Dom Psihologija

Kvantna fizika Schrödingerova mačka. Schrödingerova mačka: suština jednostavnim riječima

Može li mačka biti i živa i mrtva u isto vrijeme? Koliko paralelnih univerzuma postoji? I da li uopšte postoje? Ovo uopšte nisu pitanja iz domena fantazije, već sasvim realni naučni problemi koje rešava kvantna fizika.

Pa počnimo sa Schrödingerova mačka. Ovo je misaoni eksperiment koji je predložio Erwin Schrödinger da ukaže na paradoks koji postoji u kvantnoj fizici. Suština eksperimenta je sljedeća.

U zatvorenu kutiju istovremeno se stavlja zamišljena mačka, isti zamišljeni mehanizam sa radioaktivnim jezgrom i posudom s otrovnim plinom. Prema eksperimentu, ako se jezgro raspadne, to će pokrenuti mehanizam: spremnik za plin će se otvoriti i mačka će umrijeti. Vjerovatnoća nuklearnog raspada je 1 do 2.

Paradoks leži u činjenici da, prema kvantnoj mehanici, ako se jezgro ne posmatra, onda je mačka u takozvanoj superpoziciji, drugim rečima, mačka je istovremeno u međusobno isključivim stanjima (i živa je i mrtva ). Međutim, ako posmatrač otvori kutiju, može biti siguran da je mačka u jednom određenom stanju: ili je živa ili mrtva. Prema Schrödingeru, nedovršenost kvantne teorije leži u činjenici da ona ne precizira pod kojim uvjetima mačka prestaje biti u superpoziciji i ispada ili živa ili mrtva.

Ovaj paradoks je pogoršan Wignerovim eksperimentom, koji već postojećem misaonom eksperimentu dodaje kategoriju prijatelja. Prema Wigneru, kada eksperimentator otvori kutiju, znat će da li je mačka živa ili mrtva. Za eksperimentatora mačka prestaje biti u superpoziciji, ali za prijatelja koji je pred vratima, a koji još ne zna za rezultate eksperimenta, mačka je još uvijek negdje "između života i smrti". Ovo se može nastaviti s beskonačnim brojem vrata i prijatelja, a po sličnoj logici, mačka će biti u superpoziciji sve dok svi ljudi u Univerzumu ne saznaju šta je eksperimentator vidio kada je otvorio kutiju.

Kako kvantna fizika objašnjava takav paradoks? Kvantna fizika predlaže misaoni eksperiment kvantno samoubistvo i dva moguće opcije razvoj događaja zasnovan na različitim interpretacijama kvantne mehanike.

U toku misaonog eksperimenta, u učesnika se uperi pištolj, koji će ili pucati kao rezultat raspada radioaktivnog atoma, ili ne. Opet, 50 prema 50. Dakle, učesnik eksperimenta će ili umrijeti ili ne, ali je za sada, poput Schrödingerove mačke, u superpoziciji.

Ova situacija se može tumačiti na različite načine sa stanovišta kvantne mehanike. Prema tumačenju iz Kopenhagena, prije ili kasnije će pištolj opaliti i učesnik će umrijeti. Prema Everettovoj interpretaciji, superpozicija predviđa postojanje dva paralelna univerzuma u kojima učesnik istovremeno postoji: u jednom od njih je živ (pištolj nije pucao), u drugom je mrtav (pucao je pištolj). Međutim, ako je višesvjetska interpretacija ispravna, tada u jednom od svemira sudionik uvijek ostaje živ, što dovodi do ideje o postojanju "kvantne besmrtnosti".

Što se tiče Schrödingerove mačke i posmatrača eksperimenta, on se, prema Everettovoj interpretaciji, takođe nalazi zajedno sa mačkom u dva Univerzuma odjednom, odnosno na "kvantnom jeziku", "zapleten" sa njim.

Zvuči kao priča iz naučnofantastičnog romana, međutim, ovo je jedna od mnogih naučnih teorija koje imaju mjesta u modernoj fizici.

Ne čitaju svi knjige o velikim izumima čovječanstva. Ali sigurno svi koji su gledali seriju „Teorija veliki prasak“, čuo za takav fenomen kao što je “Šredingerova mačka”. Budući da je vezana za kvantnu mehaniku, osobi bez tehničkog obrazovanja prilično je teško razumjeti njeno značenje. Hajde da pokušamo da shvatimo šta znači pojam "Schrödingerove mačke". jednostavnim rečima.

sadržaj:

Kratka istorijska pozadina

Erwin Schrödinger – poznati fizičar, jedan od tvoraca teorije kvantne mehanike. žig njegov naučna djelatnost bila je takozvana sekundarna. Retko je bio prvi koji je nešto istraživao.

U osnovi, Schrödinger je pisao recenzije nečijih izuma ili naučnih dostignuća, kritizirao autora ili je nastavio dalje razvijati tuđa istraživanja i otkrića. Iako je po prirodi bio individualista, nije se mogao ne osloniti na tuđe ideje i razmišljanja, koje je uzeo kao osnovu u svojim istraživanjima. Uprkos tome, dao je ogroman doprinos razvoju kvantne mehanike, velikim delom zahvaljujući svojoj zagonetki „Šredingerova mačka”.

Schrödingerova dostignuća u nauci uključuju:

stvaranje koncepta valne mehanike (za to je dobio Nobelovu nagradu 1933.);
uveo pojam "objektivnost opisa" u znanstveni promet - potkrijepio mogućnost da naučne teorije bez direktnog učešća subjekta istraživanja (spoljnog posmatrača) opisuju okolnu stvarnost;
razvio teoriju relativnosti;
proučavao termodinamičke procese i Bornovu nelinearnu elektrodinamiku;
pokušao da stvori jedinstvenu teoriju polja.

