje in prisluškovanje signalu.

Druga najnovejša interpretacija Schrödingerjevega miselnega eksperimenta je zgodba Sheldona Cooperja iz teorije velikega poka, ki se je pogovarjal s Pennyjino manj izobraženo sosedo. Bistvo Sheldonove zgodbe je, da je koncept Schrödingerjeve mačke mogoče uporabiti za odnose med ljudmi. Da bi razumeli, kaj se dogaja med moškim in žensko, kakšen odnos med njima: dober ali slab, morate samo odpreti škatlo. Do takrat so odnosi tako dobri kot slabi.

Bila je nekakšna "sekundarnost". Sam se je le redko ukvarjal s konkretnim znanstvenim problemom. Njegov najljubši žanr dela je bil odziv na nečije znanstvene raziskave, razvoj tega dela ali njegovo kritiko. Kljub temu, da je bil sam Schrödinger po naravi individualist, je za nadaljnje delo vedno potreboval tujo misel, podporo. Kljub temu posebnemu pristopu je Schrödingerju uspelo narediti številna odkritja.

Biografski podatki

Schrödingerjeva teorija je zdaj znana ne le študentom fizičnih in matematičnih oddelkov. Zanimivo bo za vse, ki jih zanima poljudna znanost. To teorijo je ustvaril slavni fizik E. Schrodinger, ki se je v zgodovino zapisal kot eden od ustvarjalcev kvantne mehanike. Znanstvenik se je rodil 12. avgusta 1887 v družini lastnika tovarne oljne tkanine. Bodoči znanstvenik, ki je zaradi svoje skrivnostnosti zaslovel po vsem svetu, je že kot otrok oboževal botaniko in risanje. Njegov prvi mentor je bil oče. Leta 1906 je Schrödinger začel študij na Univerzi na Dunaju, med katerim je začel občudovati fiziko. Ko je prišla prva svetovna vojna, je znanstvenik šel služit kot topnik. V prostem času je študiral teorije Alberta Einsteina.

Do začetka leta 1927 se je v znanosti razvila dramatična situacija. E. Schrödinger je menil, da bi morala ideja o kontinuiteti valov služiti kot osnova za teorijo kvantnih procesov. Heisenberg je nasprotno menil, da bi moral biti koncept valovne diskretnosti, pa tudi ideja kvantnih skokov, temelj za to področje znanja. Niels Bohr ni sprejel nobenega od stališč.

Napredek v znanosti

Za oblikovanje koncepta valovne mehanike leta 1933 je Schrödinger prejel Nobelovo nagrado. Vendar, vzgojen v tradicijah klasične fizike, znanstvenik ni mogel razmišljati v drugih kategorijah in kvantno mehaniko ni štel za polnopravno vejo znanja. Z dvojnim obnašanjem delcev se ni mogel zadovoljiti in ga je skušal reducirati izključno na valovno obnašanje. Schrödinger je v svoji razpravi z N. Bohrom to povedal takole: "Če nameravamo ohraniti te kvantne preskoke v znanosti, potem na splošno obžalujem, da sem svoje življenje povezal z atomsko fiziko."

Nadaljnje delo raziskovalca

Hkrati Schrödinger ni bil le eden od utemeljiteljev sodobne kvantne mehanike. Prav on je v znanstveno rabo uvedel izraz "objektivnost opisa". To je sposobnost znanstvenih teorij, da opišejo resničnost brez sodelovanja opazovalca. Njegove nadaljnje raziskave so bile posvečene teoriji relativnosti, termodinamičnim procesom, Bornovi nelinearni elektrodinamiki. Tudi znanstveniki so večkrat poskušali ustvariti enotno teorijo polja. Poleg tega je E. Schrödinger govoril šest jezikov.

Najbolj znana uganka

Schrödingerjeva teorija, v kateri nastopa ista mačka, je zrasla iz znanstvenikove kritike kvantne teorije. Eden njegovih glavnih postulatov je, da dokler se sistem ne opazuje, je v stanju superpozicije. Namreč v dveh ali več državah, ki izključujejo obstoj drug drugega. Stanje superpozicije v znanosti ima naslednjo definicijo: to je sposobnost kvanta, ki je lahko tudi elektron, foton ali na primer jedro atoma, da je hkrati v dveh stanjih ali celo v dveh. točke v prostoru v času, ko ga nihče ne opazuje.

