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 uopće nisu naučnofantastična pitanja, već vrlo stvarni naučni problemi koje rješava 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, kao i isti zamišljeni mehanizam sa radioaktivnim jezgrom i posudom s otrovnim plinom. Prema eksperimentu, ako se jezgro raspadne, aktivirat će se mehanizam: spremnik s plinom će se otvoriti i mačka će umrijeti. Vjerovatnoća nuklearnog raspada je 1 prema 2.

Paradoks je 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 potvrditi 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 pojačan Wignerovim eksperimentom, koji dodaje kategoriju prijatelja već postojećem misaonom eksperimentu. 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 iza vrata, 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 nudi misaoni eksperiment kvantno samoubistvo i dva moguće opcije razvoj događaja zasnovan na različitim interpretacijama kvantne mehanike.

U misaonom eksperimentu, pištolj je uperen u sudionika i ili će pucati kao rezultat raspada radioaktivnog atoma ili neće. 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, pištolj će na kraju opaliti i učesnik će umrijeti. Prema Everettovoj interpretaciji, superpozicija predviđa prisustvo 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 interpretacija više svjetova tačna, onda u jednom od univerzuma učesnik uvijek ostaje živ, što dovodi do ideje o postojanju "kvantne besmrtnosti".

Što se tiče Schrödingerove mačke i posmatrača eksperimenta, onda se, prema Everettovoj interpretaciji, i on nalazi u dva Univerzuma odjednom, odnosno u „kvantnom jeziku“, „zapetljanim“ s njim.

Zvuči kao priča iz naučnofantastičnog romana, međutim, to je jedna od mnogih naučnih teorija kojima je mjesto u modernoj fizici.

Ne čitaju svi knjige o velikim izumima čovječanstva. Ali baš 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 riječima.

sadržaj:

Kratka istorijska pozadina

Erwin Schrödinger – poznati fizičar, jedan od tvoraca teorije kvantne mehanike. Prepoznatljiva karakteristika njegov naučna djelatnost postojala je takozvana sekundarna. Rijetko je napravio prvi korak u istraživanju bilo čega.

U osnovi, Schrödinger je pisao kritike o tuđim izumima ili naučnim dostignućima, kritikovao autora ili je započeo dalji razvoj tuđih istraživanja i otkrića. Iako je po prirodi bio individualist, nije mogao a da se ne osloni 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 misteriji „Šredingerova mačka”.

Schrödingerova dostignuća u nauci uključuju:

stvaranje koncepta valne mehanike (za to je dobio Nobelovu nagradu 1933.);
uveo pojam „objektivnost opisa“ u naučni promet - potkrijepio mogućnost da naučne teorije bez direktnog učešća subjekta istraživanja (spoljnog posmatrača) opisuju okolnu stvarnost;
razvio teoriju relativnosti;
proučavali termodinamičke procese i nelinearnu Bornovu 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 pokazati nepotpunost kvantne mehanike u prelasku sa mikrosistema na makrosisteme. Čitava ova teorija zasniva se 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 poznatog fenomena glasi da sve dok niko ne posmatra 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 (uloga kvanta može biti elektron, foton ili atomsko jezgro) da se istovremeno nalazi u više stanja ili nekoliko tačaka u prostoru, dok ne jedan posmatra 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 personifikacije.

Vrlo je teško razumjeti šta je tačno Schrödinger mislio proučavajući ovaj članak. Pokušat ću jednostavnim riječima opisati suštinu eksperimenta.

Mačku stavljamo u kutiju s mehanizmom koji sadrži radioaktivno atomsko jezgro i posudu napunjenu otrovnim plinom. Eksperiment se izvodi sa precizno odabranim parametrima za vjerovatnoću raspada atomskog jezgra - 50% za 1 sat. Kada se jezgro raspadne, gas curi iz posude, 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 još uvek živa? Prema Schrödingerovoj teoriji, jezgro atoma, kao i mačka, nalazi se u kutiji u nekoliko stanja istovremeno (definicija superpozicije). Do trenutka otvaranja kutije, mikrosistem u kojem se nalaze atomsko jezgro i mačka, sa 50% vjerovatnoće ima stanje „jezgro je raspalo, mačka je umrla“, a sa istom vjerovatnoćom ima i stanje "jezgro se nije raspalo, mačka je živa." Ovo potvrđuje hipotezu da je mačka koja sjedi u boksu i živa i mrtva u isto vrijeme, odnosno da se nalazi u nekoliko stanja odjednom u istom trenutku. Ispostavilo se da je mačka koja sjedi u kutiji i živa i mrtva u isto vrijeme.

