doma psihologija

Kvantna fizika Schrödingerjeva mačka. Schrödingerjeva mačka: bistvo v preprostih besedah

Ali je mačka lahko živa in mrtva hkrati? Koliko vzporednih vesolj obstaja? In ali sploh obstajajo? To sploh niso vprašanja s področja fantazije, ampak čisto resnični znanstveni problemi, ki jih rešuje kvantna fizika.

Torej začnimo z Schrödingerjeva mačka. To je miselni eksperiment, ki ga je predlagal Erwin Schrödinger, da bi opozoril na paradoks, ki obstaja v kvantni fiziki. Bistvo eksperimenta je naslednje.

V zaprto škatlo je hkrati nameščena namišljena mačka, pa tudi isti namišljeni mehanizem z radioaktivnim jedrom in posoda s strupenim plinom. V skladu s poskusom, če jedro razpade, bo to sprožilo mehanizem: plinska posoda se bo odprla in mačka bo umrla. Verjetnost razpada jedra je 1 proti 2.

Paradoks je v tem, da je po kvantni mehaniki, če jedra ne opazimo, je mačka v tako imenovani superpoziciji, z drugimi besedami, mačka je hkrati v medsebojno izključujočih se stanjih (je živa in mrtva). ). Če pa opazovalec odpre škatlo, je lahko prepričan, da je mačka v določenem stanju: ali je živa ali mrtva. Po Schrödingerju je nepopolnost kvantne teorije v tem, da ne določa, pod kakšnimi pogoji mačka preneha biti v superpoziciji in se izkaže, da je živa ali mrtva.

Ta paradoks še poslabša Wignerjev eksperiment, ki že obstoječemu miselnemu eksperimentu doda kategorijo prijateljev. Kot pravi Wigner, bo eksperimentator, ko odpre škatlo, vedel, ali je mačka živa ali mrtva. Za eksperimentatorja mačka preneha biti v superpoziciji, za prijatelja, ki je pred vrati in ki še ne pozna rezultatov eksperimenta, je mačka še vedno nekje »med življenjem in smrtjo«. To je mogoče nadaljevati z neskončnim številom vrat in prijateljev, po podobni logiki pa bo mačka v superpoziciji, dokler vsi ljudje v vesolju ne bodo vedeli, kaj je eksperimentator videl, ko je odprl škatlo.

Kako kvantna fizika pojasnjuje takšen paradoks? Kvantna fizika predlaga miselni eksperiment kvantni samomor in dva možne možnosti razvoj dogodkov na podlagi različnih interpretacij kvantne mehanike.

Med miselnim eksperimentom je na udeleženca uperjena pištola, ki bo bodisi streljala zaradi razpada radioaktivnega atoma, bodisi ne. Spet 50 proti 50. Tako bo udeleženec poskusa ali umrl ali pa ne, a je zaenkrat tako kot Schrödingerjev maček v superpoziciji.

To situacijo je mogoče z vidika kvantne mehanike razlagati na različne načine. Po københavnski razlagi bo slej ko prej pištola sprožila in udeleženec bo umrl. Po Everettovi interpretaciji superpozicija predvideva obstoj dveh vzporednih vesolj, v katerih udeleženec hkrati obstaja: v enem od njih je živ (puška ni streljala), v drugem je mrtev (puška je sprožila). Če pa je interpretacija več svetov pravilna, potem v enem od vesolj udeleženec vedno ostane živ, kar vodi do ideje o obstoju "kvantne nesmrtnosti".

Kar se tiče Schrödingerjeve mačke in opazovalca eksperimenta, se po Everettovi interpretaciji tudi sam znajde skupaj z mačko v dveh vesoljih hkrati, torej v »kvantnem jeziku«, »zapleten« z njim.

Sliši se kot zgodba iz znanstvenofantastičnega romana, vendar je to ena od mnogih znanstvenih teorij, ki imajo svoje mesto v sodobni fiziki.

Vsi ne berejo knjig o velikih izumih človeštva. Zagotovo pa so vsi, ki so gledali TV serijo "Teorija velikega poka", slišali za takšen pojav, kot je "Schrödingerjeva mačka". Ker je povezana s kvantno mehaniko, je človeku brez tehnične izobrazbe precej težko razumeti njen pomen. Poskusimo ugotoviti, kaj pomeni pojem "Schrödingerjeva mačka". preprosto povedano.