Predmeti v različnih svetovih

Navadnemu človeku je zelo težko razumeti takšno definicijo. Navsezadnje je lahko vsak predmet materialnega sveta bodisi na eni točki v prostoru ali na drugi. Ta pojav lahko ponazorimo na naslednji način. Opazovalec vzame dve škatli in v eno vstavi teniško žogico. Jasno bo, da je v eni škatli in ne v drugi. Če pa je elektron postavljen v eno od posod, potem bo naslednja izjava resnična: ta delec je hkrati v dveh škatlah, ne glede na to, kako paradoksalno se zdi. Na enak način se elektron v atomu v enem ali drugem trenutku ne nahaja na strogo določeni točki. Vrti se okoli jedra in se hkrati nahaja na vseh točkah orbite. V znanosti se ta pojav imenuje "elektronski oblak".

Kaj je znanstvenik želel dokazati?

Tako se obnašanje majhnih in velikih predmetov izvaja po popolnoma različnih pravilih. V kvantnem svetu je nekaj zakonov, v makrokozmosu pa povsem drugačni. Vendar ni takega koncepta, ki bi pojasnil prehod iz sveta materialnih predmetov, ki jih ljudje poznajo, v mikrosvet. Schrödingerjeva teorija je bila ustvarjena zato, da bi dokazala nezadostnost raziskav na področju fizike. Znanstvenik je želel pokazati, da obstaja znanost, katere namen je opisati majhne predmete, in obstaja področje znanja, ki preučuje običajne predmete. V veliki meri zaradi dela znanstvenika je bila fizika razdeljena na dve področji: kvantno in klasično.

Schrödingerjeva teorija: opis

Znanstvenik je leta 1935 opisal svoj slavni miselni eksperiment. Pri njegovem izvajanju se je Schrödinger oprl na načelo superpozicije. Schrödinger je poudaril, da dokler fotona ne opazujemo, je lahko bodisi delec bodisi val; tako rdeča kot zelena; tako okrogle kot kvadratne. To načelo negotovosti, ki neposredno izhaja iz koncepta kvantnega dualizma, je Schrödinger uporabil v svoji znameniti mačji uganki. Pomen poskusa na kratko je naslednji:

• Mačka je postavljena v zaprt zaboj, pa tudi posoda, ki vsebuje cianovodikovo kislino in radioaktivno snov.
• Jedro lahko razpade v eni uri. Verjetnost tega je 50 %.
• Če atomsko jedro razpade, bo to zabeležil Geigerjev števec. Mehanizem bo deloval in škatla za strupe se bo pokvarila. Mačka bo umrla.
• Če do razpadanja ne pride, bo Schrödingerjeva mačka živa.

Po tej teoriji je mačka, dokler ni opazovana, hkrati v dveh stanjih (mrtva in živa), tako kot jedro atoma (razpadlo ali nerazpadlo). Seveda je to mogoče le po zakonih kvantnega sveta. V makrokozmosu mačka ne more biti hkrati živa in mrtva.

Paradoks opazovalca

Za razumevanje bistva Schrödingerjeve teorije je potrebno razumeti tudi paradoks opazovalca. Njegov pomen je, da so predmeti mikrokozmosa lahko hkrati v dveh stanjih le, če jih ne opazimo. V znanosti je na primer znan tako imenovani "eksperiment z dvema režama in opazovalcem". Na neprozorno ploščo, v kateri sta bili narejeni dve navpični reži, so znanstveniki usmerili snop elektronov. Na zaslonu za ploščo so elektroni narisali valovni vzorec. Z drugimi besedami, pustili so črno-bele črte. Ko so raziskovalci želeli opazovati, kako elektroni letijo skozi reže, so delci na zaslonu prikazali le dve navpični črti. Obnašali so se kot delci, ne kot valovi.

Kopenhagnska razlaga

Sodobna razlaga Schrödingerjeve teorije se imenuje københavnska. Glede na paradoks opazovalca zveni takole: dokler nihče ne opazuje jedra atoma v sistemu, je ta hkrati v dveh stanjih – razpadlem in nerazpadnem. Vendar je trditev, da je mačka živa in mrtva hkrati, skrajno napačna. Navsezadnje v makrokozmosu nikoli ne opazimo istih pojavov kot v mikrokozmosu.

Zato ne govorimo o sistemu "mačje jedro", ampak o tem, da sta Geigerjev števec in jedro atoma medsebojno povezana. Jedro lahko izbere eno ali drugo stanje v trenutku, ko se meritve izvajajo. Vendar se ta izbira ne zgodi v trenutku, ko eksperimentator odpre škatlo s Schrödingerjevo mačko. Pravzaprav se odpiranje škatle dogaja v makrokozmosu. Z drugimi besedami, v sistemu, ki je zelo oddaljen od atomskega sveta. Zato jedro izbere svoje stanje točno v trenutku, ko zadene detektor Geigerjevega števca. Tako Erwin Schrödinger v svojem miselnem eksperimentu ni v celoti opisal sistema.