Koncept "Schrödingerove mačke"

"Shroedingerova mačka" – poznata zagonetka Schrödingerova teorija, misaoni eksperiment koji je proveo austrijski teorijski fizičar, uz pomoć kojeg je bilo moguće demonstrirati nepotpunost kvantne mehanike u prelasku sa mikrosistema na makrosisteme. Cela ova teorija se zasniva na kritici naučnika dostignuća kvantne mehanike.

Prije nego što pređemo na opis eksperimenta, potrebno je definirati osnovne koncepte koji se u njemu koriste. Glavni postulat čuvenog fenomena kaže da sve dok niko ne gleda sistem, on je u položaj superpozicije- istovremeno u dva ili više država koje isključuju međusobno postojanje. Sam Schrödinger je dao sljedeću definiciju superpozicije - to je kvantna sposobnost (elektron, foton i jezgro atoma može biti u ulozi kvanta) da bude u više stanja ili nekoliko tačaka prostora istovremeno , dok niko ne gleda sistem. Kvant je mikroskopski objekat mikrookruženja.

Opis eksperimenta

Originalni članak u kojem Schrödinger objašnjava svoj eksperiment objavljen je 1935. Za opis eksperimenta korištena je metoda poređenja, pa čak i oponašanja.

Veoma je teško shvatiti šta je tačno Schrödinger imao na umu kada je proučavao ovaj članak. Pokušat ću jednostavnim riječima opisati suštinu eksperimenta.

Stavili smo mačku u kutiju s mehanizmom koji sadrži radioaktivno atomsko jezgro i posudu napunjenu otrovnim plinom. Eksperiment se izvodi sa precizno odabranim parametrima vjerovatnoće raspada atomskog jezgra - 50% za 1 sat. Kada se jezgro raspadne, gas curi iz kontejnera, što dovodi do smrti mačke. Ako se to ne desi, mačku se ništa neće desiti, živ je i zdrav.

Prođe sat vremena, a mi želimo da dobijemo odgovor na pitanje: da li je mačka umrla ili je ostala živa? Prema naprednoj Schrödingerovoj teoriji, jezgro atoma, poput mačke, nalazi se u kutiji u nekoliko stanja istovremeno (definicija superpozicije). Do momenta otvaranja kutije, mikrosistem, u kome se nalazi jezgro atoma i mačka, sa verovatnoćom od 50% - imaju stanje "jezgro je raspadnulo, mačka je umrla", a sa istim vjerovatno imaju stanje "jezgro se nije raspalo, mačka je živa". Time se potvrđuje hipoteza da je mačka koja sjedi u boksu i živa i mrtva u isto vrijeme, odnosno da se nalazi u više stanja u isto vrijeme. Ispostavilo se da je mačka koja sjedi u kutiji i živa i mrtva u isto vrijeme.

razgovor običan jezik, Objašnjava fenomen Schrödingerove mačke mogućnost činjenice da je sa stanovišta kvantne mehanike mačka i živa i mrtva u isto vrijemešto je u stvarnosti nemoguće. Na osnovu toga možemo zaključiti da postoje značajni nedostaci u teoriji kvantne mehanike.

Ako ne promatrate jezgro atoma u mikrosistemu, onda dolazi do miješanja dva stanja - raspadnutog i neraspadnutog jezgra. Kada se kutija otvori, eksperimentator može posmatrati samo jedno određeno stanje. Budući da mačka predstavlja jezgro atoma, ona će također biti u samo jednom stanju - ili živa ili mrtva.

Razotkrivanje paradoksa - Kopenhaška interpretacija

Naučnici iz Kopenhagena riješili su zagonetku Schrödingerove mačke. Moderno tumačenje Kopenhagena je da je mačka živa/mrtva bez međustanja, jer se jezgro ne raspada ili ne raspada kada se kutija otvori, ali čak i ranije, kada se jezgro pošalje na detektor. Objašnjenje za ovo je sledeće: redukcija talasne funkcije mikrosistema "mačka-detektor-nukleus" nema veze sa osobom koja posmatra kutiju, već je povezana sa detektorom-posmatračem jezgra.

Ovo tumačenje fenomena Schrödingerove mačke poriče mogućnost da mačka bude u stanju superpozicije prije otvaranja kutije – u isto vrijeme u stanju žive/mrtve mačke. Mačka u makrosistemu je uvek u samo jednom stanju.

Bitan! Schrödingerov eksperiment je pokazao da se mikro-objekat i makro-objekat ponašaju u sistemima u skladu sa različiti zakoni- zakone kvantne fizike i zakone fizike u njenom klasičnom smislu.

Ali ne postoji nauka koja proučava fenomene tokom tranzicije iz makrosistema u mikrosistem. Erwin Schrödinger se oduševio idejom izvođenja ovakvog eksperimenta upravo u svrhu dokazivanja slabosti i nepotpunosti opće teorije fizike. Njegova najdublja želja bila je da konkretnim iskustvom pokaže da svaka nauka ispunjava svoje zadatke: klasična fizika proučava makroobjekte, kvantna fizika proučava mikroobjekte. Postoji potreba za razvojem naučnih saznanja kako bi se opisao proces prelaska sa velikih na male objekte u sistemima.

Jednom laiku vrlo je teško da odmah shvati suštinu ovog paradoksa. Zaista, u glavama svake osobe postoji uvjerenje da je u bilo kojem objektu materijalnog svijeta ovog trenutka vrijeme može biti samo u jednoj tački.

