Dom Psihologija

Kvantna fizika Schrödingerova mačka. Schrödingerova mačka: suština jednostavnim riječima

Može li mačka biti i živa i mrtva u isto vrijeme? Koliko postoji paralelnih svemira? I postoje li uopće? To uopće nisu pitanja iz domene fantastike, već sasvim stvarni znanstveni problemi koje rješava kvantna fizika.

Pa počnimo s Schrödingerova mačka. Ovo je misaoni eksperiment koji je predložio Erwin Schrödinger kako bi ukazao na paradoks koji postoji u kvantnoj fizici. Suština eksperimenta je sljedeća.

U zatvorenu kutiju istovremeno se nalazi zamišljena mačka, kao i isti zamišljeni mehanizam s radioaktivnom jezgrom i spremnik s otrovnim plinom. Prema eksperimentu, ako se jezgra raspadne, to će pokrenuti mehanizam: plinski spremnik će se otvoriti i mačka će umrijeti. Vjerojatnost nuklearnog raspada je 1 prema 2.

Paradoks leži u činjenici da, prema kvantnoj mehanici, ako se jezgra ne promatra, tada je mačka u takozvanoj superpoziciji, drugim riječima, mačka je istovremeno u međusobno isključivim stanjima (i živa je i mrtva ). Međutim, ako promatrač otvori kutiju, može biti siguran da je mačka u jednom određenom stanju: ili je živa ili mrtva. Prema Schrödingeru, nepotpunost 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 je li mačka živa ili mrtva. Za eksperimentatora mačka prestaje biti u superpoziciji, ali za prijatelja koji je ispred vrata, a koji još ne zna za rezultate eksperimenta, mačka je još uvijek negdje "između života i smrti". To se može nastaviti s beskonačnim brojem vrata i prijatelja, a prema sličnoj logici mačka će biti u superpoziciji sve dok svi ljudi u Svemiru ne saznaju što je eksperimentator vidio kad je otvorio kutiju.

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

Tijekom misaonog eksperimenta, pištolj je uperen u sudionika, koji će ili opaliti kao rezultat raspada radioaktivnog atoma, ili neće. Opet 50 prema 50. Dakle, sudionik eksperimenta će ili umrijeti ili ne, ali zasad je, poput Schrödingerove mačke, u superpoziciji.

Ova situacija može se tumačiti na različite načine sa stajališta kvantne mehanike. Prema tumačenju iz Kopenhagena, prije ili kasnije pištolj će opaliti i sudionik će umrijeti. Prema Everettovoj interpretaciji, superpozicija predviđa postojanje dvaju paralelnih svemira u kojima sudionik istovremeno postoji: u jednom od njih je živ (puška nije opalila), u drugom je mrtav (puška je opalila). Međutim, ako je interpretacija više svjetova točna, tada u jednom od svemira sudionik uvijek ostaje živ, što dovodi do ideje o postojanju "kvantne besmrtnosti".

Što se tiče Schrödingerove mačke i promatrača eksperimenta, on se, prema Everettovoj interpretaciji, također nalazi zajedno s mačkom u dva Svemira odjednom, odnosno u "kvantnom jeziku" "upleten" s njim.

Zvuči kao priča iz znanstveno-fantastičnog romana, međutim, ovo je jedna od mnogih znanstvenih teorija koja ima svoje mjesto 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 “Schrödingerova mačka”. Budući da je povezan s kvantnom mehanikom, osobi bez tehničkog obrazovanja prilično je teško razumjeti njegovo značenje. Pokušajmo shvatiti što znači koncept "Schrödingerove mačke". jednostavnim rječnikom rečeno.

Sadržaj:

Kratka povijesna pozadina

Erwin Schrödinger – slavni fizičar, jedan od tvoraca teorije kvantne mehanike. obilježje njegov znanstvena djelatnost bila sekundarna tzv. Rijetko je bio prvi koji je nešto istraživao.

Uglavnom, Schrödinger je pisao recenzije nečijeg izuma ili znanstvenog postignuća, kritizirao autora ili nastavio dalje razvijati tuđa istraživanja i otkrića. Iako je po prirodi bio individualist, nije se mogao osloniti na tuđe ideje i misli, koje je uzimao kao temelj u svojim istraživanjima. Unatoč tome, dao je golem doprinos razvoju kvantne mehanike, ponajviše zahvaljujući svojoj zagonetki "Schrödingerove mačke".

Schrödingerova postignuća u znanosti uključuju:

stvaranje pojma valne mehanike (za to je 1933. dobio Nobelovu nagradu);
u znanstveni promet uveo pojam "objektivnost opisa" - potkrijepio mogućnost znanstvenih teorija bez izravnog sudjelovanja subjekta istraživanja (vanjski promatrač) da opiše okolnu stvarnost;
razvio teoriju relativnosti;
proučavao termodinamičke procese i Bornovu nelinearnu elektrodinamiku;
pokušao stvoriti 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 nedovršenost kvantne mehanike u prijelazu iz mikrosustava u makrosustave. Cijela ova teorija temelji se na kritici znanstvenika prema dostignućima kvantne mehanike.