Splošni sklepi

Zato ni povsem pravilno povezovati makrosistem z mikroskopskim svetom. V makrokozmosu kvantni zakoni izgubijo svojo moč. Jedro atoma je lahko hkrati v dveh stanjih le v mikrokozmosu. Enako ne moremo reči o mački, saj je predmet makrokozmosa. Zato se le na prvi pogled zdi, da mačka v trenutku odpiranja škatle preide iz superpozicije v eno od stanj. Dejansko je njegova usoda določena v trenutku, ko atomsko jedro komunicira z detektorjem. Zaključek lahko naredimo takole: stanje sistema v uganki Erwina Schrödingerja nima nobene zveze z osebo. Ni odvisno od eksperimentatorja, ampak od detektorja – predmeta, ki »opazuje« jedro.

Nadaljevanje koncepta

Schrödingerjeva teorija je preprosto opisana takole: čeprav opazovalec ne gleda sistema, je lahko v dveh stanjih hkrati. Vendar pa je drugi znanstvenik - Eugene Wigner, šel dlje in se odločil, da koncept Schrödingerja pripelje do popolnega absurda. "Oprostite," je rekel Wigner, "kaj če je poleg eksperimentatorja, ki opazuje mačko, njegov kolega?" Partner ne ve, kaj točno je eksperimentator sam videl v trenutku, ko je odprl škatlo z mačko. Schrödingerjeva mačka zapusti stanje superpozicije. Vendar ne za kolega opazovalca. Šele v tistem trenutku, ko slednji postane znana usoda mačke, se žival lahko končno imenuje živa ali mrtva. Poleg tega je na planetu Zemlja na milijarde ljudi. In končno sodbo je mogoče izdati šele, ko rezultat poskusa postane last vseh živih bitij. Seveda lahko vsem ljudem na kratko povemo usodo mačke in Schrödingerjevo teorijo, vendar je to zelo dolg in naporen proces.

Schrödingerjev miselni eksperiment nikoli ni ovrgel načel kvantnega dualizma v fiziki. V nekem smislu se vsako bitje ne more imenovati niti živo niti mrtvo (ki je v superpoziciji), dokler obstaja vsaj ena oseba, ki ga ne opazuje.

Vsi smo že slišali za slavno Schrödingerjevo mačko, a vemo, kakšna mačka v resnici je? Ugotovimo in poskusimo govoriti o slavni Schrödingerjevi mački s preprostimi besedami.

Schrödingerjeva mačka je eksperiment, ki ga je izvedel Erwin Schrödinger, eden od ustanoviteljev kvantne mehanike. Poleg tega to ni navaden fizični poskus, ampak duševno.

Priznati je treba, da je bil Erwin Schrödinger zelo domiseln človek.

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

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

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

To seveda ne more biti. Erwin Schrödinger je postavil ta miselni eksperiment, da bi pokazal nepopolnost kvantne mehanike pri prehodu s subatomskih na makroskopske sisteme.

Tukaj je Schrödingerjeva lastna formulacija:

Konstruirate lahko tudi primere, v katerih je dovolj burleska. Neka mačka naj bo zaprta v jekleni komori skupaj z naslednjim diaboličnim strojem (ki bi moral biti neodvisen od posredovanja mačke): znotraj Geigerjevega števca je majhna količina radioaktivnega materiala - tako majhna, da lahko razpade samo en atom v uro, vendar z isto verjetnost morda ne bo razpadla; če se to zgodi, se odčitna cev izprazni in aktivira se rele, ki spusti kladivo, ki zlomi stožec cianovodikove kisline.

Če pustimo ves ta sistem za eno uro, potem lahko rečemo, da bo mačka po tem času živa, dokler atom ne razpade. Prvi razpad atoma bi zastrupil mačko. Psi-funkcija sistema kot celote bo to izrazila z mešanjem v sebi ali z mazanjem žive in mrtve mačke (oprostite izrazu) v enakih razmerjih. Značilno v takih primerih je, da se negotovost, prvotno omejena na atomski svet, spremeni v makroskopsko negotovost, ki jo je mogoče odpraviti z neposrednim opazovanjem. To nam preprečuje, da bi "model zamegljenosti" naivno sprejeli kot odsev realnosti. Samo po sebi to ne pomeni nič nejasnega ali protislovnega. Obstaja razlika med mehko fotografijo ali fotografijo brez izostritve in posnetkom oblaka ali megle.

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

Za konsolidacijo gradiva predlagamo, da si ogledate video iz dobre stare serije "The Big Bang Theory".

In če imate nenadoma vprašanja ali je učitelj zastavil težavo o kvantni mehaniki, se obrnite. Skupaj bomo vse težave rešili veliko hitreje!