Ali Schrödingerova teorija se može primijeniti samo na mikroobjekte, dok je mačka objekt makrokosmosa.

Najnovija interpretacija paradoksa Schrödingerove mačke je njegova upotreba u Teoriji velikog praska, u kojoj glavni lik Sheldon Cooper je objasnio svoju suštinu manje obrazovanoj Penny. Cooper je ovu pojavu donio u sferu ljudskih odnosa. Da biste shvatili da li su odnosi između osoba suprotnog pola dobri ili loši, samo treba da otvorite kutiju. I do ove tačke, svaka veza je i dobra i loša.

Nedavno objavljen na poznatom naučnom portalu "PostNauka" autorski članak Emila Ahmedova o uzrocima poznatog paradoksa, kao io tome šta on nije.

Fizičar Emil Ahmedov o probabilističkoj interpretaciji, zatvorenim kvantnim sistemima i formulaciji paradoksa.

Po mom mišljenju, najteži dio kvantne mehanike, i psihološki i filozofski, i u mnogim drugim aspektima, je njena probabilistička interpretacija. Mnogi ljudi su raspravljali o probabilističkoj interpretaciji. Na primjer, Ajnštajn je, zajedno sa Podolskim i Rosenom, došao do paradoksa koji pobija probabilističko tumačenje.

Pored njih, Schrödinger je raspravljao i o probabilističkom tumačenju kvantne mehanike. Kao logičnu kontradikciju u probabilističkoj interpretaciji kvantne mehanike, Schrödinger je došao do takozvanog paradoksa Schrödingerove mačke. Može se formulisati na različite načine, na primjer: recimo da imate kutiju u kojoj sjedi mačka, a na tu kutiju je spojen cilindar smrtonosnog plina. Na prekidač ovog cilindra, koji propušta ili ne propušta smrtonosni gas, priključen je neki uređaj koji radi na sledeći način: postoji polarizaciono staklo, a ako prođe foton potrebne polarizacije, onda se cilindar uključuje, plin teče do mačke; ako foton nije ispravne polarizacije, onda se balon ne uključuje, ključ se ne uključuje, balon ne pušta plin u mačku.

Pretpostavimo da je foton kružno polarizovan, a uređaj reaguje na linearnu polarizaciju. Možda nije jasno, ali nije mnogo važno. Sa određenom vjerovatnoćom, foton će biti polariziran na jedan način, s određenom vjerovatnoćom - na drugi. Schrodinger je rekao: ispada takva situacija da će u nekom trenutku, dok ne otvorimo poklopac i vidimo da li je mačka mrtva ili živa (a sistem je zatvoren), mačka će biti živa s određenom vjerovatnoćom i biti će mrtva s nekim vjerovatnoća. Možda slučajno formulišem paradoks, ali rezultat je čudna situacija da mačka nije ni živa ni mrtva. Ovako je formulisan paradoks.

Po mom mišljenju, ovaj paradoks ima savršeno jasno i precizno objašnjenje. Možda je ovo moje lično gledište, ali pokušaću da objasnim. Glavno svojstvo kvantne mehanike je sljedeće: ako opisujete zatvoreni sistem, onda kvantna mehanika nije ništa drugo do valna mehanika, mehanika valova. To znači da se opisuje diferencijalnim jednadžbama čija su rješenja valovi. Gdje postoje valovi i diferencijalne jednadžbe, tu su i matrice i tako dalje. Ovo su dva ekvivalentna opisa: matrični opis i talasni opis. Matrični opis pripada Heisenbergu, opis talasa pripada Schrödingeru, ali oni opisuju istu situaciju.

Važno je sledeće: dok je sistem zatvoren, on se opisuje talasnom jednačinom, a ono što se dešava sa ovim talasom opisuje se nekom talasnom jednačinom. Čitava probabilistička interpretacija kvantne mehanike nastaje nakon što se sistem otvori – na njega spolja utiče neki veliki klasični, odnosno nekvantni objekat. U trenutku udara, prestaje da se opisuje ovom talasnom jednačinom. Postoji takozvana redukcija valne funkcije i probabilistička interpretacija. Do trenutka otvaranja sistem se razvija u skladu sa talasnom jednačinom.

Sada moramo dati nekoliko napomena o tome kako se veliki klasični sistem razlikuje od malog kvantnog. Uopšteno govoreći, čak i veliki klasični sistem može se opisati pomoću talasne jednačine, iako je ovaj opis obično teško dati, a u stvarnosti je potpuno nepotreban. Ovi sistemi se matematički razlikuju u djelovanju. Takozvani objekat postoji u kvantnoj mehanici, u teoriji polja. Za klasični veliki sistem, akcija je ogromna, ali za kvantno mali sistem, akcija je mala. Štaviše, gradijent ove akcije - brzina promene ove akcije u vremenu i prostoru - ogroman je za veliki klasični sistem, a mali za mali kvantni. Ovo je glavna razlika između ova dva sistema. Zbog činjenice da je akcija vrlo velika za klasični sistem, zgodnije je opisati ga ne nekim talasnim jednačinama, već jednostavno klasičnim zakonima poput Newtonovog zakona i tako dalje. Na primjer, iz tog razloga Mjesec ne rotira oko Zemlje kao elektron oko jezgra atoma, već duž određene, jasno definirane orbite, duž klasične orbite, putanje. Dok se elektron, kao mali kvantni sistem, unutar atoma oko jezgra kreće poput stajaćeg talasa, njegovo kretanje se opisuje stajaćim talasom, i to je razlika između ove dve situacije.