Prije nego što prijeđemo na opis pokusa, potrebno je definirati osnovne pojmove koji se u njemu koriste. Glavni postulat poznatog fenomena kaže da sve dok nitko ne promatra sustav, on je u položaj superpozicije- istovremeno u dva ili više stanja koja isključuju međusobno postojanje. Sam Schrodinger je dao sljedeću definiciju superpozicije - to je kvantna sposobnost (u ulozi kvanta može biti elektron, foton, jezgra atoma) da se nalazi u više stanja ili više točaka prostora u isto vrijeme. , dok nitko ne gleda sustav. Kvant je mikroskopski objekt mikrookoliša.

Opis pokusa

Izvorni članak u kojem Schrödinger objašnjava svoj eksperiment objavljen je 1935. godine. Za opis eksperimenta korištena je metoda usporedbe, pa čak i imitacije.

Vrlo je teško razumjeti što je točno Schrödinger imao na umu proučavajući ovaj članak. Pokušat ću jednostavnim riječima opisati bit eksperimenta.

Mačku stavljamo u kutiju s mehanizmom u kojem se nalazi radioaktivna atomska jezgra i spremnik napunjen otrovnim plinom. Eksperiment se provodi s točno odabranim parametrima vjerojatnosti raspada atomske jezgre - 50% u 1 sat. Kada se jezgra raspadne, iz posude iscuri plin, što dovodi do smrti mačke. Ako se to ne dogodi, mački se ništa ne događa, on je živ i zdrav.

Prođe sat vremena, a mi želimo dobiti odgovor na pitanje: je li mačka umrla ili ostala živa? Prema naprednoj teoriji Schrödingera, jezgra atoma, poput mačke, nalazi se u kutiji u nekoliko stanja istovremeno (definicija superpozicije). Do trenutka otvaranja kutije, mikrosustav, u kojem se nalazi jezgra atoma i mačka, s vjerojatnošću od 50% - imaju stanje "jezgra se raspala, mačka je umrla", a uz isti vjerojatnosti imaju stanje "jezgra se nije raspala, mačka je živa". Time je potvrđena hipoteza da je mačka koja sjedi u kutiji u isto vrijeme i živa i mrtva, odnosno da je u nekoliko stanja istovremeno. Ispostavilo se da je mačka koja sjedi u kutiji i živa i mrtva u isto vrijeme.

razgovarajući prostim jezikom, Fenomen Schrödingerove mačke objašnjava mogućnost činjenice da je sa stajališta kvantne mehanike mačka i živa i mrtva u isto vrijemešto je u stvarnosti nemoguće. Na temelju toga možemo zaključiti da postoje značajni nedostaci u teoriji kvantne mehanike.

Ako ne promatrate jezgru atoma u mikrosustavu, tada dolazi do miješanja dvaju stanja – raspadnute i neraspadnute jezgre. Kada se kutija otvori, eksperimentator može promatrati samo jedno određeno stanje. Budući da mačka predstavlja jezgru atoma, i ona će biti u samo jednom stanju - ili živa ili mrtva.

Razotkrivanje paradoksa - kopenhagenska interpretacija

Znanstvenici iz Kopenhagena riješili su zagonetku Schrödingerove mačke. Suvremena kopenhagenska interpretacija je da je mačka živa/mrtva bez međustanja, jer se jezgra ne raspada ili se ne raspada kada se kutija otvori, nego čak i prije, kada se jezgra pošalje detektoru. Objašnjenje za to je sljedeće: redukcija valne funkcije mikrosustava "mačka-detektor-jezgra" nema veze s osobom koja promatra kutiju, već je povezana s detektorom-promatračem jezgre.

Ovakvo tumačenje fenomena Schrödingerove mačke negira mogućnost da je mačka prije otvaranja kutije bila u stanju superpozicije – u isto vrijeme u stanju žive/mrtve mačke. Mačka u makrosustavu uvijek je samo u jednom stanju.

Važno! Schrödingerov eksperiment pokazao je da se mikroobjekt i makroobjekt ponašaju u sustavima u skladu s različiti zakoni- zakone kvantne fizike, odnosno zakone fizike u njenom klasičnom smislu.

Ali ne postoji znanost koja proučava pojave tijekom prijelaza iz makrosustava u mikrosustav. Erwin Schrödinger se oduševio idejom provođenja takvog eksperimenta upravo u svrhu dokazivanja slabosti i nedovršenosti opće teorije fizike. Njegova najdublja želja bila je konkretnim iskustvom pokazati da svaka znanost ispunjava svoje vlastite zadatke: klasična fizika proučava makroobjekte, kvantna fizika proučava mikroobjekte. Postoji potreba za razvojem znanstvenih spoznaja za opisivanje procesa prelaska s velikih na male objekte u sustavima.

Jednostavnom laiku vrlo je teško odmah shvatiti bit ovog paradoksa. Doista, u svijesti svake osobe postoji uvjerenje da bilo koji predmet materijalnog svijeta u ovaj trenutak vrijeme može biti samo u jednoj točki.

Ali Schrödingerova teorija može se primijeniti samo na mikro-objekte, dok je mačka objekt makrokozmosa.