Jurij Gordejev
Programer, razvijalec iger, oblikovalec, umetnik

"Schrödingerjeva mačka" je miselni eksperiment, ki ga je predlagal eden od pionirjev kvantne fizike, da bi pokazal, kako nenavadni so kvantni učinki, ko jih uporabimo za makroskopske sisteme.

Poskušal bom razložiti z res preprostimi besedami: gospodje fiziki, ne natančno. Besedna zveza "grobo rečeno" je nakazana naprej pred vsakim stavkom.

V zelo, zelo majhnem obsegu je svet sestavljen iz stvari, ki se obnašajo na zelo nenavaden način. Ena najbolj nenavadnih značilnosti takšnih predmetov je sposobnost, da so hkrati v dveh medsebojno izključujočih se stanjih.

Kar je še bolj nenavadno z intuitivnega vidika (nekdo bo celo rekel, srhljivo) je to, da dejanje namenskega opazovanja to negotovost odpravi in ​​se pred opazovalcem pojavi predmet, ki je bil pravkar v dveh nasprotujočih si stanjih hkrati. le eden od njih, kot da se v ničemer ni zgodilo, ozre v stran in nedolžno žvižga.

Na subatomski ravni so vsi že dolgo vajeni teh norčij. Obstaja matematična naprava, ki opisuje te procese, in znanje o njih je našlo različne aplikacije: na primer v računalnikih in kriptografiji.

Na makroskopski ravni teh učinkov ne opazimo: predmeti, ki jih poznamo, so vedno v enem samem določenem stanju.

In zdaj miselni eksperiment. Vzamemo mačko in jo damo v škatlo. Tja postavimo tudi bučko s strupenim plinom, radioaktivnim atomom in Geigerjevim števcem. Radioaktivni atom lahko kadar koli razpade ali pa tudi ne. Če razpade, bo števec zaznal sevanje, preprost mehanizem bo razbil bučko s plinom in naša mačka bo umrla. Če ne, bo mačka živela.

Škatlo zapremo. Od tega trenutka je z vidika kvantne mehanike naš atom v stanju negotovosti – razpadel je s 50-odstotno verjetnostjo in ni razpadel s 50-odstotno verjetnostjo. Preden odpremo škatlo in pogledamo vanj (naredimo opazovanje), bo v obeh stanjih hkrati. In ker je usoda mačke neposredno odvisna od stanja tega atoma, se izkaže, da je mačka tudi dobesedno živa in mrtva hkrati ("... mazanje žive in mrtve mačke (oprostite za izraz) v enakih razmerjih ..." - piše avtor poskusa). Tako bi kvantna teorija opisala to situacijo.

Schrödinger je komaj ugibal, kakšen razburjenje bo povzročila njegova ideja. Seveda je sam eksperiment, tudi v izvirniku, opisan skrajno nesramno in brez pretvarjanja znanstvene natančnosti: avtor je želel svojim kolegom prenesti idejo, da je treba teorijo dopolniti z bolj jasnimi definicijami takšnih procesov, kot je »opazovanje« da iz svoje pristojnosti izključi scenarije z mačkami v boksih.

Ideja o mački je bila celo uporabljena za »dokazovanje« obstoja Boga kot superuma, ki s svojim nenehnim opazovanjem omogoča sam naš obstoj. V resnici »opazovanje« ne zahteva zavestnega opazovalca, kar kvantnim učinkom odvzame nekaj mističnosti. A kljub temu kvantna fizika ostaja danes na čelu znanosti s številnimi nepojasnjenimi pojavi in ​​njihovimi interpretacijami.

Ivan Boldin
Kandidat fizikalnih in matematičnih znanosti, raziskovalec, diplomant MIPT

Obnašanje predmetov v mikrosvetu (elementarni delci, atomi, molekule) se bistveno razlikuje od vedenja predmetov, s katerimi imamo običajno opravka. Na primer, elektron lahko hkrati leti skozi dve prostorsko oddaljeni mesti ali je hkrati na več orbitah v atomu. Za opis teh pojavov je bila ustvarjena teorija - kvantna fizika. Po tej teoriji je na primer delce mogoče razmazati v prostoru, a če želite kljub vsemu ugotoviti, kje je delec, potem boste ves delec vedno našli na nekem mestu, se pravi, da se bo iz svojega zamazano stanje na določeno mesto. To pomeni, da velja, da dokler ne izmeriš položaja delca, ta sploh nima položaja, fizika pa lahko napove le s kakšno verjetnostjo, na katerem mestu lahko najdeš delec.

