Kvantumfizika Schrödinger macskája. Schrödinger macskája: a lényeg egyszerű szavakkal

Lehet-e egy macska élő és halott egyszerre? Hány párhuzamos univerzum van? És egyáltalán léteznek? Ezek egyáltalán nem a fantázia birodalmából származó kérdések, hanem a kvantumfizika által megoldott egészen valóságos tudományos problémák.

Kezdjük tehát azzal Schrödinger macskája. Ez egy Erwin Schrödinger által javasolt gondolatkísérlet, hogy rámutasson egy, a kvantumfizikában létező paradoxonra. A kísérlet lényege a következő.

Egy képzeletbeli macska egyszerre kerül egy zárt dobozba, valamint ugyanaz a képzeletbeli mechanizmus radioaktív maggal és egy mérgező gázt tartalmazó tartály. A kísérlet szerint, ha a mag szétesik, az mozgásba hozza a mechanizmust: kinyílik a gáztartály, és a macska meghal. A nukleáris bomlás valószínűsége 1-2.

A paradoxon abban rejlik, hogy a kvantummechanika szerint, ha a magot nem figyeljük meg, akkor a macska úgynevezett szuperpozícióban van, vagyis a macska egyszerre van egymást kizáró állapotokban (egyszerre él és halott). ). Ha azonban a megfigyelő kinyitja a dobozt, biztos lehet benne, hogy a macska egy bizonyos állapotban van: vagy él, vagy hal. Schrödinger szerint a kvantumelmélet hiányossága abban rejlik, hogy nem határozza meg, hogy a macska milyen feltételek mellett szűnik meg szuperpozícióban lenni, és kiderül, hogy élő vagy halott.

Ezt a paradoxont ​​fokozza Wigner kísérlete, amely a barátok kategóriáját adja a már meglévő gondolatkísérlethez. Wigner szerint, amikor a kísérletvezető kinyitja a dobozt, tudni fogja, hogy a macska él-e vagy halott. A kísérletező számára a macska megszűnik szuperpozícióban lenni, de az ajtón kívül lévő barát számára, aki még nem tud a kísérlet eredményéről, a macska még mindig valahol "élet és halál között" van. Ezt végtelen számú ajtóval és baráttal lehet folytatni, és hasonló logika szerint a macska addig lesz szuperpozícióban, amíg az univerzumban minden ember meg nem tudja, mit látott a kísérletező, amikor kinyitotta a dobozt.

Hogyan magyarázza meg a kvantumfizika ezt a paradoxont? A kvantumfizika gondolatkísérletet javasol kvantum öngyilkosságés kettő lehetséges opciók események fejlesztése a kvantummechanika különböző értelmezései alapján.

Egy gondolatkísérlet során egy fegyvert irányítanak a résztvevőre, amely vagy elsül a radioaktív atom bomlása következtében, vagy nem. Ismét 50-50. Így a kísérlet résztvevője vagy meghal, vagy nem, de mostanra, akárcsak Schrödinger macskája, szuperpozícióban van.

Ez a helyzet a kvantummechanika szemszögéből többféleképpen értelmezhető. A koppenhágai értelmezés szerint előbb-utóbb elsül a fegyver, és a résztvevő meghal. Everett értelmezése szerint a szuperpozíció két párhuzamos univerzum létezését biztosítja, amelyekben a résztvevő egyidejűleg létezik: az egyikben él (nem sütött el a fegyver), a másikban halott (elsült a fegyver). Ha azonban a sokvilág értelmezése helyes, akkor az egyik univerzumban a résztvevő mindig életben marad, ami a "kvantum halhatatlanság" létezésének gondolatához vezet.

Ami pedig Schrödinger macskáját és a kísérlet megfigyelőjét illeti, akkor Everett értelmezése szerint ő is egyszerre két Univerzumban találja magát a macskával együtt, vagyis "kvantumnyelven", vele "összegabalyodva".

Úgy hangzik, mint egy tudományos-fantasztikus regény története, azonban ez egyike a számos tudományos elméletnek, amelynek helye van a modern fizikában.

Nem mindenki olvas könyveket az emberiség nagyszerű találmányairól. De minden bizonnyal mindenki, aki nézte a "The Big Bang Theory" sorozatot, hallott egy ilyen jelenségről, mint a "Schrödinger macskája". Mivel a kvantummechanikához kapcsolódik, egy műszaki végzettség nélküli ember számára meglehetősen nehéz megérteni a jelentését. Próbáljuk kitalálni, mit jelent a „Schrödinger macskája” fogalma egyszerűen.

Tartalom:

Rövid történelmi háttér

Erwin Schrödinger – híres fizikus, a kvantummechanika elméletének egyik megalkotója. fémjelövé tudományos tevékenység volt az úgynevezett másodlagos. Ritkán volt az első, aki bármit is megvizsgált.

Alapvetően Schrödinger véleményeket írt valaki találmányairól vagy tudományos eredményeiről, kritizálta a szerzőt, vagy továbbfejlesztette mások kutatásait és felfedezéseit. Bár természeténél fogva individualista volt, nem hagyatkozhatott mások ötleteire, gondolataira, amelyeket kutatásaiban alapul vett. Ennek ellenére óriási mértékben hozzájárult a kvantummechanika fejlődéséhez, nagyrészt "Schrödinger macskája" rejtvényének köszönhetően.

Schrödinger tudományos eredményei a következők:

• a hullámmechanika koncepciójának megalkotása (ezért 1933-ban Nobel-díjat kapott);
• bevezette a „leírás objektivitása” kifejezést a tudományos forgalomba - alátámasztotta a tudományos elméletek lehetőségét a kutatás alanya (külső szemlélő) közvetlen részvétele nélkül a környező valóság leírására;
• kidolgozta a relativitáselméletet;
• termodinamikai folyamatokat és Born nemlineáris elektrodinamikáját tanulmányozta;
• kísérleteket tett egy egységes térelmélet létrehozására.