Vsebina:

Kratko zgodovinsko ozadje

Erwin Schrödinger – slavni fizik, eden od ustvarjalcev teorije kvantne mehanike. zaščitni znak njegovega znanstvena dejavnost je bil tako imenovani sekundarni. Redko je bil prvi, ki je kaj raziskal.

V bistvu je Schrödinger pisal ocene o nečih izumih ali znanstvenih dosežkih, kritiziral avtorja ali nadaljeval z nadaljnjim razvojem raziskav in odkritij drugih ljudi. Čeprav je bil po naravi individualist, se ni mogel zanesti na tuje ideje in razmišljanja, ki jih je vzel za osnovo pri svojih raziskavah. Kljub temu je ogromno prispeval k razvoju kvantne mehanike, v veliki meri zahvaljujoč svoji uganki "Schrödingerjeva mačka".

Schrödingerjevi dosežki v znanosti vključujejo:

ustvarjanje koncepta valovne mehanike (za to je leta 1933 prejel Nobelovo nagrado);
uvedel izraz "objektivnost opisa" v znanstveni obtok - utemeljil možnost znanstvenih teorij brez neposredne udeležbe subjekta raziskave (zunanjega opazovalca) pri opisovanju okoliške realnosti;
razvil relativnostno teorijo;
preučevali termodinamične procese in Bornovo nelinearno elektrodinamiko;
poskušal ustvariti enotno teorijo polja.

Koncept "Schrödingerjeve mačke"

"Shroedingerjeva mačka" – znana uganka Schrödingerjeva teorija, miselni eksperiment, ki ga je izvedel avstrijski teoretični fizik, s pomočjo katerega je bilo mogoče dokazati nepopolnost kvantne mehanike pri prehodu iz mikrosistemov v makrosisteme. Vsa ta teorija temelji na kritiki znanstvenikov do dosežkov kvantne mehanike.

Preden nadaljujemo z opisom eksperimenta, je treba opredeliti osnovne koncepte, ki se v njem uporabljajo. Glavni postulat slavnega fenomena pravi, da dokler nihče ne gleda sistema, je v položaj superpozicije- hkrati v dveh ali več državah, ki izključujejo medsebojni obstoj. Sam Schrödinger je dal naslednjo definicijo superpozicije - to je kvantna sposobnost (elektron, foton in jedro atoma je lahko v vlogi kvanta) biti v več stanjih ali več točkah prostora hkrati , medtem ko nihče ne gleda sistema. Kvant je mikroskopski objekt mikrookolja.

Opis poskusa

Prvotni članek, v katerem Schrödinger razlaga svoj eksperiment, je bil objavljen leta 1935. Za opis eksperimenta je bila uporabljena metoda primerjave in celo imitacije.

Zelo težko je razumeti, kaj je imel Schrödinger v mislih, ko je preučeval ta članek. Bistvo eksperimenta bom poskušal opisati s preprostimi besedami.

Mačko smo dali v škatlo z mehanizmom, ki vsebuje radioaktivno atomsko jedro, in posodo, napolnjeno s strupenim plinom. Poskus se izvaja z natančno izbranimi parametri verjetnosti razpada atomskega jedra – 50 % v 1 uri. Ko jedro razpade, iz posode uhaja plin, kar vodi v smrt mačke. Če se to ne zgodi, se mačku ne zgodi nič, je živ in zdrav.

Mine ura in želimo dobiti odgovor na vprašanje: je mačka umrla ali ostala živa? Po napredni Schrödingerjevi teoriji je jedro atoma, tako kot mačka, v škatli v več stanjih hkrati (definicija superpozicije). Do trenutka odpiranja škatle ima mikrosistem, v katerem se nahajata jedro atoma in mačka, z verjetnostjo 50 % stanje "jedro je razpadlo, mačka je umrla" in z enakim verjetno je stanje "jedro ni razpadlo, mačka je živa". To potrjuje hipotezo, da je mačka, ki sedi v boksu, hkrati živa in mrtva, torej je v več stanjih hkrati. Izkazalo se je, da je mačka, ki sedi v škatli, živa in mrtva hkrati.

govoriti preprost jezik, Fenomen Schrödingerjeve mačke pojasnjuje možnost dejstva da je z vidika kvantne mehanike mačka hkrati živa in mrtva kar je v resnici nemogoče. Na podlagi tega lahko sklepamo, da obstajajo pomembne pomanjkljivosti v teoriji kvantne mehanike.