Erwin Schrödinger, eden od ustvarjalcev kvantne fizike, si je zastavil vprašanje: kaj pa, če se glede na rezultat merjenja stanja mikrodelca zgodi ali ne zgodi dogodek. To bi na primer lahko izvedli takole: radioaktivni atom vzamemo z razpolovno dobo, recimo, eno uro. Atom lahko postavite v neprozorno škatlo, tja postavite napravo, ki, ko produkti radioaktivnega razpada atoma zadenejo vanj, razbije ampulo s strupenim plinom, in v to škatlo postavite mačko. Potem od zunaj ne boste videli, ali je atom razpadel ali ne, torej po kvantni teoriji je hkrati razpadel in ni razpadel, zato je mačka živa in mrtva. Takšna mačka je postala znana kot Schrödingerjeva mačka.

Morda se zdi presenetljivo, da je mačka lahko živa in mrtva hkrati, čeprav formalno tu ni protislovja in to ni zavrnitev kvantne teorije. Lahko pa se pojavijo vprašanja, na primer: kdo lahko izvede kolaps atoma iz razmazanega stanja v določeno stanje in kdo v takem poskusu sam preide v razmazano stanje? Kako poteka ta proces kolapsa? Ali kako to, da tisti, ki izvede kolaps, sam ne upošteva zakonov kvantne fizike? Ali so ta vprašanja smiselna in če so, kakšni so odgovori nanje, še ni jasno.

George Panin
diplomiral na RKhTU im. DI. Mendelejev, glavni specialist oddelka za raziskave (marketinške raziskave)

Kot nam je pojasnil Heisenberg, je zaradi načela negotovosti opis predmetov v kvantnem mikrosvetu drugačne narave kot običajni opis predmetov v newtonovem makrokozmosu. Namesto prostorskih koordinat in hitrosti, s katerimi smo opisali mehansko gibanje na primer žoge po biljardni mizi, v kvantni mehaniki predmete opisujemo s tako imenovano valovno funkcijo. Greben "vala" ustreza največji verjetnosti, da se delček najde v prostoru v trenutku merjenja. Gibanje takšnega vala opisuje Schrödingerjeva enačba, ki nam pove, kako se stanje kvantnega sistema spreminja s časom.

Zdaj pa o mački. Vsi vedo, da se mačke radi skrivajo v škatlah (thequestion.ru). Zavedal se je tudi Erwin Schrödinger. Poleg tega je s čisto nordijsko divjostjo to lastnost uporabil v znamenitem miselnem eksperimentu. Njegovo bistvo je bilo, da je bila mačka zaprta v škatli s peklenskim strojem. Stroj je preko releja povezan s kvantnim sistemom, na primer z radioaktivno razpadajočo snovjo. Verjetnost razpada je znana in je 50 %. Peklenski stroj deluje, ko se spremeni kvantno stanje sistema (pride do razpada) in mačka popolnoma pogine. Če pustimo sistem »Mačja škatla-peklenski stroj-kvanta« za eno uro in se spomnimo, da je stanje kvantnega sistema opisano z verjetnostjo, potem postane jasno, da je nemogoče ugotoviti, ali je mačka živ ali ne, v določenem trenutku zagotovo, tako kot vnaprej ne bo šlo natančno napovedati padec kovanca na glavo ali rep. Paradoks je zelo preprost: valovna funkcija, ki opisuje kvantni sistem, meša dve stanji mačke - hkrati je živa in mrtva, tako kot se lahko vezan elektron z enako verjetnostjo nahaja kjerkoli v prostoru, enako oddaljeni od atomskega jedra. Če škatle ne odpremo, ne vemo natančno, kako je mačka. Brez opazovanja (beri meritev) atomskega jedra lahko njegovo stanje opišemo le s superpozicijo (mešanjem) dveh stanj: razpadlega in nerazpadlega jedra. Jedrsko odvisna mačka je živa in mrtva hkrati. Vprašanje je naslednje: kdaj sistem preneha obstajati kot mešanica dveh stanj in izbere eno konkretno?

Kopenhagenska interpretacija eksperimenta nam pove, da sistem preneha biti mešanica stanj in izbere eno izmed njih v trenutku, ko pride do opazovanja, ki je tudi meritev (okvir se odpre). To pomeni, da samo dejstvo merjenja spremeni fizično realnost, kar vodi do kolapsa valovne funkcije (mačka bodisi postane mrtva ali ostane živa, vendar preneha biti mešanica obojega)! Pomislite, eksperiment in meritve, ki ga spremljajo, spreminjajo realnost okoli nas. Osebno to dejstvo naredi moje možgane veliko močnejše od alkohola. Tudi razvpiti Steve Hawking jemlje ta paradoks težko in ponavlja, da ko sliši za Schrödingerjevo mačko, njegova roka seže po Browningu. Ostrina reakcije izjemnega teoretičnega fizika je posledica dejstva, da je po njegovem mnenju vloga opazovalca pri kolapsu valovne funkcije (padec v eno od dveh verjetnostnih) stanj močno pretirana.