Mjerenje u kvantnoj mehanici je kada utičete na mali kvantni sistem velikim klasičnim sistemom. Nakon toga dolazi do smanjenja valne funkcije. Po mom mišljenju, prisustvo balona ili mačke u Schrödingerovom paradoksu je isto što i prisustvo velikog klasičnog sistema koji meri polarizaciju fotona. Shodno tome, mjerenje se ne odvija u trenutku kada otvorimo poklopac kutije i vidimo da li je mačka živa ili mrtva, već u trenutku kada foton stupi u interakciju s polarizacijskim staklom. Dakle, u ovom trenutku dolazi do redukcije valne funkcije fotona, balon je u potpuno određenom stanju: ili se otvara ili se ne otvara, a mačka umire ili ne umire. Sve. Nema "vjerovatnih mačaka" da je on živ sa nekom vjerovatnoćom, mrtav s nekom vjerovatnoćom. Kada sam rekao da paradoks Schrodingerove mačke ima mnogo različitih formulacija, rekao sam samo da ih ima mnogo Različiti putevi smislite uređaj koji ubija ili ostavlja mačku živu. Zapravo, formulacija paradoksa se ne mijenja.

Čuo sam za druge pokušaje da se ovaj paradoks objasni u terminima više svjetova i tako dalje. Po mom mišljenju, sva ova objašnjenja ne izdržavaju provjeru. Ono što sam riječima objasnio tokom ovog videa može se pretočiti u matematički oblik i provjeriti ispravnost ove tvrdnje. Još jednom naglašavam da se, po mom mišljenju, mjerenje i redukcija valne funkcije malog kvantnog sistema dešava u trenutku interakcije sa velikim klasičnim sistemom. Tako veliki klasični sistem je mačka sa uređajem koja ga ubija, a ne osoba koja otvara kutiju sa mačkom i vidi da li je mačka živa ili ne. Odnosno, merenje se dešava u trenutku interakcije ovog sistema sa kvantnom česticom, a ne u trenutku provere mačke. Takvi paradoksi, po mom mišljenju, nalaze objašnjenja u primjeni teorija i zdravog razuma.

Suština eksperimenta

Schrödingerov originalni rad opisuje eksperiment na sljedeći način:

Također možete konstruirati slučajeve u kojima je dovoljna burleska. Određena mačka je zaključana u čeličnoj komori, zajedno sa sljedećom paklenom mašinom (koja mora biti zaštićena od direktne intervencije mačke): unutar Geigerovog brojača nalazi se sićušna količina radioaktivnog materijala, toliko mala da se samo jedan atom može raspasti za sat vremena, ali sa istom vjerovatnoćom može se i ne raspasti; ako se to dogodi, cijev za očitavanje se prazni i relej se aktivira, spuštajući čekić, koji razbija konus cijanovodonične kiseline. Ako ceo ovaj sistem ostavimo sam sebi na sat vremena, onda možemo reći da će mačka biti živa i nakon tog vremena, sve dok se atom ne raspadne. Prvi raspad atoma bi otrovao mačku. Psi-funkcija sistema u cjelini će to izraziti miješanjem u sebi ili mazanjem žive i mrtve mačke (oprostite na izrazu) u jednakim omjerima. Tipično u takvim slučajevima je da se neizvjesnost, prvobitno ograničena na atomski svijet, pretvara u makroskopsku nesigurnost koja se može eliminirati direktnim promatranjem. To nas sprečava da naivno prihvatimo "model zamućenja" kao odraz stvarnosti. Samo po sebi, ovo ne znači ništa nejasno ili kontradiktorno. Postoji razlika između nejasne fotografije ili fotografije van fokusa i snimke oblaka ili magle. Prema kvantnoj mehanici, ako se nad jezgrom ne promatra, tada se njegovo stanje opisuje superpozicijom (miješanjem) dva stanja - raspadnutog jezgra i neraspadnutog jezgra, stoga je mačka koja sjedi u kutiji i živa i mrtva u isto vrijeme. Ako se kutija otvori, tada eksperimentator može vidjeti samo jedno specifično stanje - "nukleus se raspao, mačka je mrtva" ili "nukleus se nije raspao, mačka je živa". Pitanje je sledeće: kada sistem prestaje da postoji kao mešavina dva stanja i bira jedno konkretno? Svrha eksperimenta je pokazati da je kvantna mehanika nepotpuna bez nekih pravila koja određuju pod kojim uvjetima se valna funkcija urušava i mačka ili postaje mrtva ili ostaje živa, ali prestaje biti mješavina oboje.

Pošto je jasno da mačka mora biti ili živa ili mrtva (ne postoji stanje koje spaja život i smrt), to će biti isto i za atomsko jezgro. Ona mora nužno biti ili raspadnuta ili neraspadnuta.

Originalni članak pojavio se 1935. Svrha članka bila je raspraviti paradoks Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) koji su objavili Einstein, Podolsky i Rosen ranije te godine.

Enciklopedijski YouTube

1 / 5
Zapravo, Hawking i mnogi drugi fizičari su mišljenja da "Kopenhaška škola" tumačenja kvantne mehanike nerazumno naglašava ulogu posmatrača. Konačno jedinstvo među fizičarima po ovom pitanju još nije postignuto.
Paralelizacija svjetova u svakom trenutku vremena odgovara istinskom nedeterminističkom automatu, za razliku od vjerovatnog, kada u svakom koraku jedan od mogući načini prema njihovoj vjerovatnoći.