Govoreći jednostavnim jezikom, objašnjava fenomen "Šredingerove mačke". mogućnost činjenice da je sa stanovišta kvantne mehanike mačka i živa i mrtva, što je u stvarnosti nemoguće. Na osnovu toga možemo zaključiti da postoje značajni nedostaci u teoriji kvantne mehanike.

Ako ne promatrate jezgro atoma u mikrosistemu, dolazi do miješanja dva stanja - raspadnutog i neraspadnutog jezgra. Prilikom otvaranja kutije, eksperimentator može posmatrati samo jedno specifično stanje. Budući da mačka personificira jezgro atoma, ona će također biti u samo jednom stanju - ili živa ili mrtva.

Rješenje paradoksa - Kopenhaška interpretacija

Naučnici iz Kopenhagena riješili su misteriju Schrödingerove mačke. Moderno tumačenje Kopenhagena je da je mačka živa/mrtva bez ikakvih međustanja, jer se jezgro raspada ili ne raspada ne kada se kutija otvori, već čak i ranije - kada se jezgro pošalje na detektor. Objašnjenje za ovo je sledeće: redukcija talasne funkcije mikrosistema „mačka-detektor-jezgro” 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 je došao na ideju da se takav eksperiment provede upravo u svrhu dokazivanja slabosti i nepotpunosti opće teorije fizike. Njegova najdublja želja bila je da kroz konkretno iskustvo pokaže da svaka nauka ispunjava svoje zadatke: klasična fizika proučava makro-objekte, kvantna fizika proučava mikro-objekte. Postoji potreba za razvojem naučnih saznanja kako bi se opisao proces prelaska sa velikih na male objekte u sistemima.

Običnom čovjeku je vrlo teško odmah shvatiti suštinu ovog paradoksa. Uostalom, u svijesti svake osobe postoji uvjerenje da je bilo koji predmet materijalnog svijeta u 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 TV seriji Teorija velikog praska, u kojoj glavni lik Sheldon Cooper objasnio je njegovu suštinu za manje obrazovanu Penny. Cooper je ovaj fenomen prenio na područje ljudskih odnosa. Da biste shvatili da li je veza između osoba suprotnog pola dobra ili loša, samo treba da otvorite kutiju. Do ovog trenutka, svaka veza je i dobra i loša.

Nedavno je objavljen na poznatom naučnom portalu "PostScience" autorski članak Emila Ahmedova o razlozima nastanka čuvenog 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, psihološki, 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 sa probabilističkom interpretacijom 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 je povezana neka vrsta uređaja koji dozvoljava ili ne propušta smrtonosni gas, koji radi na sledeći način: postoji polarizaciono staklo, a ako je foton koji prolazi je tražene polarizacije, onda se cilindar okreće na, gas teče do mačke; ako je foton pogrešne polarizacije, onda se cilindar ne uključuje, ključ se ne uključuje, cilindar ne pušta plin u mačku.

Recimo da je foton kružno polarizovan, a uređaj reaguje na linearnu polarizaciju. Ovo možda nije jasno, ali nije toliko važno. Sa izvesnom verovatnoćom foton će biti polarizovan na jedan način, sa izvesnom verovatnoćom - na drugi. Schrödinger je rekao: ispostavilo se da će u nekom trenutku, dok ne otvorimo poklopac i vidimo da li je mačka mrtva ili živa (a sistem je zatvoren), mačka biti živa s određenom vjerovatnoćom i da će biti mrtva s nekim vjerovatnoća. Možda nemarno formulišem paradoks, ali krajnji rezultat je čudna situacija: mačka nije ni živa ni mrtva. Ovako je formulisan paradoks.