A "Schrödinger macskája" koncepciója

"Shroedinger macskája" – híres rejtvény Schrödinger elmélet, egy osztrák elméleti fizikus által végzett gondolatkísérlet, melynek segítségével sikerült kimutatni a kvantummechanika hiányosságát a mikrorendszerekből a makrorendszerekbe való átmenetben. Ez az egész elmélet a tudósoknak a kvantummechanika vívmányaival kapcsolatos kritikáin alapul.

Mielőtt rátérnénk a kísérlet leírására, meg kell határozni a benne használt alapfogalmakat. A híres jelenség fő posztulátuma azt mondja, hogy amíg senki nem figyeli a rendszert, addig benne van szuperpozíciós pozíció- egyidejűleg két vagy több olyan állapotban, amely kizárja a kölcsönös létezést. Maga Schrödinger a következő definíciót adta a szuperpozíciónak - ez egy kvantumképesség (egy elektron, egy foton és egy atom magja lehet kvantum szerepében), hogy egyszerre több állapotban vagy több térpontban legyen. , miközben senki sem figyeli a rendszert. A kvantum a mikrokörnyezet mikroszkopikus objektuma.

A kísérlet leírása

Az eredeti cikk, amelyben Schrödinger elmagyarázza kísérletét, 1935-ben jelent meg. A kísérlet leírására az összehasonlítás, sőt a megszemélyesítés módszerét alkalmazták.

Nagyon nehéz megérteni, hogy Schrödinger pontosan mire gondolt a cikk tanulmányozásakor. Megpróbálom egyszerű szavakkal leírni a kísérlet lényegét.

A macskát egy radioaktív atommagot tartalmazó dobozba tesszük, és egy mérgező gázzal töltött tartályba. A kísérletet pontosan kiválasztott paraméterekkel végezzük az atommag bomlásának valószínűségére - 50% 1 óra alatt. Amikor a mag elbomlik, gáz szivárog a tartályból, ami a macska halálához vezet. Ha ez nem történik meg, semmi sem történik a macskával, él és egészséges.

Eltelik egy óra, és választ szeretnénk kapni arra a kérdésre: meghalt vagy életben maradt a macska? Schrödinger fejlett elmélete szerint az atommag, akárcsak a macska, egy dobozban egyszerre több állapotban van (a szuperpozíció definíciója). A doboz kinyitásának pillanatáig a mikrorendszer, amelyben az atommag és a macska található, 50%-os valószínűséggel "a mag elbomlott, a macska meghalt" állapotú. Valószínűleg az az állapot, hogy "a mag nem bomlott, a macska él". Ez megerősíti azt a hipotézist, hogy a dobozban ülő macska egyszerre él és halott, vagyis egyszerre több állapotban van. Kiderül, hogy a dobozban ülő macska egyszerre él és hal.

beszél egyszerű nyelv, A Schrödinger-macska jelenség megmagyarázza a tény lehetőségét hogy a kvantummechanika szempontjából a macska egyszerre él és hal ami a valóságban lehetetlen. Ennek alapján megállapíthatjuk, hogy a kvantummechanika elméletében jelentős hibák vannak.

Ha nem figyeli meg az atommagot egy mikrorendszerben, akkor két állapot keveredik - egy bomlott és nem bomlott mag. A doboz kinyitásakor a kísérletvezető csak egy adott állapotot figyelhet meg. Mivel a macska az atommagot képviseli, az is csak egy állapotban lesz – akár él, akár halott.

A paradoxon feloldása – a koppenhágai értelmezés

Koppenhágai tudósok megfejtették Schrödinger macskájának rejtvényét. A modern koppenhágai értelmezés szerint a macska él/halott, közbenső állapotok nélkül, mert a mag nem vagy nem bomlik le, amikor a dobozt kinyitják, hanem még korábban, amikor a mag a detektorba kerül. Ennek magyarázata a következő: a "macskadetektor-mag" mikrorendszer hullámfüggvényének redukciója nem a dobozt megfigyelő személlyel, hanem a mag detektor-megfigyelőjével áll kapcsolatban.

A Schrödinger macskája jelenségének ez az értelmezése tagadja annak lehetőségét, hogy a macska szuperpozíciós állapotban legyen a doboz kinyitása előtt – egyszerre élő/döglött macska állapotában. A macska egy makrorendszerben mindig csak egy állapotban van.

Fontos! Schrödinger kísérlete kimutatta, hogy egy mikroobjektum és egy makroobjektum különböző törvények szerint viselkedik a rendszerekben – a kvantumfizika törvényei, illetve a klasszikus értelemben vett fizika törvényei szerint.

De nincs olyan tudomány, amely a makrorendszerből a mikrorendszerbe való átmenet alatti jelenségeket tanulmányozná. Erwin Schrödingert fellelkesítette az ötlet, hogy egy ilyen kísérletet éppen az általános fizikaelmélet gyengeségének és hiányosságának bizonyítása céljából hajtsanak végre. Legmélyebb vágya az volt, hogy konkrét tapasztalatokkal bebizonyítsa, minden tudomány teljesíti a maga feladatát: a klasszikus fizika a makroobjektumokat, a kvantumfizika a mikroobjektumokat vizsgálja. Tudományos ismeretek fejlesztésére van szükség ahhoz, hogy leírhassuk a rendszerekben a nagy tárgyaktól a kicsikké való mozgás folyamatát.

Egy egyszerű laikusnak nagyon nehéz azonnal megérteni ennek a paradoxonnak a lényegét. Valójában minden ember elméjében ott van az a meggyőződés, hogy az anyagi világ bármely tárgya benne van Ebben a pillanatban az idő csak egy ponton lehet.

De Schrödinger elmélete csak mikroobjektumokra alkalmazható, míg a macska a makrokozmosz tárgya.