Wignerov paradoks

Ovo je komplikovana verzija Schrödingerovog eksperimenta. Eugene Wigner je uveo kategoriju "prijatelji". Nakon završetka eksperimenta, eksperimentator otvara kutiju i vidi živu mačku. Vektor stanja mačke u trenutku otvaranja kutije prelazi u stanje „jezgro se nije raspala, mačka je živa“. Tako je u laboratoriji mačka prepoznata kao živa. Izvan laboratorije je Prijatelju. Prijatelju još ne zna da li je mačka živa ili mrtva. Prijatelju prepoznaje mačku kao živu tek kada ga eksperimentator obavijesti o ishodu eksperimenta. Ali svi ostali Prijatelji mačka još nije prepoznata kao živa, a prepoznat će je tek kada budu obaviješteni o rezultatu eksperimenta. Dakle, mačka se može smatrati potpuno živom (ili potpuno mrtvom) samo kada svi ljudi u svemiru znaju rezultat eksperimenta. Do ove tačke, na skali Velikog svemira, mačka, prema Wigneru, ostaje živa i mrtva u isto vrijeme.

Praktična upotreba

Navedeno se primjenjuje u praksi: u kvantnom računarstvu i u kvantnoj kriptografiji. Optički kabel prenosi svjetlosni signal koji je u superpoziciji dva stanja. Ako se uljezi spoje na kabel negdje u sredini i tamo naprave signalni prisluškivač kako bi prisluškivali prenesenu informaciju, tada će se urušiti valna funkcija (sa stanovišta tumačenja Kopenhagena, napravit će se zapažanje) i svjetlo će ići u jedno od stanja. Provođenjem statističkih ispitivanja svjetlosti na prijemnom kraju kabla, moći će se utvrditi da li je svjetlost u superpoziciji stanja ili je već uočena i prenesena u drugu tačku. To omogućava stvaranje sredstava komunikacije koja isključuju neprimjetno presretanje i prisluškivanje signala.
Eksperiment (koji se u principu može izvesti, iako još nisu stvoreni radni sistemi kvantne kriptografije koji bi mogli prenijeti velike količine informacija) također pokazuje da "posmatranje" u kopenhagenskoj interpretaciji nema nikakve veze s umom posmatrača, budući da u ovom slučaju promjena statistike do kraja kabla dovodi do potpuno nežive grane žice.

„Svako ko nije šokiran kvantnom teorijom, ne razumije”, rekao je Niels Bohr, osnivač kvantne teorije.
Osnovu klasične fizike - nedvosmisleno programiranje svijeta, inače Laplasov determinizam, s pojavom kvantne mehanike zamijenila je invazija svijeta neizvjesnosti i vjerovatnost događaja. I ovdje se, usput rečeno, pokazalo da su misaoni eksperimenti namijenjeni teoretskim fizičarima. To su bili kameni testovi na kojima su testirane najnovije ideje.

Schrödingerova mačka je misaoni eksperiment, koji je predložio Erwin Schrödinger, kojim je želio pokazati nepotpunost kvantne mehanike u prelasku sa subatomskih sistema na makroskopske sisteme.

Mačka se stavlja u zatvorenu kutiju. Kutija sadrži mehanizam koji sadrži radioaktivno jezgro i posudu s otrovnim plinom. Vjerovatnoća da će se jezgro raspasti za 1 sat je 1/2. Ako se jezgro raspadne, pokreće mehanizam, otvara spremnik za plin i mačka umire. Prema kvantnoj mehanici, ako se nad jezgrom ne promatra, tada se njegovo stanje opisuje superpozicijom (miješanjem) dva stanja - raspadnutog jezgra i neraspadnutog jezgra, stoga je mačka koja sjedi u kutiji i živa i mrtva u isto vrijeme. Ako se kutija otvori, tada eksperimentator može vidjeti samo jedno specifično stanje - "nukleus se raspao, mačka je mrtva" ili "nukleus se nije raspao, mačka je živa".

Kada sistem prestaje da postoji? poput miješanja dva stanja i odabira jednog određenog?

Svrha eksperimenta- pokazati da je kvantna mehanika nepotpuna bez nekih pravila koja pokazuju pod kojim uslovima se talasna funkcija kolabira (trenutna promena kvantnog stanja objekta koja se javlja tokom merenja), a mačka ili postaje mrtva ili ostaje živa, ali prestaje da bude mješavina oba.

Pošto je jasno da mačka mora biti ili živa ili mrtva (ne postoji međustanje između života i smrti), to znači da to vrijedi i za atomsko jezgro. Ona će nužno biti ili raspadnuta ili neraspadnuta.

Schrödingerov članak "Trenutna situacija u kvantnoj mehanici" koji predstavlja misaoni eksperiment s mačkom pojavio se u njemačkom časopisu Natural Sciences 1935. kako bi raspravljao o EPR paradoksu.
Članci Einstein-Podolsky-Rosena i Schrödingera ocrtali su čudnu prirodu "kvantnog zapleta" (izraz koji je uveo Schrödinger), što je karakteristično za kvantna stanja koja su superpozicija stanja dvaju sistema (na primjer, dvije subatomske čestice ).

Interpretacije kvantne mehanike

Tokom postojanja kvantne mehanike, naučnici su iznosili njena različita tumačenja, ali danas su najpodržanija od svih „Kopenhagen“ i „mnogi svetovi“.

"Kopenhaška interpretacija"- ovu interpretaciju kvantne mehanike formulirali su Niels Bohr i Werner Heisenberg tokom njihovog zajedničkog rada u Kopenhagenu (1927). Naučnici su pokušali odgovoriti na pitanja koja nastaju kao rezultat korpuskularno-valnog dualizma svojstvenog kvantnoj mehanici, posebno na pitanje mjerenja.