Po mom mišljenju, ovaj paradoks ima potpuno jasno i precizno objašnjenje. Možda je ovo moje lično gledište, ali pokušaću da objasnim. Glavno svojstvo kvantne mehanike je sljedeće: ako opisujemo zatvoreni sistem, onda kvantna mehanika nije ništa drugo do valna mehanika, valna mehanika. 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 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 vrstom talasne jednačine. Čitava probabilistička interpretacija kvantne mehanike nastaje nakon otvaranja sistema – na njega spolja utiče neki veliki klasični, odnosno nekvantni objekat. U trenutku udara, prestaje da se opisuje ovom talasnom jednačinom. Nastaje takozvana redukcija talasne funkcije i probabilistička interpretacija. Do trenutka otvaranja sistem se razvija u skladu sa talasnom jednačinom.

Sada moramo dati nekoliko komentara 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 po svojim akcijama. 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 ga je opisati ne nekim talasnim jednačinama, već jednostavno klasičnim zakonima poput Newtonovog zakona i tako dalje. Na primjer, iz tog razloga, Mjesec ne rotira oko Zemlje ne kao elektron oko jezgra atoma, već duž određene, jasno definirane orbite, duž klasične orbite, putanje. Dok se elektron, kao mali kvantni sistem, kreće poput stajaćeg talasa unutar atoma oko jezgra, njegovo kretanje se opisuje stajaćim talasom, i to je razlika između ove dve situacije.

Mjerenje u kvantnoj mehanici je kada utječete na mali kvantni sistem velikim klasičnim sistemom. Nakon toga, valna funkcija se smanjuje. 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 događa u trenutku kada otvorimo poklopac kutije i vidimo da li je mačka živa ili mrtva, već u trenutku kada foton stupi u interakciju sa polarizacijskim staklom. Dakle, u ovom trenutku fotonska valna funkcija je smanjena, balon se nalazi u vrlo specifičnom stanju: ili se otvara ili se ne otvara, a mačka umire ili ne umire. Sve. Ne postoje "mačke vjerovatnoće" da je on s određenom vjerovatnoćom živ, a s određenom vjerovatnoćom da je mrtav. Kada sam rekao da Schrödingerov paradoks mačke ima mnogo različitih formulacija, rekao sam samo da postoji mnogo Različiti putevi smisliti uređaj koji ubija ili ostavlja mačku živu. U suštini, formulacija paradoksa se ne menja.

Čuo sam za druge pokušaje da se ovaj paradoks objasni korištenjem pluraliteta svjetova i tako dalje. Po mom mišljenju, sva ova objašnjenja ne izdržavaju kritike. Ono što sam objasnio riječima tokom ovog videa može se pretočiti u matematičku formu i provjeriti istinitost ove izjave. 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 zajedno sa uređajem koji je 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 samog eksperimenta

Schrödingerov originalni rad opisao je eksperiment na sljedeći način:

Također možete konstruirati slučajeve u kojima je prilično 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 radioaktivne tvari, toliko mala da se samo jedan atom može raspasti u sat, ali sa istom vjerovatnoćom da se i ne raspadnu; ako se to dogodi, cijev za očitavanje se isprazni i relej se aktivira, otpuštajući čekić, koji razbija bocu s cijanovodoničnom kiselinom. Ako cijeli 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. Već prvi dezintegracija atoma otrovala bi mačku. Psi-funkcija sistema kao celine će to izraziti mešanjem ili mazanjem žive i mrtve mačke (oprostite na izrazu) u jednakim delovima. Ono što je tipično u takvim slučajevima jeste da se neizvesnost prvobitno ograničena na atomski svet transformiše u makroskopsku neizvesnost, koja se može eliminisati direktnim posmatranjem. To nas sprečava da naivno prihvatimo „model zamućenja“ kao odraz stvarnosti. Ovo samo po sebi ne znači ništa nejasno ili kontradiktorno. Postoji razlika između zamućene fotografije ili fotografije van fokusa i fotografije oblaka ili magle. Prema kvantnoj mehanici, ako se jezgro ne posmatra, tada se njegovo stanje opisuje superpozicijom (miješanjem) dva stanja - raspadnutog jezgra i neraspadnutog jezgra, dakle, mačka koja sjedi u kutiji je i živa i mrtva u isto vrijeme. Ako se kutija otvori, tada eksperimentator može vidjeti samo jedno specifično stanje - "jezgro se raspalo, mačka je mrtva" ili "jezgro se nije raspalo, mačka je živa". Pitanje je: kada sistem prestaje da postoji kao mešavina dva stanja i bira jedno određeno? Svrha eksperimenta je pokazati da je kvantna mehanika nepotpuna bez nekih pravila koja ukazuju pod kojim uvjetima se valna funkcija urušava, a 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), slično će biti i za atomsko jezgro. Mora biti ili raspadnut ili neiskvaren.