Če v mikrosistemu ne opazite jedra atoma, potem pride do mešanja dveh stanj - razpadlega in nerazpadlega jedra. Ko je škatla odprta, lahko eksperimentator opazuje samo eno določeno stanje. Ker mačka predstavlja jedro atoma, bo tudi le v enem stanju – ali živa ali mrtva.

Razkrivanje paradoksa - københavnska interpretacija

Znanstveniki iz Kopenhagna so rešili uganko Schrödingerjeve mačke. Sodobna kopenhagenska interpretacija je, da je mačka živa/mrtva brez vmesnih stanj, ker jedro ne razpade ali ne razpade, ko odpremo škatlo, ampak še prej, ko jedro pošljemo v detektor. Razlaga za to je naslednja: redukcija valovne funkcije mikrosistema "mačka-detektor-jedro" nima povezave z osebo, ki opazuje škatlo, ampak je povezana z detektorjem-opazovalcem jedra.

Ta interpretacija fenomena Schrödingerjeve mačke zanika možnost, da bi bila mačka v stanju superpozicije, preden odpre škatlo – hkrati v stanju žive/mrtve mačke. Mačka v makrosistemu je vedno samo v enem stanju.

Pomembno! Schrödingerjev eksperiment je pokazal, da se mikroobjek in makro objekt obnašata v sistemih v skladu z različnimi zakoni – zakoni kvantne fizike oziroma zakoni fizike v njenem klasičnem pomenu.

Vendar ni znanosti, ki bi proučevala pojave med prehodom iz makrosistema v mikrosistem. Erwin Schrödinger se je navdušil nad idejo o izvedbi takšnega eksperimenta prav z namenom dokazati šibkost in nepopolnost splošne teorije fizike. Njegova najgloblja želja je bila s konkretnimi izkušnjami pokazati, da vsaka znanost izpolnjuje svoje naloge: klasična fizika proučuje makroobjekte, kvantna fizika proučuje mikroobjekte. Za opis procesa premikanja od velikih do majhnih objektov v sistemih je treba razviti znanstveno znanje.

Preprostemu laiku je zelo težko takoj razumeti bistvo tega paradoksa. Dejansko v glavah vsakega človeka obstaja prepričanje, da je kateri koli predmet materialnega sveta v ta trenutekčas je lahko samo na eni točki.

Toda Schrödingerjevo teorijo je mogoče uporabiti le za mikroobjekte, medtem ko je mačka objekt makrokozmosa.

Najnovejša interpretacija paradoksa Schrödingerjeve mačke je njegova uporaba v Teoriji velikega poka, v kateri protagonist Sheldon Cooper je manj izobraženi Penny razložil svoje bistvo. Cooper je ta pojav prinesel na področje človeških odnosov. Če želite razumeti, ali so odnosi med ljudmi nasprotnega spola dobri ali slabi, morate samo odpreti škatlo. In do te točke je vsak odnos tako dober kot slab.

Nedavno objavljen avtorski članek Emila Akhmedova na znanem znanstvenem portalu "PostNauka" o vzrokih slavnega paradoksa in o tem, kaj ni.

Fizik Emil Akhmedov o verjetnostni interpretaciji, zaprtih kvantnih sistemih in formulaciji paradoksa.

Po mojem mnenju je najtežji del kvantne mehanike, tako psihološko kot filozofsko in v mnogih drugih pogledih, njena verjetnostna interpretacija. Mnogi ljudje so se prepirali z verjetnostno razlago. Na primer, Einstein je skupaj s Podolskym in Rosenom prišel do paradoksa, ki ovrže verjetnostno razlago.