Najnovije tumačenje paradoksa Schrödingerove mačke je njegova uporaba u Teoriji velikog praska, u kojoj glavni lik Sheldon Cooper je manje obrazovanoj Penny objasnio svoju bit. Cooper je ovaj fenomen donio u sferu ljudskih odnosa. Da biste shvatili jesu li odnosi između osoba suprotnog spola dobri ili loši, samo trebate otvoriti kutiju. I do ove točke, svaka veza je i dobra i loša.

Nedavno je na poznatom znanstvenom portalu "PostNauka" objavljen autorski članak Emila Akhmedova o uzrocima poznatog paradoksa, kao i o tome što on nije.

Fizičar Emil Akhmedov o probabilističkoj interpretaciji, zatvorenim kvantnim sustavima i formulaciji paradoksa.

Po mom mišljenju, najteži dio kvantne mehanike, i psihološki i filozofski, a i u mnogim drugim aspektima, jest njezina probabilistička interpretacija. Mnogi su se ljudi raspravljali s probabilističkim tumačenjem. Na primjer, Einstein je zajedno s Podolskim i Rosenom došao do paradoksa koji pobija probabilističku interpretaciju.

Osim njih, Schrödinger je polemizirao i s probabilističkim tumačenjem kvantne mehanike. Kao logičku kontradikciju u probabilističkom tumačenju kvantne mehanike, Schrödinger je došao do takozvanog paradoksa Schrödingerove mačke. Može se formulirati na različite načine, na primjer: recimo da imate kutiju u kojoj sjedi mačka, a na tu kutiju je spojena boca smrtonosnog plina. Na prekidač ovog cilindra, koji propušta ili ne propušta smrtonosni plin, spojen je neki uređaj koji radi na sljedeći način: nalazi se polarizacijsko staklo, i ako prođe foton potrebne polarizacije, tada se cilindar uključuje, plin teče u mačku; ako foton nije ispravne polarizacije, onda se balon ne pali, ključ se ne pali, balon ne pušta plin u mačku.

Pretpostavimo da je foton cirkularno polariziran, a uređaj reagira na linearnu polarizaciju. Možda nije jasno, ali nije ni jako važno. S određenom vjerojatnošću, foton će biti polariziran na jedan način, s određenom vjerojatnošću - na drugi. Schrodinger je rekao: ispada takva situacija da će u nekom trenutku, dok ne otvorimo poklopac i vidimo je li mačka mrtva ili živa (a sustav je zatvoren), mačka s određenom vjerojatnošću biti živa, a s određenom će biti mrtva vjerojatnost. Možda slučajno formuliram paradoks, ali rezultat je čudna situacija da mačka nije ni živa ni mrtva. Ovako je formuliran paradoks.

Po mom mišljenju, ovaj paradoks ima savršeno jasno i precizno objašnjenje. Možda je ovo moje osobno gledište, ali pokušat ću objasniti. Glavno svojstvo kvantne mehanike je sljedeće: ako opisujete zatvoreni sustav, onda kvantna mehanika nije ništa drugo nego valna mehanika, mehanika valova. To znači da je opisan diferencijalnim jednadžbama čija su rješenja valovi. Gdje postoje valovi i diferencijalne jednadžbe, tu su i matrice i tako dalje. To su dva ekvivalentna opisa: matrični opis i valni opis. Opis matrice pripada Heisenbergu, opis vala pripada Schrödingeru, ali oni opisuju istu situaciju.

Bitno je da dok je sustav zatvoren, opisuje se valnom jednadžbom, a ono što se događa s tim valom opisuje neka valna jednadžba. Cijela probabilistička interpretacija kvantne mehanike nastaje nakon što se sustav otvori - na njega izvana djeluje neki veliki klasični, to jest nekvantni objekt. U trenutku udara prestaje se opisivati ovom valnom jednadžbom. Postoji takozvana redukcija valne funkcije i probabilistička interpretacija. Do trenutka otvaranja sustav se razvija u skladu s valnom jednadžbom.

Sada moramo dati nekoliko napomena o tome kako se veliki klasični sustav razlikuje od malog kvantnog. Općenito govoreći, čak i veliki klasični sustav može se opisati valnom jednadžbom, iako je taj opis obično teško dati, au stvarnosti je potpuno nepotreban. Ovi se sustavi matematički razlikuju u djelovanju. Takozvani objekt postoji u kvantnoj mehanici, u teoriji polja. Za klasični veliki sustav djelovanje je ogromno, ali za kvantni mali sustav djelovanje je malo. Štoviše, gradijent ovog djelovanja - brzina promjene tog djelovanja u vremenu i prostoru - ogroman je za veliki klasični sustav, a mali za mali kvantni. Ovo je glavna razlika između dva sustava. Zbog činjenice da je djelovanje vrlo veliko za klasični sustav, prikladnije je opisati ga ne nekim valnim jednadžbama, već jednostavno klasičnim zakonima poput Newtonovog zakona i tako dalje. Primjerice, zbog toga Mjesec ne rotira oko Zemlje kao elektron oko jezgre atoma, nego po određenoj, jasno definiranoj orbiti, po klasičnoj orbiti, putanji. Dok se elektron, kao mali kvantni sustav, unutar atoma oko jezgre kreće poput stojnog vala, njegovo kretanje opisuje stojni val, i to je razlika između te dvije situacije.