Originalni članak objavljen je 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 smatraju da je tumačenje kvantne mehanike Kopenhaške škole neopravdano u naglašavanju uloge posmatrača. Konačno jedinstvo među fizičarima po ovom pitanju još uvijek nije postignuto.
Paralelizacija svjetova u svakom trenutku odgovara pravom nedeterminističkom automatu, za razliku od vjerovatnog, kada u svakom koraku jedan od mogući načini zavisno od njihove vjerovatnoće.

Wignerov paradoks

Ovo je komplikovana verzija Schrödingerovog eksperimenta. Eugene Wigner je uveo kategoriju "prijatelja". Nakon završetka eksperimenta, eksperimentator otvara kutiju i vidi živu mačku. Vektor stanja mačke u trenutku otvaranja kutije prelazi u stanje „jezgro se nije raspalo, 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 mu eksperimentator kaže ishod eksperimenta. Ali svi ostali Prijatelji mačka još nije prepoznata kao živa, a prepoznat će se tek kada im se kaže rezultat eksperimenta. Dakle, mačka se može prepoznati kao potpuno živa (ili potpuno mrtva) samo kada svi ljudi u svemiru znaju rezultat eksperimenta. Do ovog trenutka, na skali Velikog svemira, mačka, prema Wigneru, ostaje živa i mrtva u isto vrijeme.

Praktična upotreba

Gore navedeno se koristi u praksi: u kvantnom računarstvu i kvantnoj kriptografiji. Svetlosni signal u superpoziciji dva stanja šalje se duž optičkog kabla. 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. Sprovođenjem statističkih ispitivanja svjetlosti na prijemnom kraju kabla, moći će se otkriti da li je svjetlost u superpoziciji stanja ili je već bila uočena i prenesena u drugu tačku. Ovo omogućava stvaranje sredstava komunikacije koja isključuju neprimetno presretanje i prisluškivanje signala.
Eksperiment (koji se u principu može izvesti, iako još nisu stvoreni funkcionalni sistemi kvantne kriptografije koji bi mogli prenijeti velike količine informacija) također pokazuje da „posmatranje“ u tumačenju Kopenhagena nema nikakve veze sa svijesti posmatrača, budući da u ovom slučaju promjena statistike na kraju kabla dovodi do potpuno nežive grane žice.

„Svako ko nije šokiran kvantnom teorijom, ne razumije”, rekao je Niels Bohr, osnivač kvantne teorije.
Osnova klasične fizike je nedvosmisleno programiranje svijeta, inače Laplasov determinizam, s pojavom kvantne mehanike zamijenjen je invazijom svijeta neizvjesnosti i vjerovatnost događaja. I tu su misaoni eksperimenti dobro došli teoretskim fizičarima. To su bili kameni testovi na kojima su testirane najnovije ideje.

"Šrodingerova mačka" je misaoni eksperiment, koji je predložio Erwin Schrödinger, s 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, aktivira mehanizam, otvara posudu s plinom i mačka umire. Prema kvantnoj mehanici, ako se jezgro ne posmatra, tada se njegovo stanje opisuje superpozicijom (miješanjem) dva stanja - raspadnutog jezgra i neraspadnutog jezgra, dakle, mačka koja sjedi u kutiji je i živa i mrtva u isto vrijeme. Ako se kutija otvori, tada eksperimentator može vidjeti samo jedno specifično stanje - "jezgro se raspalo, mačka je mrtva" ili "jezgro se nije raspalo, mačka je živa".

Kada sistem prestaje da postoji? Kako pomiješati dva stanja i izabrati jedno određeno?