Poleg njih je Schrödinger argumentiral tudi verjetnostno interpretacijo kvantne mehanike. Kot logično protislovje v verjetnostni interpretaciji kvantne mehanike je Schrödinger prišel do tako imenovanega Schrödingerjevega mačjega paradoksa. Lahko ga formuliramo na različne načine, na primer: recimo, da imate škatlo, v kateri sedi mačka, in je na to škatlo priključena jeklenka smrtonosnega plina. Na stikalo tega jeklenke, ki dopušča ali ne prepušča smrtonosnega plina, je priključena neka naprava, ki deluje takole: obstaja polarizacijsko steklo, in če mimo fotona zahtevane polarizacije, se jeklenka vklopi, plin teče do mačke; če foton ni pravilne polarizacije, potem se balon ne vklopi, ključ se ne vklopi, balon ne spušča plina v mačko.

Recimo, da je foton krožno polariziran, naprava pa se odziva na linearno polarizacijo. Morda ni jasno, vendar ni zelo pomembno. Z določeno verjetnostjo bo foton polariziran na en način, z nekaj verjetnosti - na drugi. Schrodinger je rekel: izkaže se taka situacija, da bo v nekem trenutku, dokler ne odpremo pokrova in vidimo, ali je mačka mrtva ali živa (in je sistem zaprt), bo mačka z določeno verjetnostjo živa in z nekaj verjetnost. Mogoče naključno formuliram paradoks, a rezultat je čudna situacija, da mačka ni ne živa ne mrtva. Tako je formuliran paradoks.

Po mojem mnenju ima ta paradoks popolnoma jasno in natančno razlago. Morda je to moje osebno stališče, vendar bom poskušal pojasniti. Glavna lastnost kvantne mehanike je naslednja: če opisujete zaprt sistem, potem kvantna mehanika ni nič drugega kot valovna mehanika, mehanika valov. To pomeni, da je opisan z diferencialnimi enačbami, katerih rešitve so valovi. Kjer so valovi in diferencialne enačbe, so matrike in tako naprej. To sta dva enakovredna opisa: matrični opis in opis valovanja. Matrični opis pripada Heisenbergu, opis valov pripada Schrödingerju, vendar opisujejo isto situacijo.

Pomembno je, da medtem ko je sistem zaprt, je opisan z valovno enačbo, kaj se s tem valom dogaja pa z neko valovno enačbo. Celotna verjetnostna interpretacija kvantne mehanike nastane po odprtju sistema – nanj od zunaj vpliva kakšen velik klasični, torej nekvantni objekt. V trenutku udarca ga ta valovna enačba ne opisuje več. Obstaja tako imenovana redukcija valovne funkcije in verjetnostna interpretacija. Do trenutka odprtja se sistem razvija v skladu z valovno enačbo.

Zdaj moramo narediti nekaj pripomb o tem, kako se velik klasični sistem razlikuje od majhnega kvantnega. Na splošno je mogoče celo velik klasični sistem opisati z valovno enačbo, čeprav je ta opis običajno težko podati, v resnici pa je popolnoma nepotreben. Ti sistemi se matematično razlikujejo po delovanju. Tako imenovani objekt obstaja v kvantni mehaniki, v teoriji polja. Za klasičen velik sistem je dejanje ogromno, za kvantno majhen sistem pa je dejanje majhno. Poleg tega je gradient tega delovanja - hitrost spreminjanja tega delovanja v času in prostoru - ogromen za velik klasični sistem in majhen za majhen kvantni sistem. To je glavna razlika med obema sistemoma. Zaradi dejstva, da je akcija zelo velika za klasični sistem, ga je bolj priročno opisati ne z nekaterimi valovnimi enačbami, ampak preprosto s klasičnimi zakoni, kot je Newtonov zakon in tako naprej. Na primer, iz tega razloga se Luna ne vrti okoli Zemlje kot elektron okoli jedra atoma, ampak po določeni, jasno določeni orbiti, po klasični orbiti, trajektoriji. Medtem ko se elektron, ki je majhen kvantni sistem, znotraj atoma okoli jedra giblje kot stoječi val, je njegovo gibanje opisano s stoječim valom in to je razlika med obema situacijama.