Mjerenje u kvantnoj mehanici je kada na mali kvantni sustav utječete velikim klasičnim sustavom. Nakon toga dolazi do smanjenja valne funkcije. Po mom mišljenju, prisutnost balona ili mačke u Schrödingerovom paradoksu jednaka je prisutnosti velikog klasičnog sustava koji mjeri polarizaciju fotona. Sukladno tome, mjerenje se ne događa u trenutku kada otvorimo poklopac kutije i vidimo je li mačka živa ili mrtva, već u trenutku kada foton stupi u interakciju s polarizacijskim staklom. Dakle, u ovom trenutku dolazi do smanjenja valne funkcije fotona, balon je u potpuno određenom stanju: ili se otvara ili se ne otvara, a mačka umire ili ne umire. Sve. Ne postoje "probabilističke mačke" da je s nekom vjerojatnošću živ, s nekom vjerojatnošću mrtav. Kad sam rekao da paradoks Schrodingerove mačke ima mnogo različitih formulacija, samo sam rekao da ih ima mnogo različiti putevi smisliti uređaj koji ubija ili ostavlja mačku na životu. Zapravo, formulacija paradoksa se ne mijenja.

Čuo sam za druge pokušaje da se objasni ovaj paradoks u smislu višestrukih svjetova i tako dalje. Po mom mišljenju, sva ova objašnjenja ne izdržavaju nikakvu provjeru. Ono što sam riječima objasnio tijekom ovog videa može se staviti u matematički oblik i može se provjeriti ispravnost ove izjave. Još jednom naglašavam da se, po mom mišljenju, mjerenje i redukcija valne funkcije malog kvantnog sustava događa u trenutku interakcije s velikim klasičnim sustavom. Takav veliki klasični sustav je mačka sa spravom koja je ubije, a ne osoba koja otvori kutiju s mačkom i vidi je li mačka živa ili ne. Odnosno, mjerenje se događa u trenutku interakcije ovog sustava s kvantnom česticom, a ne u trenutku provjere mačke. Takvi paradoksi, po mom mišljenju, nalaze objašnjenja primjenom teorija i zdravog razuma.

Suština eksperimenta

Schrödingerov izvorni rad opisuje eksperiment na sljedeći način:

Također možete konstruirati slučajeve u kojima je burleska dovoljna. Određena mačka je zaključana u čeličnoj komori, zajedno sa sljedećim paklenim strojem (koji mora biti zaštićen od izravne intervencije mačke): unutar Geigerovog brojača nalazi se sićušna količina radioaktivnog materijala, toliko malena da se samo jedan atom može raspasti za sat vremena, ali s istom vjerojatnošću može i ne raspasti se; ako se to dogodi, cijev za očitavanje se isprazni i relej se aktivira, spuštajući čekić, koji razbija konus cijanovodične kiseline. Ako cijeli ovaj sustav ostavimo sam sebi na sat vremena, onda možemo reći da će mačka nakon tog vremena biti živa, sve dok se atom ne raspadne. Prvi raspad atoma otrovao bi mačku. Psi-funkcija sustava u cjelini će to izraziti miješanjem u sebi ili mazanjem žive i mrtve mačke (oprostite na izrazu) u jednakim omjerima. U takvim je slučajevima tipično da se neizvjesnost, izvorno ograničena na atomski svijet, transformira u makroskopsku nesigurnost koja se može eliminirati izravnim promatranjem. To nas sprječava da naivno prihvatimo "model zamućenja" kao odraz stvarnosti. Samo po sebi to ne znači ništa nejasno ili kontradiktorno. Postoji razlika između mutne fotografije ili fotografije izvan fokusa i fotografije oblaka ili magle. Prema kvantnoj mehanici, ako se nad jezgrom ne vrši promatranje, tada je njeno stanje opisano superpozicijom (miješanjem) dva stanja - raspadnute jezgre i neraspadnute jezgre, dakle, mačka koja sjedi u kutiji je i živa i mrtva u isto vrijeme. Ako se kutija otvori, eksperimentator može vidjeti samo jedno specifično stanje - "jezgra se raspala, mačka je mrtva" ili "jezgra se nije raspala, mačka je živa". Pitanje je sljedeće: kada sustav prestaje postojati kao mješavina dva stanja i odabire jedno konkretno? Svrha je eksperimenta pokazati da je kvantna mehanika nepotpuna bez nekih pravila koja određuju pod kojim uvjetima valna funkcija kolabira i mačka ili postaje mrtva ili ostaje živa, ali prestaje biti mješavina obojega.

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

Izvorni članak pojavio se 1935. Svrha članka bila je rasprava o Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) paradoksu koji su Einstein, Podolsky i Rosen objavili ranije te godine.

Enciklopedijski YouTube

1 / 5
Naime, Hawking i mnogi drugi fizičari smatraju da "kopenhaška škola" tumačenja kvantne mehanike nerazumno naglašava ulogu promatrača. Konačno jedinstvo među fizičarima po tom pitanju još nije postignuto.
Paralelizacija svjetova u svakom trenutku vremena odgovara pravom nedeterminističkom automatu, za razliku od probabilističkog, kada na svakom koraku jedan od moguće načine prema njihovoj vjerojatnosti.