Svrha eksperimenta- pokazuju da je kvantna mehanika nepotpuna bez nekih pravila koja pokazuju pod kojim uslovima se valna funkcija kolabira (trenutna promjena kvantnog stanja objekta koja se javlja kada se izmjeri), a mačka ili postaje mrtva ili ostaje živa, ali prestaje biti mešavina oba.

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

Schrödingerov rad “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.
Radovi Einstein-Podolsky-Rosena i Schrödingera ocrtali su čudnu prirodu „kvantnog zapleta“ (izraz koji je skovao Schrödinger), karakterističnu za kvantna stanja koja su superpozicija stanja dvaju sistema (na primjer, dvije subatomske čestice).

Interpretacije kvantne mehanike

Tokom postojanja kvantne mehanike, naučnici su iznosili različite njene interpretacije, ali najpodržanije od svih danas su one „kopenhagenske“ i „mnogosvetove“.

"Kopenhaška interpretacija"- ovu interpretaciju kvantne mehanike formulirali su Niels Bohr i Werner Heisenberg tokom njihovog zajedničkog rada u Kopenhagenu (1927). Naučnici su pokušali da odgovore na pitanja koja proizilaze iz dualnosti talasa i čestica svojstvenog kvantnoj mehanici, posebno na pitanje merenja.

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

Dakle, možemo se osloniti na sljedeći pristup: u makroskopskim sistemima ne opažamo kvantne pojave (osim fenomena superfluidnosti i supravodljivosti); stoga, ako kvantnom stanju nametnemo makroskopsku talasnu funkciju, iz iskustva moramo zaključiti da se superpozicija raspada. I iako nije sasvim jasno šta uopšte znači da je nešto „makroskopsko“, ono što je sigurno za mačku je da je makroskopski objekat. Dakle, Kopenhaška interpretacija ne smatra da je mačka u stanju konfuzije između živog i mrtvog prije nego što se kutija otvori.

U "interpretaciji mnogih svjetova" 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 „zapetljava“ sa okolinom. A kada posmatrač otvori kutiju, on se zapliće sa mačkom i iz toga se formiraju dva stanja posmatrača, koja odgovaraju živoj i mrtvoj mački, a ta stanja ne interaguju jedno s drugim. Isti mehanizam kvantne dekoherencije važan je za "zajedničke" istorije. U ovoj interpretaciji, samo “mrtva mačka” ili “živa mačka” može biti u “zajedničkoj priči”.

Drugim riječima, kada se kutija otvori, svemir se dijeli na dva različita univerzuma, u jednom u kojem 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 raspalo, mačka je živa". Tako je u laboratoriji mačka prepoznata kao živa. Postoji "prijatelj" izvan laboratorije. Prijatelj još ne zna da li je mačka živa ili mrtva. Prijatelj prepoznaje mačku kao živu tek kada mu eksperimentator kaže ishod eksperimenta. Ali svi ostali "prijatelji" još nisu prepoznali mačku kao živu, a prepoznat će je tek kada im se kaže rezultat eksperimenta. Dakle, mačka se može prepoznati kao potpuno živa samo kada svi ljudi u svemiru znaju rezultat eksperimenta. Do ovog trenutka, na skali Velikog svemira, mačka ostaje poluživa i polumrtava u isto vrijeme.

Gore navedeno se koristi u praksi: u kvantnom računarstvu i kvantnoj kriptografiji. Svetlosni signal u superpoziciji dva stanja šalje se preko optičkog kabla. 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. Sprovođenjem statističkih ispitivanja svjetlosti na prijemnom kraju kabla, moći će se otkriti da li je svjetlost u superpoziciji stanja ili je već bila uočena i prenesena u drugu tačku. Ovo omogućava stvaranje sredstava komunikacije koja isključuju neprimetno presretanje i prisluškivanje signala.

Eksperiment (koji se u principu može izvesti, iako još nisu stvoreni funkcionalni sistemi kvantne kriptografije koji bi mogli prenijeti velike količine informacija) također pokazuje da „posmatranje“ u tumačenju Kopenhagena nema nikakve veze sa svijesti posmatrača, budući da u ovom slučaju promjena statistike na kraju 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. Kad god se mjeri stanje kubita, on nasumično prelazi u jedno od svojih stanja.)