Merjenje v kvantni mehaniki je, ko vplivate na majhen kvantni sistem z velikim klasičnim sistemom. Po tem pride do zmanjšanja valovne funkcije. Po mojem mnenju je prisotnost balona ali mačke v Schrödingerjevem paradoksu enaka prisotnosti velikega klasičnega sistema, ki meri polarizacijo fotona. V skladu s tem meritev ne poteka v trenutku, ko odpremo pokrov škatle in vidimo, ali je mačka živa ali mrtva, temveč v trenutku, ko foton v interakciji s polarizacijskim steklom. Tako je v tem trenutku fotonska valovna funkcija zmanjšana, balon je v popolnoma določenem stanju: ali se odpre ali se ne odpre, mačka pa pogine ali ne pogine. Vse. Ni "verjetnih mačk", da je z neko verjetnostjo živ, z neko verjetnostjo mrtev. Ko sem rekel, da ima Schrodingerjev mačji paradoks veliko različnih formulacij, sem rekel le, da je veliko različne poti pripraviti napravo, ki mačko ubije ali pusti živo. Pravzaprav se formulacija paradoksa ne spremeni.

Slišal sem za druge poskuse, da bi ta paradoks razložil v smislu več svetov in tako naprej. Po mojem mnenju vse te razlage ne zdržijo pregleda. Kar sem z besedami razložil med tem videoposnetkom, je mogoče prenesti v matematično obliko in preveriti pravilnost te trditve. Še enkrat poudarjam, da se po mojem mnenju meritev in redukcija valovne funkcije majhnega kvantnega sistema zgodi v trenutku interakcije z velikim klasičnim sistemom. Tako velik klasični sistem je mačka z napravo, ki ga ubije, in ne oseba, ki odpre škatlo z mačko in vidi, ali je mačka živa ali ne. To pomeni, da se meritev zgodi v trenutku interakcije tega sistema s kvantnim delcem in ne v trenutku preverjanja mačke. Takšni paradoksi po mojem mnenju najdejo razlage iz uporabe teorij in zdrave pameti.

Bistvo eksperimenta

Schrödingerjev izvirni dokument opisuje eksperiment takole:

Konstruirate lahko tudi primere, v katerih je dovolj burleska. Določena mačka je zaprta v jekleni komori, skupaj z naslednjim peklenskim strojem (ki ga je treba zaščititi pred neposrednim posredovanjem mačke): znotraj Geigerjevega števca je majhna količina radioaktivnega materiala, tako majhna, da lahko razpade samo en atom v eni uri, vendar z enako verjetnostjo lahko in ne razpade; če se to zgodi, se odčitna cev izprazni in aktivira se rele, ki spusti kladivo, ki zlomi stožec cianovodikove kisline. Če pustimo ves ta sistem za eno uro, potem lahko rečemo, da bo mačka po tem času živa, dokler atom ne razpade. Prvi razpad atoma bi zastrupil mačko. Psi-funkcija sistema kot celote bo to izrazila z mešanjem v sebi ali z mazanjem žive in mrtve mačke (oprostite izrazu) v enakih razmerjih. Značilno v takih primerih je, da se negotovost, prvotno omejena na atomski svet, spremeni v makroskopsko negotovost, ki jo je mogoče odpraviti z neposrednim opazovanjem. To nam preprečuje, da bi "model zamegljenosti" naivno sprejeli kot odsev realnosti. Samo po sebi to ne pomeni nič nejasnega ali protislovnega. Obstaja razlika med mehko fotografijo ali fotografijo brez izostritve in posnetkom oblaka ali megle. Po kvantni mehaniki, če jedra ne opazimo, je njegovo stanje opisano s superpozicijo (mešanjem) dveh stanj - razpadlega jedra in nerazpadlega jedra, zato je mačka, ki sedi v škatli, živa in mrtva pri istočasno. Če se škatla odpre, lahko eksperimentator vidi samo eno specifično stanje - "jedro je razpadlo, mačka je mrtva" ali "jedro ni razpadlo, mačka je živa." Vprašanje je naslednje: kdaj sistem preneha obstajati kot mešanica dveh stanj in izbere eno konkretno? Namen eksperimenta je pokazati, da je kvantna mehanika nepopolna brez nekaterih pravil, ki določajo, pod kakšnimi pogoji se valovna funkcija sesuje in mačka bodisi postane mrtva ali ostane živa, vendar preneha biti mešanica obojega.