Seveda, ko je profesor Erwin leta 1935 zamislil svojo mačjo goljufijo, je bil to pameten način za prikaz nepopolnosti kvantne mehanike. Pravzaprav mačka ne more biti živa in mrtva hkrati. Posledično je bila ena od interpretacij eksperimenta očitno protislovje med zakoni makrosveta (na primer drugi zakon termodinamike – mačka je živa ali mrtva) in mikrosvetom (mačka je živ in mrtev hkrati).

Navedeno se uporablja v praksi: v kvantnem računalstvu in kvantni kriptografiji. Kabel iz optičnih vlaken pošilja svetlobni signal, ki je v superpoziciji dveh stanj. Če se napadalci povežejo s kablom nekje na sredini in tam naredijo signalno pipo, da bi prisluškovali prenesenim informacijam, bo to porušilo valovno funkcijo (z vidika kopenhagenske interpretacije bo opravljeno opazovanje) in svetloba bo šla v eno od stanj. Po izvedbi statističnih testov svetlobe na sprejemnem koncu kabla bo mogoče ugotoviti, ali je svetloba v superpoziciji stanj ali je bila že opažena in prenesena na drugo točko. To omogoča ustvarjanje komunikacijskih sredstev, ki izključujejo neopazno prestrezanje in prisluškovanje signalu.

Druga najnovejša interpretacija Schrödingerjevega miselnega eksperimenta je zgodba Sheldona Cooperja iz teorije velikega poka, ki se je pogovarjal s Pennyjino manj izobraženo sosedo. Bistvo Sheldonove zgodbe je, da je koncept Schrödingerjeve mačke mogoče uporabiti za odnose med ljudmi. Da bi razumeli, kaj se dogaja med moškim in žensko, kakšen odnos med njima: dober ali slab, morate samo odpreti škatlo. Do takrat so odnosi tako dobri kot slabi. youtube.com

Na mojo sramoto želim priznati, da sem slišal ta izraz, a sploh nisem vedel, kaj pomeni in vsaj na katero temo je bil uporabljen. Naj vam povem, kaj sem prebral na internetu o tej mački ...

« Shroedingerjeva mačka”- tako se imenuje znameniti miselni eksperiment slavnega avstrijskega teoretičnega fizika Erwina Schrödingerja, ki je tudi Nobelov nagrajenec. S pomočjo tega fiktivnega eksperimenta je znanstvenik želel pokazati nepopolnost kvantne mehanike pri prehodu iz subatomskih sistemov v makroskopske sisteme.

Prvotni članek Erwina Schrödingerja je bil objavljen leta 1935. Tukaj je citat:

Konstruirate lahko tudi primere, v katerih je dovolj burleska. Neka mačka naj bo zaprta v jekleni komori, skupaj z naslednjim diaboličnim strojem (ki bi moral biti neodvisen od posredovanja mačke): znotraj Geigerjevega števca je majhna količina radioaktivnega materiala, tako majhna, da lahko razpade samo en atom. uro, vendar z isto verjetnost morda ne bo razpadla; če se to zgodi, se odčitna cev izprazni in aktivira se rele, ki spusti kladivo, ki zlomi stožec cianovodikove kisline.

Če pustimo ves ta sistem za eno uro, potem lahko rečemo, da bo mačka po tem času živa, dokler atom ne razpade. Prvi razpad atoma bi zastrupil mačko. Psi-funkcija sistema kot celote bo to izrazila z mešanjem v sebi ali z mazanjem žive in mrtve mačke (oprostite izrazu) v enakih razmerjih. Značilno v takih primerih je, da se negotovost, prvotno omejena na atomski svet, spremeni v makroskopsko negotovost, ki jo je mogoče odpraviti z neposrednim opazovanjem. To nam preprečuje, da bi "model zamegljenosti" naivno sprejeli kot odsev realnosti. Samo po sebi to ne pomeni nič nejasnega ali protislovnega. Obstaja razlika med mehko fotografijo ali fotografijo brez izostritve in posnetkom oblaka ali megle.