U stvarnosti! Mlađi brat "Šrodingerove mačke"

Prošlo je 75 godina otkako se pojavila Schrödingerova mačka, ali neke od posljedica kvantne fizike izgledaju u suprotnosti s našim svakodnevnim idejama o materiji i njenim svojstvima. Prema zakonima kvantne mehanike, trebalo bi da bude moguće stvoriti „mačko“ stanje u kojem je i živa i mrtva, tj. biće u stanju kvantne superpozicije dva stanja. Međutim, u praksi, stvaranje kvantne superpozicije takvih velika količina atomi još nisu postignuti. Poteškoća je u tome što što više atoma ima u superpoziciji, to je ovo stanje manje stabilno, jer spoljni uticaji pokušavaju da ga unište.

Fizičarima sa Univerziteta u Beču (objava u časopisu Nature Communications“, 2011) po prvi put u svijetu bilo je moguće demonstrirati kvantno ponašanje organske molekule koja se sastoji od 430 atoma iu stanju kvantne superpozicije. Molekul koji su dobili eksperimentatori više liči na hobotnicu. Veličina molekula je oko 60 angstroma, a de Broglieova talasna dužina za molekul je bila samo 1 pikometar. Ova "molekularna hobotnica" bila je u stanju da demonstrira svojstva svojstvena Schrödingerovoj mački.

Kvantno samoubistvo

Kvantno samoubistvo je misaoni eksperiment u kvantnoj mehanici koji su nezavisno predložili G. Moravec i B. Marshall, a proširio ga je 1998. kosmolog Max Tegmark. Ovaj misaoni eksperiment, modifikacija misaonog eksperimenta Schrödingerove mačke, jasno pokazuje razliku između dva tumačenja kvantne mehanike: Kopenhaške interpretacije i Everettova tumačenja više svjetova.

Eksperiment je zapravo eksperiment sa Schrödingerovom mačkom iz mačje tačke gledišta.

U predloženom eksperimentu u učesnika je uperen pištolj koji puca ili ne puca u zavisnosti od raspada nekog radioaktivnog atoma. Postoji 50% šanse da će pištolj opaliti i da će učesnik poginuti. Ako je interpretacija iz Kopenhagena tačna, tada će pištolj na kraju opaliti i učesnik će umrijeti.
Ako je Everettova interpretacija više svjetova ispravna, onda se kao rezultat svakog izvedenog eksperimenta svemir dijeli na dva svemira, u jednom od kojih sudionik ostaje živ, a u drugom umire. U svetovima u kojima učesnik umre, on prestaje da postoji. Nasuprot tome, iz perspektive ne-mrtvog učesnika, eksperiment će se nastaviti bez uzroka da učesnik nestane. To se dešava zato što u bilo kojoj grani učesnik može da posmatra rezultat eksperimenta samo u svetu u kome preživljava. A ako je interpretacija više svjetova ispravna, onda učesnik može primijetiti da nikada neće umrijeti tokom eksperimenta.

Učesnik nikada neće moći da govori o ovim rezultatima, jer će sa stanovišta spoljnog posmatrača verovatnoća ishoda eksperimenta biti ista i u višesvetovima iu Kopenhagenskoj interpretaciji.

Kvantna besmrtnost

Kvantna besmrtnost je misaoni eksperiment koji proizlazi iz misaonog eksperimenta kvantnog samoubistva i navodi da su, prema višesvjetskoj interpretaciji kvantne mehanike, bića koja imaju sposobnost samosvijesti besmrtna.

Zamislimo da učesnik eksperimenta detonira nuklearnu bombu blizu sebe. U skoro svim paralelnim svemirima, nuklearna eksplozija će uništiti učesnika. Ali uprkos tome, mora postojati mali broj alternativnih Univerzuma u kojima učesnik nekako preživi (tj. Univerzuma u kojima je moguć potencijalni scenario 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 svih mogućih Univerzuma. Tako će s vremenom 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 u zavisnosti od ishoda raspada nekog radioaktivnog atoma. Postoji 50% šanse da će pištolj opaliti i da će učesnik poginuti. Ako je interpretacija iz Kopenhagena tačna, tada će pištolj na kraju opaliti i učesnik će umrijeti.