Ker je jasno, da mora biti mačka nujno ali živa ali mrtva (ni stanja, ki bi združevala življenje in smrt), bo to enako za atomsko jedro. Nujno mora biti bodisi razpadla bodisi nerazpadla.

Izvirni članek se je pojavil leta 1935. Namen članka je bil razpravljati o paradoksu Einstein-Podolsky-Rosen (EPR), ki so ga objavili Einstein, Podolsky in Rosen v začetku istega leta.

Enciklopedični YouTube

1 / 5
Pravzaprav Hawking in številni drugi fiziki menijo, da »kopenhagenska šola« interpretacije kvantne mehanike nerazumno poudarja vlogo opazovalca. Končna enotnost med fiziki glede tega vprašanja še ni dosežena.
Vzporednost svetov v vsakem trenutku ustreza pravemu nedeterminističnemu avtomatu, v nasprotju z verjetnostnim, ko je v vsakem koraku izbrana ena od možnih poti glede na njihovo verjetnost.

Wignerjev paradoks

To je zapletena različica Schrödingerjevega eksperimenta. Eugene Wigner je predstavil kategorijo "prijatelji". Po končanem poskusu eksperimentator odpre škatlo in zagleda živo mačko. Vektor stanja mačke v trenutku odpiranja škatle preide v stanje "jedro ni razpadlo, mačka je živa". Tako so v laboratoriju mačko prepoznali kot živo. Zunaj laboratorija je prijatelj. prijateljše ne ve, ali je mačka živa ali mrtva. prijatelj mačko prepozna kot živo šele, ko jo eksperimentator obvesti o izidu poskusa. Ampak vsi ostali prijatelji mačka še ni prepoznana kot živa, prepoznali pa jo bodo šele, ko bodo obveščeni o rezultatu poskusa. Tako lahko mačko štejemo za popolnoma živo (ali popolnoma mrtvo) le, če vsi ljudje v vesolju poznajo rezultat poskusa. Do te točke v obsegu Veliko Vesolje mačka po Wignerju ostaja živa in mrtva hkrati.

Praktična uporaba

Navedeno se uporablja v praksi: v kvantnem računalstvu in v kvantni kriptografiji. Kabel iz optičnih vlaken oddaja svetlobni signal, ki je v superpoziciji dveh stanj. Če se napadalci povežejo s kablom nekje na sredini in tam naredijo signalno pipo, da bi prisluškovali prenesenim informacijam, bo to porušilo valovno funkcijo (z vidika kopenhagenske interpretacije bo opravljeno opazovanje) in svetloba bo šla v eno od stanj. Po izvedbi statističnih testov svetlobe na sprejemnem koncu kabla bo mogoče ugotoviti, ali je svetloba v superpoziciji stanj ali je bila že opažena in prenesena na drugo točko. To omogoča ustvarjanje komunikacijskih sredstev, ki izključujejo neopazno prestrezanje signala in prisluškovanje.
Eksperiment (ki ga je načeloma mogoče izvesti, čeprav še niso bili ustvarjeni delujoči sistemi kvantne kriptografije, ki bi lahko prenašali velike količine informacij) kaže tudi, da »opazovanje« v københavnski interpretaciji nima nič opraviti z umom opazovalca, saj v tem primeru sprememba statistike do konca kabla vodi do popolnoma nežive veje žice.

"Kdor koli ni šokiran s kvantno teorijo, tega ne razume,« je dejal Niels Bohr, ustanovitelj kvantne teorije.
Osnovo klasične fizike – nedvoumno programiranje sveta, sicer laplasov determinizem, je s prihodom kvantne mehanike nadomestila invazija sveta negotovosti in verjetnostnih dogodkov. In tu so se mimogrede izkazali miselni poskusi za teoretične fizike. To so bili preizkusni kamni, na katerih so bile preizkušene najnovejše ideje.

Schrödingerjeva mačka je miselni eksperiment, ki ga je predlagal Erwin Schrödinger, s katerim je želel prikazati nepopolnost kvantne mehanike pri prehodu iz subatomskih sistemov v makroskopske sisteme.