A Schrödinger-macska paradoxon legújabb értelmezése a The Big Bang Theory-ban való felhasználás, amelyben főszereplő Sheldon Cooper elmagyarázta a lényegét a kevésbé iskolázott Pennynek. Cooper ezt a jelenséget az emberi kapcsolatok birodalmába hozta. Annak megértéséhez, hogy az ellenkező nemű emberek közötti kapcsolatok jók vagy rosszak, csak ki kell nyitnia a dobozt. És idáig minden kapcsolat jó és rossz is.

A közelmúltban megjelent a jól ismert tudományos portálon "PostNauka" Emil Akhmedov szerzőjének cikke a híres paradoxon okairól, valamint arról, hogy mi nem az.

Emil Akhmedov fizikus a valószínűségi értelmezésről, a zárt kvantumrendszerekről és a paradox megfogalmazásról.

Véleményem szerint a kvantummechanika legnehezebb része mind pszichológiailag, mind filozófiailag, mind sok más vonatkozásban a valószínűségi értelmezése. Sokan vitatkoztak a valószínűségi értelmezés mellett. Például Einstein, Podolskyval és Rosennel együtt olyan paradoxonnal állt elő, amely megcáfolja a valószínűségi értelmezést.

Rajtuk kívül Schrödinger a kvantummechanika valószínűségi értelmezésével is érvelt. A kvantummechanika valószínűségi értelmezésének logikai ellentmondásaként Schrödinger előállt az úgynevezett Schrödinger-macska paradoxonnal. Többféleképpen is megfogalmazható, például: tegyük fel, hogy van egy doboz, amelyben egy macska ül, és ehhez a dobozhoz csatlakozik egy palack halálos gáz. Ennek a palacknak ​​a halálos gázt beengedő vagy nem engedő kapcsolójához valamilyen eszköz van csatlakoztatva, ami a következőképpen működik: van egy polarizáló üveg, és ha egy áthaladó foton a szükséges polarizációjú, akkor a henger bekapcsol, a gáz áramlik a macskához; ha a foton nem megfelelő polarizációjú, akkor a ballon nem kapcsol be, a kulcs nem kapcsol be, a ballon nem enged gázt a macskába.

Tegyük fel, hogy egy foton cirkulárisan polarizált, és az eszköz lineáris polarizációra reagál. Lehet, hogy nem egyértelmű, de nem is nagyon fontos. Bizonyos valószínűséggel a foton egy módon polarizálódik, bizonyos valószínűséggel - egy másik módon. Schrodinger azt mondta: egy olyan helyzet alakul ki, hogy egy ponton, amíg fel nem nyitjuk a fedelet, és megnézzük, hogy a macska halott-e vagy él-e (és a rendszer zárva van), a macska bizonyos valószínűséggel életben lesz, és bizonyos esetekben halott lesz. valószínűség. Lehet, hogy véletlenül megfogalmazok egy paradoxont, de az eredmény egy furcsa helyzet, hogy a macska se nem él, se nem halt meg. Így fogalmazódik meg a paradoxon.

Véleményem szerint ennek a paradoxonnak teljesen világos és pontos magyarázata van. Talán ez az én személyes álláspontom, de megpróbálom elmagyarázni. A kvantummechanika fő tulajdonsága a következő: ha leírunk egy zárt rendszert, akkor a kvantummechanika nem más, mint a hullámmechanika, a hullámok mechanikája. Ez azt jelenti, hogy differenciálegyenletek írják le, amelyek megoldásai hullámok. Ahol hullámok és differenciálegyenletek vannak, ott vannak mátrixok és így tovább. Ez két egyenértékű leírás: mátrixleírás és hullámleírás. A mátrixleírás Heisenbergé, a hullámleírás Schrödingeré, de ugyanazt a helyzetet írják le.

A lényeg az, hogy amíg a rendszer zárva van, azt egy hullámegyenlet írja le, és ami ezzel a hullámmal történik, azt valamilyen hullámegyenlet írja le. A kvantummechanika teljes valószínűségi értelmezése a rendszer megnyitása után jön létre - kívülről valamilyen nagy klasszikus, azaz nem kvantum objektum hat rá. Az ütközés pillanatában megszűnik ez a hullámegyenlet leírni. Létezik a hullámfüggvény úgynevezett redukciója és valószínűségi értelmezése. A nyitás pillanatáig a rendszer a hullámegyenletnek megfelelően fejlődik.

Most néhány megjegyzést kell tennünk azzal kapcsolatban, hogy miben különbözik egy nagy klasszikus rendszer a kis kvantumrendszertől. Általánosságban elmondható, hogy egy nagy klasszikus rendszer is leírható a hullámegyenlet segítségével, bár ezt a leírást általában nehéz megadni, a valóságban pedig teljesen felesleges. Ezek a rendszerek működésükben matematikailag különböznek egymástól. Az úgynevezett objektum létezik a kvantummechanikában, a térelméletben. Egy klasszikus nagy rendszernél hatalmas a cselekvés, de egy kvantum kis rendszernél kicsi a cselekvés. Sőt, ennek a cselekvésnek a gradiense - ennek a cselekvésnek az időben és térben való változásának sebessége - hatalmas egy nagy klasszikus rendszernél, és kicsi egy kis kvantumrendszernél. Ez a fő különbség a két rendszer között. Tekintettel arra, hogy a művelet nagyon nagy egy klasszikus rendszernél, kényelmesebb, ha nem valamilyen hullámegyenletekkel írjuk le, hanem egyszerűen klasszikus törvényekkel, például Newton törvényével és így tovább. Például emiatt a Hold nem úgy forog a Föld körül, mint egy elektron az atommag körül, hanem egy bizonyos, egyértelműen meghatározott pálya mentén, klasszikus pálya, pálya mentén. Míg az elektron kis kvantumrendszer lévén, az atom belsejében az atommag körül állóhullámként mozog, addig mozgását állóhullám írja le, és ez a különbség a két helyzet között.