Wignerov paradoks

Ovo je komplicirana verzija Schrödingerovog eksperimenta. Eugene Wigner uveo je kategoriju "prijatelji". Nakon završetka eksperimenta, eksperimentator otvara kutiju i vidi živu mačku. Vektor stanja mačke u trenutku otvaranja kutije prelazi u stanje "jezgra se nije raspala, mačka je živa". Tako je u laboratoriju mačka prepoznata kao živa. Izvan laboratorija je prijatelju. Prijatelj još ne zna je li mačka živa ili mrtva. Prijatelj prepoznaje mačku kao živu tek kada ga eksperimentator obavijesti o ishodu eksperimenta. Ali svi ostali prijatelji mačka još nije prepoznata kao živa, a oni će je prepoznati tek kada im se priopći rezultat pokusa. Dakle, mačka se može smatrati potpuno živom (ili potpuno mrtvom) tek kada svi ljudi u svemiru znaju rezultat eksperimenta. Sve do ove točke, na ljestvici Velikog svemira, mačka, prema Wigneru, ostaje živa i mrtva u isto vrijeme.

Praktična upotreba

Navedeno se primjenjuje u praksi: u kvantnom računalstvu 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 signalnu slavinu kako bi prisluškivali odaslane informacije, tada će to urušiti valnu funkciju (sa stajališta kopenhaške interpretacije, promatrat će se) i svjetlo će prijeći u jedno od stanja. Provođenjem statističkih testova svjetlosti na prijemnom kraju kabela, moći će se saznati je li svjetlost u superpoziciji stanja ili je već opažena i prenesena na drugu točku. To omogućuje stvaranje sredstava komunikacije koja isključuju neprimjetno presretanje signala i prisluškivanje.
Eksperiment (koji se u načelu može izvesti, iako još nisu stvoreni radni sustavi kvantne kriptografije koji bi mogli prenijeti velike količine informacija) također pokazuje da "promatranje" u kopenhaškoj interpretaciji nema nikakve veze s umom promatrača, već s umom promatrača. budući da u ovom slučaju promjena statistike do kraja kabela dovodi do potpuno neživog ogranka žice.

"Svatko tko nije šokiran kvantnom teorijom, ne razumije”, rekao je Niels Bohr, utemeljitelj kvantne teorije.
Osnova klasične fizike – jednoznačno programiranje svijeta, inače Laplacijev determinizam, dolaskom kvantne mehanike zamijenjen je invazijom svijeta neizvjesnosti i probabilističkih događaja. I ovdje se, usput, pokazalo da su misaoni eksperimenti za teoretske fizičare. To su bili kamenčići na kojima su testirane najnovije ideje.

Schrödingerova mačka je misaoni eksperiment, koji je predložio Erwin Schrödinger, a kojim je želio pokazati nedovršenost kvantne mehanike u prijelazu iz subatomskih sustava u makroskopske sustave.

Mačka je smještena u zatvorenu kutiju. Kutija sadrži mehanizam koji sadrži radioaktivnu jezgru i spremnik s otrovnim plinom. Vjerojatnost da će se jezgra raspasti za 1 sat je 1/2. Ako se jezgra raspadne, ona pokreće mehanizam, otvara plinsku posudu i mačka umire. Prema kvantnoj mehanici, ako se nad jezgrom ne vrši promatranje, tada je njeno stanje opisano superpozicijom (miješanjem) dva stanja - raspadnute jezgre i neraspadnute jezgre, dakle, mačka koja sjedi u kutiji je i živa i mrtva u isto vrijeme. Ako se kutija otvori, eksperimentator može vidjeti samo jedno specifično stanje - "jezgra se raspala, mačka je mrtva" ili "jezgra se nije raspala, mačka je živa".

Kada sustav prestaje postojati? poput miješanja dviju država i odabira jedne određene?

Svrha pokusa- pokazati da je kvantna mehanika nepotpuna bez nekih pravila koja pokazuju pod kojim uvjetima valna funkcija kolabira (trenutačna promjena kvantnog stanja objekta koja se događa tijekom mjerenja), a mačka ili postaje mrtva ili ostaje živa, ali prestaje biti mješavina obojega.

Budući da je jasno da mačka nužno mora biti ili živa ili mrtva (ne postoji međustanje između života i smrti), to znači da to vrijedi i za atomsku jezgru. Ono će nužno biti ili raspadnuto ili neraspadnuto.

Schrödingerov članak "Trenutna situacija u kvantnoj mehanici" koji predstavlja misaoni eksperiment s mačkom pojavio se u njemačkom časopisu Natural Sciences 1935. kako bi se raspravljalo o EPR paradoksu.
Članci Einstein-Podolsky-Rosen i Schrödinger ocrtavaju čudnu prirodu "kvantne isprepletenosti" (pojam koji je uveo Schrödinger), koja je karakteristična za kvantna stanja koja su superpozicija stanja dvaju sustava (na primjer, dvije subatomske čestice ).

Tumačenja kvantne mehanike

Tijekom postojanja kvantne mehanike znanstvenici su iznijeli njezina različita tumačenja, no od svih danas najviše se podržavaju "Kopenhagen" i "mnogi svjetovi".

"Tumačenje iz Kopenhagena"- ovu interpretaciju kvantne mehanike formulirali su Niels Bohr i Werner Heisenberg tijekom zajedničkog rada u Kopenhagenu (1927.). Znanstvenici su pokušali odgovoriti na pitanja koja proizlaze iz dualizma korpuskularnih valova svojstvenog kvantnoj mehanici, posebice na pitanje mjerenja.