Ako je Everettova interpretacija više svjetova tačna, onda se kao rezultat svakog provedenog eksperimenta svemir dijeli na dva svemira, u jednom od kojih sudionik ostaje živ, a u drugom umire. U svetovima u kojima učesnik umre, on prestaje da postoji. Nasuprot tome, sa stanovišta ne-mrtvog učesnika, eksperiment će se nastaviti bez nestanka učesnika, budući da će posle svakog cepanja univerzuma moći da bude svestan sebe samo u onim univerzumima u kojima je preživeo. Dakle, ako je Everettova višesvjetova interpretacija ispravna, onda učesnik može primijetiti da nikada neće umrijeti u eksperimentu, čime „dokazuje“ svoju besmrtnost, barem sa njegove tačke gledišta.

Zagovornici kvantne besmrtnosti ističu da ova teorija nije u suprotnosti ni sa jednim poznatim zakonima fizike (ovaj stav je daleko od toga da je jednoglasno prihvaćen u naučnom svijetu). U svom obrazloženju, oni se oslanjaju na sljedeće dvije kontroverzne pretpostavke:
- Tačna je Everettova interpretacija više svjetova, a ne interpretacija Kopenhagena, budući da potonja negira postojanje paralelnih univerzuma;
- svi mogući scenariji u kojima učesnik može umrijeti tokom eksperimenta sadrže barem mali podskup scenarija u kojima učesnik ostaje živ.

Mogući argument protiv teorije kvantne besmrtnosti je da druga pretpostavka ne slijedi nužno iz Everettove interpretacije mnogih svjetova i može biti u sukobu sa zakonima fizike, za koje se vjeruje da se primjenjuju na sve moguće stvarnosti. Višesvjetska interpretacija kvantne fizike ne podrazumijeva nužno da je “sve moguće”. To samo ukazuje 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 se drugi zakon termodinamike primjenjuje na sve vjerovatne 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, stanja stvarnosti u kojem njegov daljnji opstanak postaje nemoguć, jer bi to zahtijevalo kršenje zakona fizike, što prema prethodno iznesenoj pretpostavci , važi za sve moguće realnosti.

Na primjer, u eksploziji nuklearna bomba gore opisano, prilično je teško opisati uvjerljiv scenario koji ne krši osnovne biološke principe u kojima će učesnik preživjeti. 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 (i time izbjegne nuklearna eksplozija), ili da se dogodi neki događaj koji se temelji na još neotkrivenim ili nedokazanim zakonima fizike. Drugi argument protiv teorije o kojoj se raspravlja može biti prisustvo prirodne biološke smrti u svim stvorenjima, 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, i ništa nije u suprotnosti sa pojavom fluktuacija (na primjer, pojava područja sa uslovima pogodnim za život posmatrača u svemiru koji je generalno dostigao stanje termalne smrti; ili, u principu, moguće kretanje svih čestica nastalih nuklearnom eksplozijom, na način da će svaka od njih proletjeti pored promatrača), iako će se takva fluktuacija dogoditi samo u izuzetno malom dijelu svih mogući ishodi. Argument o neizbježnosti 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 u narednoj sekundi. Dakle, vjerovatnoća da će on ostati živ sljedećih milijardu godina je također nenula (pošto je proizvod velikog broja faktora koji nisu nula), iako 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 vjerojatne događaje koji će se pojaviti 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 kvantne 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) opadajuće razine samo- svijest, koja nema nikakve veze sa kvantnom mehanikom.a učesnik nema mogućnost daljeg postojanja prelazeći iz jednog svijeta u drugi, što mu daje mogućnost da preživi.

Ovdje samosvjestan racionalni posmatrač ostaje u, da tako kažemo, „zdravom tijelu“ samo u relativno malom broju mogućih stanja u kojima zadržava samosvijest. Mogućnost da posmatrač, uz zadržavanje svijesti, ostane osakaćen je mnogo veća nego ako 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 će besmrtni promatrač prije ili kasnije proći kroz sva stanja kompatibilna sa očuvanjem svijesti, uključujući i ona u kojima će osjećati nepodnošljivu patnju – a takvih će stanja biti znatno više nego stanja optimalnog funkcioniranja organizma. Stoga, kao što filozof David Lewis sugerira, trebali bismo se nadati da je tumačenje više svjetova pogrešno.