A mérés a kvantummechanikában az, amikor egy kis kvantumrendszert befolyásolunk egy nagy klasszikus rendszerrel. Ezt követően a hullámfüggvény redukciója következik be. Véleményem szerint egy léggömb vagy macska jelenléte a Schrödinger-paradoxonban megegyezik egy nagy klasszikus rendszer jelenlétével, amely egy foton polarizációját méri. Ennek megfelelően a mérés nem abban a pillanatban történik, amikor kinyitjuk a doboz fedelét, és megnézzük, hogy a macska él-e vagy meghalt, hanem abban a pillanatban, amikor a foton kölcsönhatásba lép a polarizáló üveggel. Így ebben a pillanatban a fotonhullámfüggvény lecsökken, a ballon teljesen meghatározott állapotban van: vagy kinyílik, vagy nem nyílik, és a macska meghal, vagy nem hal meg. Minden. Nincsenek "valószínűségi macskák", hogy bizonyos valószínűséggel életben van, bizonyos valószínűséggel halott. Amikor azt mondtam, hogy a Schrodinger-féle macskaparadoxonnak sokféle megfogalmazása van, csak annyit mondtam, hogy sok van különböző utak találja ki azt az eszközt, amely megöli vagy életben hagyja a macskát. Valójában a paradoxon megfogalmazása nem változik.

Hallottam más próbálkozásokról, hogy ezt a paradoxont ​​több világgal és így tovább magyarázzák. Véleményem szerint mindezek a magyarázatok nem állják ki a vizsgálatot. Amit ebben a videóban szavakkal magyaráztam, az matematikai formába önthető, és ennek az állításnak a helyessége ellenőrizhető. Még egyszer hangsúlyozom, hogy véleményem szerint egy kis kvantumrendszer hullámfüggvényének mérése és csökkentése egy nagy klasszikus rendszerrel való kölcsönhatás pillanatában történik. Ilyen nagy klasszikus rendszer egy macska, akinek egy eszköze megöli, és nem az, aki kinyit egy dobozt egy macskával, és megnézi, hogy a macska él-e vagy sem. Vagyis a mérés a rendszer kvantumrészecskékkel való kölcsönhatásának pillanatában történik, és nem a macska ellenőrzésének pillanatában. Az ilyen paradoxonok véleményem szerint az elméletek és a józan ész alkalmazása révén találnak magyarázatot.

A kísérlet lényege

Schrödinger eredeti írása a következőképpen írja le a kísérletet:

Olyan eseteket is konstruálhatsz, amelyekben elég a burleszk. Egy bizonyos macska be van zárva egy acélkamrába, a következő pokolgéppel együtt (amelyet védeni kell a macska közvetlen beavatkozásától): a Geiger-számláló belsejében egy kis mennyiségű radioaktív anyag található, olyan kicsi, hogy csak egy atom bomlik le. egy óra alatt, de ugyanolyan valószínűséggel széteshet és nem; ha ez megtörténik, a leolvasócső lemerül, és egy relé aktiválódik, leengedve a kalapácsot, ami eltöri a hidrogén-cianid kúpját. Ha egy órára magára hagyjuk ezt az egész rendszert, akkor azt mondhatjuk, hogy a macska élni fog ennyi idő után, amíg az atom nem bomlik le. Egy atom első bomlása megmérgezte volna a macskát. A rendszer egészének pszi-funkciója ezt úgy fogja kifejezni, hogy önmagában összekeveri vagy az élő és döglött macskát egyenlő arányban keni be (bocsáss meg a kifejezésért). Ilyen esetekben jellemző, hogy az eredetileg az atomi világra korlátozódó bizonytalanság makroszkopikus bizonytalansággá alakul, amely közvetlen megfigyeléssel kiküszöbölhető. Ez megakadályozza, hogy naivan elfogadjuk a „homályos modellt”, mint a valóságot. Ez önmagában nem jelent semmi tisztázatlant vagy ellentmondást. Különbség van a homályos vagy életlen fénykép és a felhős vagy ködös felvétel között. A kvantummechanika szerint, ha az atommagot nem figyeljük meg, akkor annak állapotát két állapot - egy elpusztult és egy el nem bomlott mag - szuperpozíciója (keveredése) írja le, ezért a dobozban ülő macska él és halott is. Ugyanakkor. Ha a dobozt kinyitják, akkor a kísérletező csak egy meghatározott állapotot láthat - "a mag szétesett, a macska meghalt" vagy "a mag nem bomlott fel, a macska él". A kérdés a következő: mikor szűnik meg egy rendszer két állapot keverékeként, és választ egy konkrétat? A kísérlet célja annak bemutatása, hogy a kvantummechanika nem teljes bizonyos szabályok nélkül, amelyek meghatározzák, hogy a hullámfüggvény milyen körülmények között omlik össze, és a macska vagy meghal, vagy életben marad, de megszűnik a kettő keveréke lenni.

Mivel egyértelmű, hogy a macskának szükségszerűen élőnek vagy halottnak kell lennie (nincs olyan állapot, amely egyesíti az életet és a halált), ez az atommag esetében is így lesz. Szükségszerűen vagy romlottnak vagy romlatlannak kell lennie.

Az eredeti cikk 1935-ben jelent meg. A cikk célja az Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) paradoxon megvitatása volt, amelyet Einstein, Podolsky és Rosen adott ki az év elején.

Enciklopédiai YouTube

• 1 / 5

  Valójában Hawking és sok más fizikus azon a véleményen van, hogy a kvantummechanika értelmezésének „koppenhágai iskolája” indokolatlanul hangsúlyozza a megfigyelő szerepét. A fizikusok között ebben a kérdésben még nem sikerült végleges egységet elérni.

  A világok párhuzamosítása minden időpillanatban egy valódi nem-determinisztikus automatának felel meg, ellentétben a valószínűségi automatával, amikor minden lépésben kiválasztják a lehetséges utak egyikét, azok valószínűségétől függően.