U kopenhaškoj interpretaciji sustav prestaje biti mješavina stanja i odabire jedno od njih u trenutku kada se dogodi promatranje. Pokus s mačkom pokazuje da u ovoj interpretaciji priroda samog promatranja - mjerenja - nije dovoljno definirana. Neki vjeruju da iskustvo sugerira da sve dok je kutija zatvorena, sustav je u oba stanja istovremeno, u superpoziciji stanja "raspadnuta jezgra, mrtva mačka" i "neraspadnuta jezgra, živa mačka", a kada okvir se otvori, tek tada se valna funkcija skuplja na jednu od opcija. Drugi pretpostavljaju da se "promatranje" događa kada čestica iz jezgre pogodi detektor; međutim (a to je ključna točka misaonog eksperimenta) ne postoji jasno pravilo u tumačenju iz Kopenhagena koje kaže kada se to događa, i stoga je ovo tumačenje nepotpuno dok se takvo pravilo ne uvede u njega, ili nije rečeno kako može se uvesti. Točno pravilo je sljedeće: slučajnost se pojavljuje na mjestu gdje se prvi put koristi klasična aproksimacija.

Dakle, možemo se osloniti na sljedeći pristup: ne promatramo kvantne fenomene u makroskopskim sustavima (osim fenomena superfluidnosti i supravodljivosti); pa ako superponiramo makroskopsku valnu funkciju na kvantno stanje, moramo iz iskustva zaključiti da se superpozicija urušava. I premda nije sasvim jasno što uopće znači da je nešto "makroskopsko", za mačku se pouzdano zna da je makroskopski objekt. Dakle, kopenhagenska interpretacija ne smatra da je mačka u stanju miješanja između živih i mrtvih prije nego što se kutija otvori.

U "višesvjetskoj interpretaciji" kvantne mehanike, koja proces mjerenja ne smatra nečim posebnim, oba stanja mačke postoje, ali dekoheriraju, tj. događa se proces u kojem kvantno mehanički sustav stupa u interakciju sa okoliš te stječe informacije dostupne u okolini ili se na drugi način "zapliće" s okolinom. I kada promatrač otvori kutiju, on se zaplete s mačkom, i iz toga se formiraju dva stanja promatrača, koja odgovaraju živoj i mrtvoj mački, a ta stanja ne djeluju jedno na drugo. Isti mehanizam kvantne dekoherencije također je važan za "zajedničke" povijesti. U ovom tumačenju samo "mrtva mačka" ili "živa mačka" mogu biti u "zajedničkoj povijesti".

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

Paradoks "Wignerovog prijatelja"

Paradoks Wignerovog prijatelja je komplicirani 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 "jezgra se nije raspala, mačka je živa". Tako je u laboratoriju mačka prepoznata kao živa. Izvan laboratorija je "prijatelj". Prijatelj još ne zna je li mačka živa ili mrtva. Prijatelj prepoznaje mačku kao živu tek kada ga eksperimentator obavijesti o ishodu eksperimenta. Ali svi ostali "prijatelji" mačku još nisu prepoznali kao živu, a prepoznat će je tek kada im se priopći rezultat pokusa. Dakle, mačka se može priznati kao potpuno živa tek kada svi ljudi u svemiru znaju rezultat eksperimenta. Do ove točke, na ljestvici Velikog svemira, mačka ostaje poluživa i polumrtva u isto vrijeme.

Navedeno se primjenjuje u praksi: u kvantnom računalstvu iu kvantnoj kriptografiji. Optički kabel šalje svjetlosni signal koji je u superpoziciji dvaju stanja. Ako se napadači spoje na kabel negdje u sredini i tamo naprave signalnu slavinu kako bi prisluškivali odaslane informacije, tada će to urušiti valnu funkciju (sa stajališta kopenhaške interpretacije, promatrat će se) i svjetlo će prijeći u jedno od stanja. Provođenjem statističkih testova svjetlosti na prijemnom kraju kabela, moći će se saznati je li svjetlost u superpoziciji stanja ili je već opažena i prenesena na drugu točku. To omogućuje stvaranje sredstava komunikacije koja isključuju neprimjetno presretanje signala i prisluškivanje.

Eksperiment (koji se u načelu može izvesti, iako još nisu stvoreni radni sustavi kvantne kriptografije koji bi mogli prenijeti velike količine informacija) također pokazuje da "promatranje" u kopenhaškoj interpretaciji nema nikakve veze s umom promatrača, već s umom promatrača. budući da u ovom slučaju promjena statistike do kraja kabela dovodi do potpuno neživog ogranka žice.

A u kvantnom računalstvu, stanje "Schrödingerove mačke" je posebno isprepleteno stanje kubita, u kojem su svi u istoj superpoziciji svih nula ili jedinica.