Mačka je postavljena v zaprto škatlo. Škatla vsebuje mehanizem, ki vsebuje radioaktivno jedro in posodo s strupenim plinom. Verjetnost, da bo jedro razpadlo v 1 uri, je 1/2. Če jedro razpade, sproži mehanizem, odpre posodo za plin in mačka umre. Po kvantni mehaniki, če jedra ne opazimo, je njegovo stanje opisano s superpozicijo (mešanjem) dveh stanj - razpadlega jedra in nerazpadlega jedra, zato je mačka, ki sedi v škatli, živa in mrtva pri istočasno. Če se škatla odpre, lahko eksperimentator vidi samo eno specifično stanje - "jedro je razpadlo, mačka je mrtva" ali "jedro ni razpadlo, mačka je živa."

Kdaj sistem preneha obstajati? kot mešanje dveh držav in izbiro enega določenega?

Namen poskusa- pokazati, da je kvantna mehanika nepopolna brez nekaterih pravil, ki kažejo, pod kakšnimi pogoji se valovna funkcija zruši (trenutna sprememba kvantnega stanja predmeta, ki se pojavi med merjenjem) in mačka bodisi postane mrtva ali ostane živa, vendar preneha biti mešanica obojega.

Ker je jasno, da mora biti mačka nujno živa ali mrtva (med življenjem in smrtjo ni vmesnega stanja), to pomeni, da to velja tudi za atomsko jedro. Nujno bo bodisi razpadla bodisi nerazpadla.

Schrödingerjev članek "Trenutno stanje v kvantni mehaniki", ki predstavlja miselni eksperiment z mačko, se je pojavil v nemški reviji Natural Sciences leta 1935, da bi razpravljal o paradoksu EPR.
Članki Einstein-Podolsky-Rosen in Schrödinger so orisali nenavadno naravo "kvantne zapletenosti" (izraz, ki ga je uvedel Schrödinger), ki je značilna za kvantna stanja, ki so superpozicija stanj dveh sistemov (na primer dveh subatomskih delcev). ).

Interpretacije kvantne mehanike

V času obstoja kvantne mehanike so znanstveniki predlagali njene različne interpretacije, vendar so danes najbolj podprti "København" in "številni svetovi".

"Københavnska interpretacija"- to razlago kvantne mehanike sta oblikovala Niels Bohr in Werner Heisenberg med njunim skupnim delom v Kopenhagnu (1927). Znanstveniki so poskušali odgovoriti na vprašanja, ki se porajajo kot posledica dualizma korpuskularnega valovanja, ki je neločljivo povezana s kvantno mehaniko, zlasti na vprašanje merjenja.

V københavnski interpretaciji sistem preneha biti mešanica stanj in izbere eno od njih v trenutku, ko pride do opazovanja. Poskus z mačko kaže, da v tej interpretaciji narava prav tega opazovanja – meritve – ni dovolj opredeljena. Nekateri verjamejo, da izkušnje kažejo, da je sistem, dokler je škatla zaprta, v obeh stanjih hkrati, v superpoziciji stanj "razpadlo jedro, mrtva mačka" in "nerazpadlo jedro, živa mačka" in ko polje se odpre, šele takrat se valovna funkcija sesede v eno od variant. Drugi ugibajo, da do "opazovanja" pride, ko delec iz jedra zadene detektor; vendar (in to je ključna točka miselnega eksperimenta) v københavnski interpretaciji ni jasnega pravila, ki bi govorilo, kdaj se to zgodi, zato je ta razlaga nepopolna, dokler se vanj ne uvede takšno pravilo oziroma ni povedano, kako se to zgodi. se lahko uvede. Natančno pravilo je naslednje: naključnost se pojavi na mestu, kjer se prvič uporabi klasični približek.

Tako se lahko zanesemo na naslednji pristop: v makroskopskih sistemih ne opazujemo kvantnih pojavov (razen fenomenov superfluidnosti in superprevodnosti); če torej na kvantno stanje postavimo makroskopsko valovno funkcijo, moramo iz izkušenj sklepati, da se superpozicija zruši. In čeprav ni povsem jasno, kaj na splošno pomeni, da je nekaj »makroskopsko«, se za mačko zagotovo ve, da je makroskopski objekt. Tako københavnska razlaga ne upošteva, da je mačka v stanju mešanja med živimi in mrtvimi, preden se škatla odpre.