  Wigner paradoxona

  Ez a Schrödinger-kísérlet bonyolult változata. Eugene Wigner bevezette a "barátok" kategóriát. A kísérlet befejezése után a kísérletvezető kinyitja a dobozt, és egy élő macskát lát. A macska állapotvektora a doboz kinyitásának pillanatában „a mag nem bomlott fel, a macska él” állapotba kerül. Így a laboratóriumban a macskát élőnek ismerték fel. A laboratóriumon kívül van barátja. Barát még nem tudja, hogy a macska él-e vagy halott. Barát csak akkor ismeri fel a macskát élőnek, ha a kísérletvezető tájékoztatja őt a kísérlet eredményéről. De mindenki más barátok a macskát még nem ismerték fel élőnek, és csak akkor fogják felismerni, ha tájékoztatják őket a kísérlet eredményéről. Így egy macska csak akkor tekinthető teljesen élőnek (vagy teljesen halottnak), ha az univerzumban minden ember ismeri a kísérlet eredményét. A skála idáig Nagy Univerzum a macska Wigner szerint egyszerre marad élő és halott.

  Gyakorlati használat

  A fentieket a gyakorlatban alkalmazzák: a kvantum számítástechnikában és a kvantum  titkosításban. Az optikai kábel fényjelet továbbít, amely két állapot szuperpozíciójában van. Ha a támadók valahol középen csatlakoznak a kábelhez, és ott egy jel lecsapást végeznek, hogy lehallgatják a továbbított információt, akkor ez összeomlik a hullámfüggvény (koppenhágai értelmezés szempontjából megfigyelés történik) és a fény az egyik állapotba kerül. A kábel fogadó végén a fény statisztikai vizsgálata után megtudhatja, hogy a fény állapotok szuperpozíciójában van-e, vagy már megfigyelték és egy másik pontra továbbították. Ez lehetővé teszi olyan kommunikációs eszközök létrehozását, amelyek kizárják az észrevehetetlen jellehallgatást és a lehallgatást.

  A kísérlet (amely elvileg elvégezhető, bár nagy mennyiségű információ továbbítására képes működő kvantumkriptográfiai rendszereket még nem hoztak létre) azt is megmutatja, hogy a koppenhágai értelmezésben a „megfigyelésnek” semmi köze a megfigyelő elméjéhez, mivel ebben az esetben a statisztika változása a kábel végére a vezeték teljesen élettelen ágához vezet.

  "Bárki, akit nem döbbent meg a kvantumelmélet, nem érti” – mondta Niels Bohr, a kvantumelmélet megalapítója.
  A klasszikus fizika alapja - a világ egyértelmű programozása, egyébként a laplaci determinizmus, a kvantummechanika megjelenésével a bizonytalanságok és a valószínűségi események világába való behatolás váltotta fel. És itt egyébként kiderült, hogy a gondolatkísérletek elméleti fizikusoknak készültek. Ezek próbakövek voltak, amelyeken a legújabb ötleteket tesztelték.

  Schrödinger macskája egy gondolatkísérlet, amelyet Erwin Schrödinger javasolt, amellyel a kvantummechanika hiányosságát kívánta bemutatni a szubatomi rendszerekről a makroszkopikus rendszerekre való átmenetben.

  Egy macskát egy zárt dobozba helyeznek. A doboz egy radioaktív magot és egy mérgező gázt tartalmazó tartályt tartalmaz. Annak a valószínűsége, hogy az atommag 1 óra alatt elbomlik, 1/2. Ha a mag szétesik, mozgásba hozza a mechanizmust, kinyitja a gáztartályt, és a macska meghal. A kvantummechanika szerint, ha az atommagot nem figyeljük meg, akkor annak állapotát két állapot - egy elpusztult és egy el nem bomlott mag - szuperpozíciója (keveredése) írja le, ezért a dobozban ülő macska él és halott is. Ugyanakkor. Ha a dobozt kinyitják, akkor a kísérletező csak egy meghatározott állapotot láthat - "a mag szétesett, a macska meghalt" vagy "a mag nem bomlott fel, a macska él".

  

  Mikor szűnik meg a rendszer? mint két állapot összekeverése és egy adott kiválasztása?

  A kísérlet célja- annak bemutatása, hogy a kvantummechanika nem teljes, anélkül, hogy néhány szabály megmondaná, milyen körülmények között omlik össze a hullámfüggvény (egy tárgy kvantumállapotának mérés közbeni pillanatnyi változása), és a macska vagy meghal, vagy életben marad, de megszűnik lenni mindkettő keveréke.

  Mivel egyértelmű, hogy a macskának szükségszerűen élőnek vagy halottnak kell lennie (élet és halál között nincs köztes állapot), ez azt jelenti, hogy ez az atommagra is igaz. Ez szükségszerűen vagy romlott vagy nem bomlott.

  Schrödinger "The Current Situation in Quantum Mechanics" című cikke, amely egy macskával végzett gondolatkísérletet mutat be, 1935-ben jelent meg a német Natural Sciences folyóiratban, hogy az EPR paradoxont ​​tárgyalja.

  Einstein-Podolsky-Rosen és Schrödinger írásai felvázolták a "kvantumösszefonódás" furcsa természetét (a Schrödinger által bevezetett kifejezést), amely azokra a kvantumállapotokra jellemző, amelyek két rendszer (például két szubatomi részecske) állapotának szuperpozíciói. ).

  A kvantummechanika értelmezései

  A kvantummechanika létezése során a tudósok különféle értelmezéseket terjesztettek elő, de ma a leginkább támogatott „Koppenhága” és a „sok világ”.

  "Koppenhágai értelmezés"- a kvantummechanikának ezt az értelmezését fogalmazta meg Niels Bohr és Werner Heisenberg közös koppenhágai munkájuk során (1927). A tudósok megpróbálták megválaszolni azokat a kérdéseket, amelyek a kvantummechanikában rejlő korpuszkuláris-hullám dualizmus eredményeként merülnek fel, különös tekintettel a mérés kérdésére.