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

U stvarnosti! Mali brat "Schrödingerove mačke"

Prošlo je 75 godina otkako se pojavila "Schrödingerova mačka", ali još uvijek se čini da su neke od posljedica kvantne fizike u suprotnosti s našim uobičajenim predodžbama o materiji i njezinim svojstvima. Prema zakonima kvantne mehanike, trebalo bi biti moguće stvoriti takvo stanje "mačke" kada je i živa i mrtva, tj. bit će u stanju kvantne superpozicije dvaju stanja. Međutim, u praksi, stvaranje kvantne superpozicije takvih veliki broj atomi još nisu mogući. Poteškoća je u tome što je više atoma u superpoziciji, ovo stanje je manje stabilno, jer vanjski utjecaji nastojte ga uništiti.

Fizičari sa Sveučilišta u Beču (objava u časopisu Nature Communications”, 2011.) prvi put u svijetu uspio pokazati kvantno ponašanje organske molekule koja se sastoji od 430 atoma i nalazi se u stanju kvantne superpozicije. Molekula koju su dobili eksperimentatori više je nalik hobotnici. Veličina molekula je reda veličine 60 angstrema, a de Broglie valna duljina za molekulu bila je samo 1 pikometar. Takva "molekularna hobotnica" uspjela je pokazati svojstva svojstvena Schrödingerovoj mački.

kvantno samoubojstvo

Kvantno samoubojstvo je misaoni eksperiment u kvantnoj mehanici koji su neovisno predložili G. Moravec i B. Marshal, a 1998. ga je proširio kozmolog Max Tegmark. Ovaj misaoni eksperiment, kao modifikacija misaonog eksperimenta sa Schrödingerovom mačkom, jasno pokazuje razliku između dviju interpretacija kvantne mehanike: Kopenhagenske interpretacije i Everettove interpretacije mnogih svjetova.

Zapravo, eksperiment je eksperiment sa Schrödingerovom mačkom s mačjeg gledišta.

U predloženom eksperimentu, pištolj je uperen u sudionika, koji puca ili ne puca, ovisno o raspadu bilo kojeg radioaktivnog atoma. Vjerojatnost da će kao rezultat eksperimenta pištolj opaliti i sudionik umrijeti je 50%. Ako je tumačenje iz Kopenhagena točno, tada će pištolj na kraju opaliti i natjecatelj će umrijeti.
Ako je Everettova interpretacija mnogih svjetova točna, tada se kao rezultat svakog eksperimenta svemir dijeli na dva svemira, u jednom od kojih sudionik ostaje živ, a u drugom umire. U svjetovima u kojima sudionik umre, oni prestaju postojati. Nasuprot tome, sa stajališta sudionika koji nije preminuo, eksperiment će se nastaviti bez ishoda u nestanku sudionika. To je zato što, u bilo kojoj grani, sudionik može samo promatrati rezultat eksperimenta u svijetu u kojem preživljava. A ako je interpretacija više svjetova točna, tada bi sudionik mogao primijetiti da nikada neće umrijeti tijekom eksperimenta.

Sudionik nikada neće moći govoriti o ovim rezultatima, budući da će sa stajališta vanjskog promatrača vjerojatnost ishoda eksperimenta biti ista u tumačenju mnogih svjetova iu Kopenhagenu.

kvantna besmrtnost

Kvantna besmrtnost je misaoni eksperiment koji proizlazi iz misaonog eksperimenta o kvantnom samoubojstvu, koji tvrdi da su, prema tumačenju kvantne mehanike s više svjetova, bića sa sposobnošću samosvjesnosti besmrtna.

Zamislite da sudionik eksperimenta detonira nuklearnu bombu u svojoj blizini. U gotovo svim paralelnim svemirima, nuklearna eksplozija će uništiti sudionika. No, unatoč tome, trebao bi postojati mali skup alternativnih svemira u kojima sudionik nekako preživi (odnosno svemira u kojima je moguć razvoj scenarija potencijalnog spašavanja). Ideja kvantne besmrtnosti je da sudionik ostaje živ, i stoga je u stanju percipirati okolnu stvarnost, u barem jednom od svemira u skupu, čak i ako je broj takvih svemira iznimno malen u usporedbi s brojem sve moguće svemire. Tako će s vremenom sudionik uvidjeti da može živjeti vječno. Neke paralele s ovim zaključkom mogu se pronaći u konceptu antropičkog načela.

Još jedan primjer proizlazi iz ideje o kvantnom samoubojstvu. U ovom misaonom eksperimentu, sudionik uperi pištolj u sebe, koji može, ali i ne mora opaliti, ovisno o rezultatu raspada bilo kojeg radioaktivnog atoma. Vjerojatnost da će kao rezultat eksperimenta pištolj opaliti i sudionik umrijeti je 50%. Ako je tumačenje iz Kopenhagena točno, tada će pištolj na kraju opaliti i natjecatelj će umrijeti.

Ako je Everettova interpretacija mnogih svjetova točna, tada se kao rezultat svakog eksperimenta svemir dijeli na dva svemira, u jednom od kojih sudionik ostaje živ, a u drugom umire. U svjetovima u kojima sudionik umre, oni prestaju postojati. Naprotiv, sa stajališta ne-mrtvog sudionika, eksperiment će se nastaviti bez da dovede do nestanka sudionika, budući da će se nakon svakog podjele svemira on moći ostvariti samo u onim svemirima u kojima je preživio. Dakle, ako je Everettova interpretacija mnogih svjetova točna, tada sudionik može primijetiti da nikada neće umrijeti tijekom eksperimenta, čime "dokazuje" svoju besmrtnost, barem sa svoje točke gledišta.