U kopenhagenskoj interpretaciji, sistem prestaje da bude mešavina stanja i bira jedno od njih u trenutku kada dođe do posmatranja. Eksperiment sa mačkom pokazuje da u ovoj interpretaciji priroda samog posmatranja - merenja - nije dovoljno definisana. Neki vjeruju da iskustvo sugerira da sve dok je kutija zatvorena, sistem je u oba stanja u isto vrijeme, u superpoziciji stanja "raspadnuto jezgro, mrtva mačka" i "neraspadnuto jezgro, živa mačka", a kada se okvir se otvori, tek tada se valna funkcija sruši na jednu od opcija. Drugi pretpostavljaju da se "opažanje" dešava kada čestica iz jezgre udari u detektor; međutim (a to je ključna poenta misaonog eksperimenta) ne postoji jasno pravilo u tumačenju Kopenhagena koje kaže kada se to događa, pa je stoga ovo tumačenje nepotpuno dok se takvo pravilo ne unese u njega, ili se ne kaže kako može se uvesti. Tačno pravilo je sljedeće: slučajnost se pojavljuje na mjestu gdje se prvi put koristi klasična aproksimacija.

Dakle, možemo se osloniti na sljedeći pristup: ne opažamo kvantne pojave u makroskopskim sistemima (osim fenomena superfluidnosti i supravodljivosti); pa ako superponiramo makroskopsku talasnu funkciju na kvantno stanje, moramo iz iskustva zaključiti da se superpozicija urušava. I iako nije sasvim jasno šta uopšte znači da je nešto "makroskopsko", za mačku se pouzdano zna da je makroskopski objekat. Dakle, Kopenhaška interpretacija ne smatra da je mačka u stanju miješanja između živih i mrtvih prije nego što se kutija otvori.

U "interpretaciji više svijeta" kvantne mehanike, koja proces mjerenja ne smatra nečim posebnim, postoje oba stanja mačke, ali dekoherno, tj. događa se proces u kojem kvantno mehanički sistem stupa u interakciju sa okruženje i prikuplja informacije dostupne u okruženju, ili se na neki drugi način "zapliće" sa okolinom. I kada posmatrač otvori kutiju, on se zapliće sa mačkom, i iz toga se formiraju dva stanja posmatrača, koja odgovaraju živoj i mrtvoj mački, i ta stanja ne interaguju jedno s drugim. Isti mehanizam kvantne dekoherencije važan je i za "zajedničke" istorije. U ovoj interpretaciji, samo "mrtva mačka" ili "živa mačka" može biti u "zajedničkoj istoriji".

Drugim riječima, kada se kutija otvori, svemir se dijeli na dva različita svemira, u jednom od kojih posmatrač gleda kutiju sa mrtvom mačkom, au drugom posmatrač gleda živu mačku.

Paradoks "Wignerovog prijatelja"

Paradoks Wignerovog prijatelja je komplikovan eksperiment paradoksa Schrödingerove mačke. Laureat nobelova nagrada, američki fizičar Eugene Wigner uveo je kategoriju "prijatelja". Nakon završetka eksperimenta, eksperimentator otvara kutiju i vidi živu mačku. Stanje mačke u trenutku otvaranja kutije prelazi u stanje "jezgro se nije raspala, mačka je živa". Tako je u laboratoriji mačka prepoznata kao živa. Izvan laboratorije je "prijatelj". Prijatelj još ne zna da li je mačka živa ili mrtva. Prijatelj prepoznaje mačku kao živu tek kada ga eksperimentator obavijesti o ishodu eksperimenta. Ali svi ostali "prijatelji" još nisu prepoznali mačku kao živu, a prepoznat će je tek kada budu obaviješteni o rezultatu eksperimenta. Dakle, mačka se može prepoznati kao potpuno živa samo kada svi ljudi u svemiru znaju rezultat eksperimenta. Do ove tačke, na skali Velikog svemira, mačka ostaje poluživa i polumrtava u isto vrijeme.

Gore navedeno se primjenjuje u praksi: u kvantnom računarstvu i u kvantnoj kriptografiji. Optički kabel šalje svjetlosni signal koji je u superpoziciji dva stanja. Ako se napadači spoje na kabel negdje u sredini i tamo naprave signalni prisluškivač kako bi prisluškivali prenesenu informaciju, tada će se urušiti valna funkcija (sa stanovišta tumačenja Kopenhagena, napravit će se zapažanje) i svjetlo će ići u jedno od stanja. Provođenjem statističkih ispitivanja svjetlosti na prijemnom kraju kabla, moći će se utvrditi da li je svjetlost u superpoziciji stanja ili je već uočena i prenesena u drugu tačku. To omogućava stvaranje sredstava komunikacije koja isključuju neprimjetno presretanje i prisluškivanje signala.

Eksperiment (koji se u principu može izvesti, iako još nisu stvoreni radni sistemi kvantne kriptografije koji bi mogli prenijeti velike količine informacija) također pokazuje da "posmatranje" u kopenhagenskoj interpretaciji nema nikakve veze s umom posmatrača, budući da u ovom slučaju promjena statistike do kraja kabla dovodi do potpuno nežive grane žice.

A u kvantnom računarstvu, stanje “Schrödingerove mačke” je posebno zapleteno stanje kubita, u kojem su svi u istoj superpoziciji svih nula ili jedinica.

("Qubit" je najmanji element za pohranjivanje informacija u kvantnom kompjuteru. Dopušta dva svojstvena stanja, ali može biti iu njihovoj superpoziciji. Svaki put kada mjerite stanje kubita, on nasumično prelazi u jedno od svojih stanja.)