Z drugimi besedami:

1. Obstaja škatla in mačka. Škatla vsebuje mehanizem, ki vsebuje radioaktivno atomsko jedro in posodo s strupenim plinom. Eksperimentalni parametri so izbrani tako, da je verjetnost razpada jedra v 1 uri 50 %. Če jedro razpade, se posoda za plin odpre in mačka umre. Če do razpada jedra ne pride, mačka ostane živa in zdrava.
2. Mačka zapremo v škatlo, počakamo eno uro in se vprašamo: je mačka živa ali mrtva?
3. Kvantna mehanika nam tako rekoč pove, da je atomsko jedro (in s tem mačka) v vseh možnih stanjih hkrati (glej kvantno superpozicijo). Preden smo odprli škatlo, je sistem »mačje jedro« v stanju »jedro je razpadlo, mačka je mrtva« z verjetnostjo 50 % in v stanju »jedro ni razpadlo, mačka je živa« z verjetnostjo 50 %. Izkazalo se je, da je mačka, ki sedi v škatli, živa in mrtva hkrati.
4. Po sodobni kopenhagenski interpretaciji je mačka še vedno živa/mrtva brez vmesnih stanj. In izbira razpadnega stanja jedra se ne zgodi v trenutku odpiranja škatle, ampak tudi, ko jedro vstopi v detektor. Ker redukcija valovne funkcije sistema "mačka-detektor-jedro" ni povezana s človeškim opazovalcem škatle, ampak je povezana z detektorjem-opazovalcem jedra.

Po kvantni mehaniki, če jedro atoma ne opazimo, potem njegovo stanje opisuje mešanica dveh stanj - razpadlo jedro in nerazpadlo jedro, torej mačka, ki sedi v škatli in pooseblja jedro atoma je živ in mrtev hkrati. Če se škatla odpre, lahko eksperimentator vidi samo eno specifično stanje - "jedro je razpadlo, mačka je mrtva" ali "jedro ni razpadlo, mačka je živa."

Bistvo v človeškem jeziku: Schrödingerjev poskus je pokazal, da je mačka z vidika kvantne mehanike hkrati živa in mrtva, kar pa ne more biti. Posledično ima kvantna mehanika pomembne pomanjkljivosti.

Vprašanje je naslednje: kdaj sistem preneha obstajati kot mešanica dveh stanj in izbere eno konkretno? Namen eksperimenta je pokazati, da je kvantna mehanika nepopolna brez nekaterih pravil, ki določajo, pod kakšnimi pogoji se valovna funkcija sesuje in mačka bodisi postane mrtva ali ostane živa, vendar preneha biti mešanica obojega. Ker je jasno, da mora biti mačka nujno živa ali mrtva (med življenjem in smrtjo ni vmesnega stanja), bo enako za atomsko jedro. Nujno mora biti razbita ali ne razpadla (Wikipedia).

Druga najnovejša interpretacija Schrödingerjevega miselnega eksperimenta je zgodba Sheldona Cooperja iz teorije velikega poka, ki se je pogovarjal s Pennyjino manj izobraženo sosedo. Bistvo Sheldonove zgodbe je, da je koncept Schrödingerjeve mačke mogoče uporabiti za odnose med ljudmi. Da bi razumeli, kaj se dogaja med moškim in žensko, kakšen odnos med njima: dober ali slab, morate samo odpreti škatlo. Do takrat so odnosi tako dobri kot slabi.

Spodaj je video posnetek tega dialoga o teoriji velikega poka med Sheldonom in Peny.

Schrödingerjeva ilustracija je najboljši primer za opis glavnega paradoksa kvantne fizike: v skladu z njenimi zakoni delci, kot so elektroni, fotoni in celo atomi, obstajajo v dveh stanjih hkrati ("živi" in "mrtvi", če se spomnite dolgotrajna mačka). Ta stanja se imenujejo superpozicije.

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

»Meritve v kvantni fiziki temeljijo na delovanju določenih makroskopskih naprav, kot je Geigerjev števec, ki določajo kvantno stanje mikroskopskih sistemov – atomov, fotonov in elektronov. Kvantna teorija pomeni, da če povežete mikroskopski sistem (delec) z neko makroskopsko napravo, ki razlikuje med dvema različnima stanjema sistema, bo naprava (Geigerjev števec, na primer) prešla v stanje kvantne zapletenosti in bo hkrati tudi v dveh superpozicijah. Vendar je nemogoče neposredno opazovati ta pojav, zaradi česar je nesprejemljiv,« pravi fizik.

Hobson pravi, da v Schrödingerjevem paradoksu mačka igra vlogo makroskopskega instrumenta, Geigerjevega števca, ki je povezan z radioaktivnim jedrom, da določi stanje razpada oziroma »nerazpada« tega jedra. V tem primeru bo živa mačka pokazatelj "nerazpadanja", mrtva mačka pa indikator razpada. Toda po kvantni teoriji mora biti mačka, tako kot jedro, v dveh superpozicijah življenja in smrti.