Pristaše kvantne besmrtnosti ističu da ova teorija ne proturječi nijednom poznatom zakonu fizike (ovo je stajalište daleko od jednoglasnog prihvaćanja u znanstvenom svijetu). Svoje obrazloženje temelje na sljedeće dvije kontroverzne pretpostavke:
- Everettova interpretacija mnogih svjetova je točna, ali ne i kopenhagenska, budući da potonja negira postojanje paralelnih svemira;
- svi mogući scenariji u kojima sudionik može umrijeti tijekom eksperimenta sadrže barem mali podskup scenarija u kojima sudionik preživi.

Mogući argument protiv teorije kvantne besmrtnosti bio bi taj da druga pretpostavka ne proizlazi nužno iz Everettove interpretacije mnogih svjetova i može biti u sukobu sa zakonima fizike za koje se smatra da se primjenjuju na sve moguće stvarnosti. Tumačenje kvantne fizike o mnogim svjetovima ne znači 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 je drugi zakon termodinamike istinit za sve moguće svemire. To znači da teoretski postojanje ovog zakona sprječava formiranje paralelnih svemira gdje bi on bio prekršen. Posljedica toga može biti postizanje, sa stajališta eksperimentatora, takvog stanja stvarnosti u kojem njegov daljnji opstanak postaje nemoguć, jer bi to zahtijevalo kršenje zakona fizike, koji, prema pretpostavci, ranije, vrijedi za sve moguće stvarnosti.

Na primjer, u eksploziji nuklearna bomba gore opisano, dovoljno je teško opisati vjerojatan scenarij koji ne krši osnovne biološke principe u kojem će sudionik ostati živ. Žive stanice jednostavno ne mogu postojati na temperaturama koje se postižu u središtu nuklearna eksplozija. Da bi teorija o kvantnoj besmrtnosti ostala valjana, potrebno je ili da se dogodi zatajenje paljenja (a time ne i nuklearna eksplozija), ili da se dogodi neki događaj koji bi se temeljio na još neotkrivenim ili nedokazanim zakonima fizike. Drugi argument protiv teorije o kojoj se raspravlja je prisutnost prirodne biološke smrti u svim bićima, koja se ne može izbjeći ni u jednom od paralelnih svemira (barem u ovoj fazi razvoja znanosti).

S druge strane, drugi zakon termodinamike je statistički zakon, a pojava fluktuacija ničemu ne proturječi (primjerice, pojava područja s uvjetima pogodnim za život promatrača u svemiru koji je općenito dosegao stanje toplinske smrti; ili, u načelu, moguće kretanje svih čestica koje proizlaze iz nuklearne eksplozije, tako da će svaka od njih proletjeti pokraj 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 pobiti na temelju probabilističkih razmatranja. Za svaki živi organizam u određenom trenutku vremena postoji vjerojatnost koja nije nula da će ostati živ sljedeću sekundu. Dakle, vjerojatnost da će ostati na životu sljedećih milijardu godina također je različita od nule (jer je proizvod velikog broja faktora koji nisu nula), iako je vrlo mala.

Ono što je problematično u vezi s idejom kvantne besmrtnosti je to što će, prema njoj, samosvjesno biće biti "prisiljeno" iskusiti krajnje malo vjerojatne događaje koji će se dogoditi u situacijama u kojima bi se činilo da sudionik umire. Iako u mnogim paralelnim svemirima sudionik umre, nekoliko svemira koje sudionik može subjektivno percipirati razvit će se prema krajnje nevjerojatnom scenariju. To pak može na neki način uzrokovati kršenje načela uzročnosti, čija priroda u kvantnoj fizici još nije dovoljno jasna.

Iako ideja o kvantnoj besmrtnosti u velikoj mjeri proizlazi iz eksperimenta "kvantnog samoubojstva", Tegmark tvrdi da pod bilo kojim normalnim uvjetima svako misleće biće prije smrti prolazi kroz fazu (od nekoliko sekundi do nekoliko godina) smanjenja razine samosvijesti, što nema veze s kvantnom mehanikom, te ne postoji mogućnost da sudionik nastavi egzistenciju prelazeći iz jednog svijeta u drugi, omogućujući mu preživljavanje.

Ovdje racionalni promatrač koji je svjestan sebe samo u relativno malom broju mogućih stanja u kojima zadržava samosvijest i dalje ostaje u, tako reći, “zdravom tijelu”. Mogućnost da promatrač, pošto je zadržao svijest, ostane obogaljen, mnogo je veća nego da ostane neozlijeđen. Bilo koji sustav (uključujući i živi organizam) ima mnogo više mogućnosti da neispravno funkcionira nego da ostane u njemu savršen oblik. Boltzmannova ergodička hipoteza zahtijeva da besmrtni promatrač prije ili kasnije prođe kroz sva stanja kompatibilna s očuvanjem svijesti, uključujući i ona u kojima će osjećati nepodnošljivu patnju – a takvih će stanja biti puno više nego stanja optimalnog funkcioniranja organizma. . Prema tome, prema filozofu Davidu Lewisu, trebali bismo se nadati da je tumačenje mnogih svjetova pogrešno.