  A koppenhágai értelmezés szerint a rendszer megszűnik állapotok keveréke lenni, és a megfigyelés pillanatában választ egyet ezek közül. A macskával végzett kísérlet azt mutatja, hogy ebben az értelmezésben éppen ennek a megfigyelésnek a természete – a mérés – nincs kellően meghatározva. Egyesek úgy vélik, hogy a tapasztalat azt sugallja, hogy amíg a doboz zárva van, a rendszer egyszerre van mindkét állapotban, a „bomlott mag, döglött macska” és a „nem bomlott mag, élő macska” állapotok szuperpozíciójában, és amikor a doboz megnyílik, akkor a hullámfüggvény csak ezután esik össze valamelyik opcióval. Mások úgy vélik, hogy a "megfigyelés" akkor következik be, amikor a magból származó részecske eltalálja a detektort; azonban (és ez a gondolatkísérlet kulcspontja) a koppenhágai értelmezésben nincs egyértelmű szabály, amely megmondja, hogy ez mikor történik, és ezért ez az értelmezés hiányos mindaddig, amíg egy ilyen szabályt be nem vezetnek, vagy nem mondják el, hogyan be lehet vezetni. A pontos szabály a következő: a véletlenszerűség azon a ponton jelenik meg, ahol először alkalmazzák a klasszikus közelítést.

  Így a következő megközelítésre támaszkodhatunk: makroszkopikus rendszerekben nem figyelünk meg kvantumjelenségeket (kivéve a szuperfluiditás és a szupravezetés jelenségét); tehát ha egy makroszkopikus hullámfüggvényt szuperponálunk egy kvantumállapotra, akkor tapasztalatból arra a következtetésre kell jutnunk, hogy a szuperpozíció összeomlik. És bár nem teljesen világos, mit jelent általában az, hogy valami "makroszkópos", egy macskáról biztosan tudni, hogy makroszkopikus objektum. Így a koppenhágai értelmezés nem veszi figyelembe, hogy a macska a doboz kinyitása előtt keveredik az élők és a holtak között.

  A "többvilág-értelmezésben" a mérési folyamatot nem valami különlegesnek tekintő kvantummechanikából a macska mindkét állapota létezik, de dekoher, azaz. olyan folyamat megy végbe, amelyben egy kvantummechanikai rendszer kölcsönhatásba lép környezetés megszerzi a környezetben elérhető információkat, vagy más módon "összegabalyodik" a környezettel. És amikor a megfigyelő kinyitja a dobozt, belegabalyodik a macskába, és ebből a megfigyelő két állapota alakul ki, amelyek egy élő és egy döglött macskának felelnek meg, és ezek az állapotok nem lépnek kölcsönhatásba egymással. Ugyanez a kvantumdekoherencia mechanizmus fontos a "közös" történeteknél is. Ebben az értelmezésben csak egy "döglött macska" vagy "élő macska" lehet a "megosztott történelemben".

  

  Más szóval, amikor a dobozt kinyitják, az univerzum két különböző univerzumra szakad, amelyek közül az egyikben a megfigyelő a döglött macskát, a másikban pedig az élő macskát nézi.

  A "Wigner barátja" paradoxona

  Wigner baráti paradoxona a Schrödinger-féle macskaparadoxon bonyolult kísérlete. díjazott Nóbel díj, Eugene Wigner amerikai fizikus bevezette a "barátok" kategóriát. A kísérlet befejezése után a kísérletvezető kinyitja a dobozt, és egy élő macskát lát. A macska állapota a doboz kinyitásának pillanatában "a mag nem bomlott fel, a macska él" állapotba kerül. Így a laboratóriumban a macskát élőnek ismerték fel. A laboron kívül egy "barát". A barát még nem tudja, hogy a macska él-e vagy halott. Egy barát csak akkor ismeri fel a macskát élőnek, ha a kísérletvezető tájékoztatja őt a kísérlet eredményéről. De az összes többi "barát" még nem ismerte fel a macskát élőnek, és csak akkor fogják felismerni, ha tájékoztatják őket a kísérlet eredményéről. Így egy macskát csak akkor lehet teljesen élőnek ismerni, ha az univerzumban minden ember ismeri a kísérlet eredményét. Eddig a pontig a Nagy Univerzum léptékében a macska félig él és félig holt marad.

  A fentieket a gyakorlatban alkalmazzák: a kvantumszámítástechnikában és a kvantumkriptográfiában. Az optikai kábel fényjelet küld, amely két állapot szuperpozíciójában van. Ha a támadók valahol középen csatlakoznak a kábelhez, és ott egy jel lecsapást végeznek, hogy lehallgatják a továbbított információt, akkor ez összeomlik a hullámfüggvény (koppenhágai értelmezés szempontjából megfigyelés történik) és a fény az egyik állapotba kerül. A kábel fogadó végén a fény statisztikai vizsgálata után megtudhatja, hogy a fény állapotok szuperpozíciójában van-e, vagy már megfigyelték és egy másik pontra továbbították. Ez lehetővé teszi olyan kommunikációs eszközök létrehozását, amelyek kizárják az észrevehetetlen jellehallgatást és a lehallgatást.

  A kísérlet (amely elvileg elvégezhető, bár nagy mennyiségű információ továbbítására képes működő kvantumkriptográfiai rendszereket még nem hoztak létre) azt is megmutatja, hogy a koppenhágai értelmezésben a „megfigyelésnek” semmi köze a megfigyelő elméjéhez, mivel ebben az esetben a statisztika változása a kábel végére a vezeték teljesen élettelen ágához vezet.

  A kvantumszámítástechnikában pedig a „Schrödinger macska” állapot a qubitek különleges összefonódott állapota, amelyben mindegyik nullák vagy egyesek ugyanabban a szuperpozíciójában vannak.

  ("Qubit" a legkisebb elem az információ tárolására a kvantumszámítógépben. Két sajátállapotot engedélyez, de lehet azok szuperpozíciójában is. Valahányszor megméri egy qubit állapotát, az véletlenszerűen átvált valamelyik saját állapotába.)