U stvarnosti! Mali brat "Schrödingerove mačke"

Prošlo je 75 godina otkako se pojavila "Šredingerova mačka", ali se i dalje čini da su neke od posledica kvantne fizike u suprotnosti sa našim uobičajenim idejama o materiji i njenim svojstvima. Prema zakonima kvantne mehanike, takvo stanje “mačke” bi trebalo biti moguće stvoriti kada je i živa i mrtva, tj. biće u stanju kvantne superpozicije dva stanja. Međutim, u praksi, stvaranje kvantne superpozicije takvih veliki broj atomi još nisu mogući. Poteškoća je u tome što što je više atoma u superpoziciji, to je ovo stanje manje stabilno, jer spoljni uticaji nastojati da ga unište.

Fizičari sa Univerziteta u Beču (objava u časopisu Nature Communications“, 2011) po prvi put u svijetu uspio demonstrirati kvantno ponašanje organskog molekula koji se sastoji od 430 atoma i nalazi se u stanju kvantne superpozicije. Molekul koji su dobili eksperimentatori više liči na hobotnicu. Veličina molekula je reda veličine 60 angstroma, a de Broglieova talasna dužina za molekul je bila samo 1 pikometar. Takva "molekularna hobotnica" mogla je pokazati svojstva svojstvena Schrödingerovoj mački.

kvantno samoubistvo

Kvantno samoubistvo je misaoni eksperiment u kvantnoj mehanici koji su nezavisno predložili G. Moravec i B. Marshal, a 1998. godine proširio ga je kosmolog Max Tegmark. Ovaj misaoni eksperiment, kao modifikacija misaonog eksperimenta sa Schrödingerovom mačkom, jasno pokazuje razliku između dva tumačenja kvantne mehanike: Kopenhagenske i Everetove višesvjetske interpretacije.

U stvari, eksperiment je eksperiment sa Schrödingerovom mačkom sa mačje tačke gledišta.

U predloženom eksperimentu, pištolj je uperen u sudionika, koji puca ili ne puca, ovisno o raspadu bilo kojeg radioaktivnog atoma. Vjerovatnoća da će se kao rezultat eksperimenta puška opaliti i da će učesnik poginuti je 50%. Ako je interpretacija iz Kopenhagena tačna, onda će pištolj na kraju opaliti i takmičar će umrijeti.
Ako je višesvjetska interpretacija Everetta ispravna, tada se kao rezultat svakog eksperimenta svemir dijeli na dva svemira, u jednom od kojih sudionik ostaje živ, a u drugom umire. U svetovima u kojima učesnik umre, oni prestaju da postoje. Nasuprot tome, sa stanovišta ne-umrlog učesnika, eksperiment će se nastaviti bez da će rezultirati nestankom učesnika. To je zato što, u bilo kojoj grani, učesnik može da posmatra rezultat eksperimenta samo u svetu u kojem preživljava. A ako je interpretacija više svjetova ispravna, onda učesnik može primijetiti da nikada neće umrijeti u toku eksperimenta.

Učesnik nikada neće moći da govori o ovim rezultatima, jer će sa stanovišta spoljnog posmatrača verovatnoća ishoda eksperimenta biti ista u višesvetskim i kopenhaškim interpretacijama.

kvantna besmrtnost

Kvantna besmrtnost je misaoni eksperiment koji proizlazi iz kvantnog misaonog eksperimenta samoubojstva, u kojem se navodi da su, prema višesvjetskoj interpretaciji kvantne mehanike, bića sa sposobnošću samosvijesti besmrtna.

Zamislite da učesnik eksperimenta detonira nuklearnu bombu blizu sebe. U gotovo svim paralelnim svemirima, nuklearna eksplozija će uništiti sudionika. Ali, uprkos tome, trebalo bi da postoji mali skup alternativnih Univerzuma u kojima učesnik nekako preživi (to jest, Univerzumi u kojima je moguć razvoj potencijalnog scenarija spasavanja). Ideja kvantne besmrtnosti je da učesnik ostaje živ, i na taj način može da percipira okolnu stvarnost, u barem jednom od univerzuma u skupu, čak i ako je broj takvih univerzuma izuzetno mali u poređenju sa brojem svim mogućim univerzumima. Tako će tokom vremena učesnik otkriti da može živjeti vječno. Neke paralele sa ovim zaključkom mogu se naći u konceptu antropskog principa.

Još jedan primjer proizilazi iz ideje kvantnog samoubistva. U ovom misaonom eksperimentu, učesnik uperi pištolj u sebe, koji može ili ne mora pucati, ovisno o rezultatu raspada bilo kojeg radioaktivnog atoma. Vjerovatnoća da će se kao rezultat eksperimenta puška opaliti i da će učesnik poginuti je 50%. Ako je interpretacija iz Kopenhagena tačna, onda će pištolj na kraju opaliti i takmičar će umrijeti.

Ako je višesvjetska interpretacija Everetta ispravna, tada se kao rezultat svakog eksperimenta svemir dijeli na dva svemira, u jednom od kojih sudionik ostaje živ, a u drugom umire. U svetovima u kojima učesnik umre, oni prestaju da postoje. Naprotiv, sa stanovišta ne-mrtvog učesnika, eksperiment će se nastaviti bez da dovede do nestanka učesnika, jer će posle svakog cepanja univerzuma moći da se realizuje samo u onim univerzumima u kojima je preživeo. Dakle, ako je Everettova višesvjetska interpretacija tačna, onda učesnik može primijetiti da nikada neće umrijeti tokom eksperimenta, čime se "dokazuje" svoju besmrtnost, barem sa svoje tačke gledišta.