Namesto tega mora biti po mnenju fizika kvantno stanje mačke prepleteno s stanjem atoma, kar pomeni, da sta med seboj v "nelokalni povezavi". Se pravi, če se stanje enega od zapletenih predmetov nenadoma spremeni v nasprotno, se bo na enak način spremenilo tudi stanje njegovega para, ne glede na to, kako daleč sta drug od drugega. Hkrati se Hobson sklicuje na eksperimentalno potrditev te kvantne teorije.

»Najbolj zanimiva stvar v teoriji kvantne prepletenosti je, da se sprememba stanja obeh delcev zgodi takoj: noben svetlobni ali elektromagnetni signal ne bi imel časa za prenos informacij iz enega sistema v drugega. Torej lahko rečete, da gre za en predmet, razdeljen na dva dela s prostorom, ne glede na to, kako velika je razdalja med njima,« pojasnjuje Hobson.

Schrödingerjeva mačka ni več živa in mrtva hkrati. Mrtev je, če se razkroj zgodi, in živ, če se razkroj nikoli ne zgodi.

Dodajamo, da so podobne rešitve tega paradoksa v zadnjih tridesetih letih predlagale še tri skupine znanstvenikov, ki pa jih niso jemali resno in so ostale neopažene v širši znanstveni javnosti. Hobson ugotavlja, da je rešitev paradoksov kvantne mehanike, vsaj teoretična, nujno potrebna za njeno poglobljeno razumevanje.

Schrödinger

In ravno pred kratkim so TEORETIKI POJASNILI, KAKO GRAVITACIJA UBIJO SCHROEDINGERJEVO MAČKO, vendar je to že bolj zapleteno ...

Fiziki praviloma razlagajo pojav, da je superpozicija možna v svetu delcev, nemogoča pa pri mačkah ali drugih makro objektih, posegi iz okolja. Ko kvantni objekt prehaja skozi polje ali sodeluje z naključnimi delci, takoj prevzame samo eno stanje – kot da bi ga izmerili. Tako se superpozicija sesuje, kot so verjeli znanstveniki.

Toda tudi če bi bilo mogoče na nek način izolirati makroobjekt, ki je v stanju superpozicije, od interakcij z drugimi delci in polji, potem bi še vedno prej ali slej prevzel enotno stanje. Vsaj to velja za procese, ki se dogajajo na površini Zemlje.

»Nekje v medzvezdnem prostoru bi morda imela mačka možnost ohraniti kvantno skladnost, toda na Zemlji ali blizu katerega koli planeta je to izjemno malo verjetno. In razlog za to je gravitacija,« pojasnjuje glavni avtor nove študije Igor Pikovski (Igor Pikovski) iz Harvard-Smithsonian centra za astrofiziko.

Pikovsky in njegovi sodelavci z Univerze na Dunaju trdijo, da ima gravitacija uničujoč učinek na kvantne superpozicije makroobjektov, zato v makrokozmosu takšnih pojavov ne opazimo. Osnovni koncept nove hipoteze je, mimogrede, na kratko orisan v celovečernem filmu Medzvezdje.

Einsteinova splošna relativnostna teorija pravi, da bo izjemno masiven objekt v njegovi bližini upogibal prostor-čas. Glede na situacijo na manjši ravni lahko rečemo, da bo za molekulo, ki je postavljena blizu površine Zemlje, čas tekel nekoliko počasneje kot za molekulo, ki je v orbiti našega planeta.

Zaradi vpliva gravitacije na prostor-čas bo molekula, ki pade pod ta vpliv, doživela odstopanje v svojem položaju. In to bi moralo vplivati ​​tudi na njeno notranjo energijo - vibracije delcev v molekuli, ki se sčasoma spreminjajo. Če molekulo uvedemo v stanje kvantne superpozicije dveh lokacij, potem bi razmerje med položajem in notranjo energijo kmalu prisililo molekulo, da "izbere" samo eno od dveh pozicij v prostoru.

"V večini primerov je pojav dekoherence povezan z zunanjim vplivom, vendar je v tem primeru notranja vibracija delcev v interakciji s gibanjem same molekule," pojasnjuje Pikovsky.

Ta učinek še ni bil opažen, saj so drugi viri dekoherence, kot so magnetna polja, toplotno sevanje in vibracije, običajno veliko močnejši in povzročajo uničenje kvantnih sistemov veliko pred gravitacijo. Toda eksperimentatorji poskušajo preveriti navedeno hipotezo.

Podobno nastavitev bi lahko uporabili tudi za testiranje sposobnosti gravitacije, da uniči kvantne sisteme. Za to bo treba primerjati vertikalni in horizontalni interferometer: v prvem bo superpozicija kmalu izginila zaradi dilatacije časa na različnih "višinah" poti, v drugem pa lahko kvantna superpozicija vztraja. .