  A valóságban! "Schrödinger macskája" kistestvére

  75 év telt el a "Schrödinger macskája" megjelenése óta, de a kvantumfizika egyes következményei még mindig ellentmondanak az anyagról és annak tulajdonságairól alkotott hétköznapi elképzeléseinknek. A kvantummechanika törvényei szerint a „macska” ilyen állapotát akkor is létre kell hozni, amikor az él és hal, azaz. két állapot kvantum-szuperpozíciójának állapotában lesz. A gyakorlatban azonban az ilyenek kvantum-szuperpozíciójának létrehozása egy nagy szám atomok még nem lehetségesek. A nehézség az, hogy minél több atom van szuperpozícióban, annál kevésbé stabil ez az állapot, hiszen külső hatások törekedjenek elpusztítani.

  Fizikusok a Bécsi Egyetemről (közzététel a folyóiratban Nature Communications”, 2011) a világon először sikerült demonstrálnia egy 430 atomból álló és kvantum-szuperpozíciós állapotban lévő szerves molekula kvantumviselkedését. A kísérletezők által kapott molekula inkább poliphoz hasonlít. A molekulák mérete 60 angström nagyságrendű, és a molekula de Broglie hullámhossza mindössze 1 pikométer volt. Egy ilyen "molekuláris polip" képes volt bemutatni a Schrödinger macskájában rejlő tulajdonságokat.

  kvantum öngyilkosság

  A kvantum-öngyilkosság egy gondolatkísérlet a kvantummechanikában, amelyet egymástól függetlenül G. Moravec és B. Marshal javasolt, és 1998-ban Max Tegmark kozmológus terjesztette ki. Ez a gondolatkísérlet, amely a Schrödinger macskájával végzett gondolatkísérlet módosítása, világosan megmutatja a különbséget a kvantummechanika két értelmezése között: a koppenhágai értelmezés és az Everett-féle sokvilág-értelmezés között.

  Valójában a kísérlet egy kísérlet Schrödinger macskájával a macska szemszögéből.

  A javasolt kísérletben egy fegyvert irányítanak a résztvevőre, amely lő vagy nem lő, attól függően, hogy a radioaktív atom bomlik. Annak a valószínűsége, hogy a kísérlet eredményeként a fegyver elsül, és a résztvevő meghal, 50%. Ha a koppenhágai értelmezés helyes, akkor a fegyver végül elsül, és a versenyző meghal.
  Ha helyes Everett sokvilág-értelmezése, akkor minden kísérlet eredményeként az univerzum két univerzumra szakad, amelyek közül az egyikben a résztvevő életben marad, a másikban pedig meghal. Azokban a világokban, ahol egy résztvevő meghal, megszűnnek létezni. Ezzel szemben a nem elhunyt résztvevő szempontjából a kísérlet folytatódik anélkül, hogy a résztvevő eltűnését eredményezné. Ez azért van így, mert bármely ágban a résztvevő csak abban a világban tudja megfigyelni a kísérlet eredményét, amelyben túlél. És ha a sokvilág értelmezése helyes, akkor a résztvevő észreveheti, hogy soha nem hal meg a kísérlet során.

  Ezekről az eredményekről a résztvevő soha nem fog tudni beszélni, hiszen egy külső szemlélő szemszögéből nézve a kísérlet kimenetelének valószínűsége a sokvilág és a koppenhágai értelmezésben azonos lesz.

  kvantumhalhatatlanság

  A kvantumhalhatatlanság egy gondolatkísérlet, amely a kvantum-öngyilkossági gondolatkísérletből ered, és azt állítja, hogy a kvantummechanika sokvilágra kiterjedő értelmezése szerint az öntudatosságra képes lények halhatatlanok.

  Képzeld el, hogy egy kísérlet résztvevője felrobbant egy atombombát a közelében. Szinte minden párhuzamos univerzumban egy nukleáris robbanás elpusztítja a résztvevőt. De ennek ellenére léteznie kell egy kis alternatív Univerzumnak, amelyben a résztvevő valamilyen módon túléli (vagyis olyan univerzumok, amelyekben lehetséges egy lehetséges mentési forgatókönyv kidolgozása). A kvantumhalhatatlanság gondolata az, hogy a résztvevő életben marad, és így képes érzékelni a környező valóságot legalább az egyik univerzumban a halmazban, még akkor is, ha az ilyen univerzumok száma rendkívül csekély az univerzumok számához képest. minden lehetséges univerzum. Így idővel a résztvevő rájön, hogy örökké élhet. Néhány párhuzamot találhatunk ezzel a következtetéssel az antropikus elv fogalmában.

  Egy másik példa a kvantum-öngyilkosság gondolatából fakad. Ebben a gondolatkísérletben a résztvevő fegyvert mutat maga felé, ami esetleg elsül, vagy nem, attól függően, hogy milyen radioaktív atom bomlásának eredménye. Annak a valószínűsége, hogy a kísérlet eredményeként a fegyver elsül, és a résztvevő meghal, 50%. Ha a koppenhágai értelmezés helyes, akkor a fegyver végül elsül, és a versenyző meghal.

  Ha az Everett sokvilágra vonatkozó értelmezése helyes, akkor minden kísérlet eredményeként az univerzum két univerzumra szakad, amelyek közül az egyikben a résztvevő életben marad, a másikban pedig meghal. Azokban a világokban, ahol egy résztvevő meghal, megszűnnek létezni. Éppen ellenkezőleg, a nem halott résztvevő szemszögéből a kísérlet folytatódik anélkül, hogy a résztvevő eltűnéséhez vezetne, mivel az univerzumok minden felosztása után csak azokban az univerzumokban lesz képes megvalósítani önmagát, ahol túlélte. Így, ha Everett sokvilág-értelmezése helyes, akkor a résztvevő megjegyezheti, hogy soha nem hal meg a kísérlet során, ezzel „bizonyítva” halhatatlanságukat, legalábbis az ő szemszögéből.