Pristalice kvantne besmrtnosti ističu da ova teorija nije u suprotnosti ni sa jednim poznatim zakonima fizike (ovaj stav je daleko od jednoglasnog prihvatanja u naučnom svetu). Oni zasnivaju svoja razmišljanja na sljedeće dvije kontroverzne pretpostavke:
- Everettovo višesvjetsko tumačenje je ispravno, ali ne i kopenhagensko, budući da potonje negira postojanje paralelnih univerzuma;
- svi mogući scenariji u kojima učesnik može umrijeti tokom eksperimenta sadrže barem mali podskup scenarija u kojima učesnik preživi.

Mogući argument protiv teorije kvantne besmrtnosti bio bi da druga pretpostavka ne slijedi nužno iz Everettove interpretacije mnogih svjetova i da može biti u sukobu sa zakonima fizike, za koje se smatra da se primjenjuju na sve moguće stvarnosti. Višesvjetska interpretacija kvantne fizike ne podrazumijeva nužno da je "sve moguće". To samo ukazuje na to da se u određenom trenutku svemir može podijeliti na niz drugih, od kojih će svaki odgovarati jednom od mnogih mogućih ishoda. Na primjer, vjeruje se da je drugi zakon termodinamike istinit za sve moguće svemire. To znači da teoretski postojanje ovog zakona onemogućava formiranje paralelnih univerzuma gdje bi on bio narušen. Posljedica ovoga može biti postizanje, sa stanovišta eksperimentatora, takvog stanja stvarnosti u kojem njegov daljnji opstanak postaje nemoguć, jer bi to zahtijevalo kršenje zakona fizike, što je, prema iznesenoj pretpostavci. ranije, važi za sve moguće realnosti.

Na primjer, u eksploziji nuklearna bomba gore opisano, dovoljno je teško opisati uvjerljiv scenario koji ne krši osnovne biološke principe u kojima će učesnik ostati živ. Žive ćelije jednostavno ne mogu postojati na temperaturama dostignutim u centru nuklearna eksplozija. Da bi teorija kvantne besmrtnosti ostala valjana, potrebno je ili da dođe do zastoja paljenja (pa samim tim ne dođe do nuklearne eksplozije), ili da se dogodi neki događaj koji bi se temeljio na još neotkrivenim ili nedokazanim zakonima fizike. Još jedan argument protiv teorije o kojoj se raspravlja je prisustvo prirodne biološke smrti u svim bićima, koja se ne može izbjeći ni u jednom od paralelnih Univerzuma (barem u ovoj fazi razvoja nauke)

S druge strane, drugi zakon termodinamike je statistički zakon, a pojava fluktuacija ne protivreči ničemu (na primjer, pojava područja sa uslovima pogodnim za život posmatrača u svemiru koji je generalno dostigao stanje toplotne smrti; ili, u principu, moguće kretanje svih čestica nastalih nuklearnom eksplozijom, tako da će svaka od njih proletjeti pored promatrača), iako će se takva fluktuacija dogoditi samo u vrlo malom dijelu svih mogućih ishoda. Argument koji se odnosi na neizbježnost biološke smrti također se može opovrgnuti na osnovu probabilističkih razmatranja. Za svaki živi organizam u datom trenutku postoji vjerovatnoća različita od nule da će ostati živ sljedeću sekundu. Dakle, vjerovatnoća da će ostati živ sljedećih milijardu godina je također nenula (jer je proizvod velikog broja faktora koji nisu nula), iako je vrlo mala.

Ono što je problematično u vezi sa idejom kvantne besmrtnosti je to što će, prema njoj, samosvjesno biće biti "prisiljeno" da doživi krajnje malo vjerovatne događaje koji će se dogoditi u situacijama u kojima bi se činilo da učesnik umire. Iako u mnogim paralelnim univerzumima učesnik umire, nekoliko univerzuma koje je učesnik u stanju da subjektivno percipira razvijaće se u krajnje malo verovatnom scenariju. To, pak, može na neki način uzrokovati kršenje principa uzročnosti, čija priroda u kvantnoj fizici još nije dovoljno jasna.

Iako ideja o kvantnoj besmrtnosti uglavnom proizlazi iz eksperimenta "kvantnog samoubistva", Tegmark tvrdi da pod bilo kojim normalnim uvjetima, svako misleće biće prije smrti prolazi kroz fazu (od nekoliko sekundi do nekoliko godina) smanjenja nivoa. samosvesti, koja nema veze sa kvantnom mehanikom, i ne postoji mogućnost da učesnik nastavi postojanje prelazeći iz jednog sveta u drugi, omogućavajući mu da preživi.

Ovdje racionalni posmatrač koji je svjestan sebe samo u relativno malom broju mogućih stanja u kojima zadržava samosvijest, nastavlja ostati u, da tako kažemo, „zdravom tijelu“. Mogućnost da posmatrač, nakon što je ostao pri svijesti, ostane osakaćen, mnogo je veća nego da ostane neozlijeđen. Svaki sistem (uključujući i živi organizam) ima mnogo više mogućnosti da funkcioniše nepravilno nego da ostane u njemu savršen oblik. Boltzmannova ergodička hipoteza zahtijeva da besmrtni promatrač prije ili kasnije prođe kroz sva stanja kompatibilna sa očuvanjem svijesti, uključujući i ona u kojima će osjećati nepodnošljivu patnju – a takvih će stanja biti mnogo više nego stanja optimalnog funkcioniranja organizma. . Prema tome, prema filozofu Davidu Lewisu, trebali bismo se nadati da je tumačenje više svjetova pogrešno.