  A kvantumhalhatatlanság hívei rámutatnak, hogy ez az elmélet nem mond ellent egyetlen ismert fizikatörvénynek sem (ez az álláspont távolról sem egyöntetű a tudományos világban). Érvelésüket a következő két ellentmondásos feltevésre alapozzák:
  - Everett sokvilág-értelmezése helyes, de nem a koppenhágai értelmezés, mivel ez utóbbi tagadja a párhuzamos univerzumok létezését;
  - minden lehetséges forgatókönyv, amelyben a résztvevő meghalhat a kísérlet során, tartalmaz legalább egy kis részhalmazt a forgatókönyveknek, amelyekben a résztvevő túléli.

  Lehetséges érv a kvantumhalhatatlanság elmélete ellen, hogy a második feltevés nem feltétlenül következik Everett sokvilág-értelmezéséből, és ütközhet a fizika törvényeivel, amelyekről úgy gondolják, hogy minden lehetséges valóságra vonatkoznak. A kvantumfizika sokvilágra kiterjedő értelmezése nem feltétlenül jelenti azt, hogy "bármi lehetséges". Ez csak azt jelzi, hogy egy adott pillanatban az univerzum számos másikra osztható, amelyek mindegyike megfelel a sok lehetséges kimenetel egyikének. Például úgy gondolják, hogy a termodinamika második főtétele minden lehetséges univerzumra igaz. Ez azt jelenti, hogy elméletileg ennek a törvénynek a létezése megakadályozza a párhuzamos univerzumok kialakulását, ahol megsértené. Ennek következménye lehet egy olyan valóságállapot elérése a kísérletező szemszögéből, ahol további túlélése lehetetlenné válik, hiszen ehhez a fizika törvényének megsértésére lenne szükség, ami a korábban megfogalmazott feltevés szerint minden lehetséges valóságra érvényes.

  Például egy robbanásban atombomba A fent leírtak szerint elég nehéz leírni egy olyan elfogadható forgatókönyvet, amely nem sérti az alapvető biológiai elveket, és amelyben a résztvevő életben marad. Az élő sejtek egyszerűen nem létezhetnek a központban elért hőmérsékleten atomrobbanás. Ahhoz, hogy a kvantumhalhatatlanság elmélete érvényben maradjon, szükség van arra, hogy vagy gyújtáskimaradás következzen be (és így nukleáris robbanás ne következzen be), vagy történjen valamilyen esemény, amely a fizika még fel nem fedezett vagy nem bizonyított törvényein alapulna. Egy másik érv a tárgyalt elmélet ellen a természetes biológiai halál jelenléte lehet minden lényben, ami nem kerülhető el egyik párhuzamos Univerzumban sem (legalábbis a tudomány fejlődésének ebben a szakaszában).

  Másrészt a termodinamika második főtétele egy statisztikai törvény, és a fluktuációk előfordulása nem mond ellent semminek (például egy megfigyelő életkörülményeinek megfelelő régió megjelenése egy olyan univerzumban, amely általában elérte a hőhalál állapota; vagy elvileg a nukleáris robbanásból származó összes részecske lehetséges elmozdulása úgy, hogy mindegyik elrepül a megfigyelő mellett), bár ilyen ingadozás az összes lehetséges kimenetelnek csak nagyon kis részében fordul elő. A biológiai halál elkerülhetetlenségére vonatkozó érvelés valószínűségi megfontolások alapján is cáfolható. Egy adott pillanatban minden élő szervezet esetében nem nulla a valószínűsége annak, hogy a következő másodpercig életben marad. Így annak a valószínűsége, hogy életben marad a következő milliárd évben, szintén nem nulla (mert nagyszámú nem nulla tényező szorzata), bár nagyon kicsi.

  A kvantumhalhatatlanság gondolatával az a probléma, hogy eszerint egy öntudatos lény rendkívül valószínűtlen eseményeket „kénytelen” átélni, amelyek olyan helyzetekben fognak bekövetkezni, amelyekben a résztvevő meghalni látszik. Noha sok párhuzamos univerzumban a résztvevő meghal, az a néhány univerzum, amelyet a résztvevő szubjektíven képes észlelni, rendkívül valószínűtlen forgatókönyv szerint alakul ki. Ez pedig valamilyen módon az oksági elv megsértését okozhatja, aminek a természete a kvantumfizikában még nem eléggé tisztázott.

  Bár a kvantumhalhatatlanság gondolata nagyrészt a „kvantum-öngyilkosság” kísérletből ered, Tegmark azzal érvel, hogy normális körülmények között minden gondolkodó lény a halál előtt átesik a szint csökkenésének szakaszán (néhány másodperctől több évig). öntudat, amelynek semmi köze a kvantummechanikához, és nincs lehetőség arra, hogy a résztvevő továbbra is létezzen az egyik világból a másikba való áthaladással, lehetővé téve számára a túlélést.

  Itt egy racionális megfigyelő, aki csak viszonylag kis számú lehetséges állapotban van tudatában öntudatának, továbbra is úgymond „egészséges testben” marad. Sokkal nagyobb az esélye annak, hogy a megfigyelő, miután megőrizte tudatát, nyomorék marad, mintha sértetlen maradna. Bármely rendszernek (beleértve az élő szervezetet is) sokkal több lehetősége van a helytelen működésre, mint a bennmaradásra tökéletes forma. Boltzmann ergodikus hipotézise megköveteli, hogy a halhatatlan szemlélő előbb-utóbb minden, a tudat megőrzésével összeegyeztethető állapoton átessen, beleértve azokat is, amelyekben elviselhetetlen szenvedést fog érezni – és sokkal több ilyen állapot lesz, mint a szervezet optimális működésének állapota. David Lewis filozófus szerint tehát reménykednünk kell, hogy a sokvilág értelmezése téves.