V "večsvetovni interpretaciji" kvantne mehanike, ki meritvenega procesa ne šteje za nekaj posebnega, obe stanji mačke obstajata, a dekoherno, t.j. pride do procesa, v katerem deluje kvantno mehanski sistem okolje in pridobiva informacije, ki so na voljo v okolju, ali se kako drugače "zaplete" z okoljem. In ko opazovalec odpre škatlo, se zaplete z mačko in iz tega nastaneta dve stanji opazovalca, ki ustrezata živi in mrtvi mački, in ti stanji med seboj ne sodelujeta. Isti mehanizem kvantne dekoherence je pomemben tudi za "skupne" zgodovine. V tej razlagi je lahko v "skupni zgodovini" le "mrtva mačka" ali "živa mačka".

Z drugimi besedami, ko se škatla odpre, se vesolje razdeli na dva različna vesolja, v enem od katerih opazovalec gleda škatlo z mrtvo mačko, v drugem pa opazovalec gleda živo mačko.

Paradoks "Wignerjevega prijatelja"

Paradoks Wignerjevega prijatelja je zapleten eksperiment paradoksa Schrödingerjeve mačke. Laureat Nobelova nagrada, je ameriški fizik Eugene Wigner uvedel kategorijo "prijateljev". Po končanem poskusu eksperimentator odpre škatlo in zagleda živo mačko. Stanje mačke v trenutku odpiranja škatle preide v stanje "jedro ni razpadlo, mačka je živa." Tako so v laboratoriju mačko prepoznali kot živo. Zunaj laboratorija je "prijatelj". Prijatelj še ne ve, ali je mačka živa ali mrtva. Prijatelj mačko prepozna kot živo šele, ko ga eksperimentator obvesti o izidu poskusa. Toda vsi drugi "prijatelji" mačke še niso prepoznali kot živo in jo bodo prepoznali šele, ko bodo obveščeni o rezultatu poskusa. Tako lahko mačko prepoznamo kot popolnoma živo šele, ko vsi ljudje v vesolju poznajo rezultat poskusa. Do te točke na lestvici Velikega vesolja mačka ostaja napol živa in napol mrtva hkrati.

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

Eksperiment (ki ga je načeloma mogoče izvesti, čeprav še niso bili ustvarjeni delujoči sistemi kvantne kriptografije, ki bi lahko prenašali velike količine informacij) kaže tudi, da »opazovanje« v københavnski interpretaciji nima nič opraviti z umom opazovalca, saj v tem primeru sprememba statistike do konca kabla vodi do popolnoma nežive veje žice.

In pri kvantnem računanju je stanje »Schrödingerjeve mačke« posebno zapleteno stanje kubitov, v katerem so vsi v isti superpoziciji vseh ničel ali enic.

("Qubit" je najmanjši element za shranjevanje informacij v kvantnem računalniku. Dopušča dve lastni stanji, lahko pa je tudi v njuni superpoziciji. Vsakič, ko izmerite stanje kubita, ta naključno preide v eno od svojih stanj.)

V resnici! Mali brat "Schrödingerjeve mačke"

Minilo je 75 let, odkar se je pojavila "Schrödingerjeva mačka", vendar se zdi, da so nekatere posledice kvantne fizike še vedno v nasprotju z našimi običajnimi predstavami o materiji in njenih lastnostih. Po zakonih kvantne mehanike bi moralo biti mogoče ustvariti takšno stanje "mačke", ko je živa in mrtva, tj. bo v stanju kvantne superpozicije dveh stanj. Vendar pa je v praksi ustvarjanje kvantne superpozicije takega veliko število atomi še niso možni. Težava je v tem, da več kot je atomov v superpoziciji, manj stabilno je to stanje, saj zunanji vplivi poskušati ga uničiti.

Fiziki z Univerze na Dunaju (objava v reviji Naravne komunikacije”, 2011) je prvič na svetu uspelo prikazati kvantno obnašanje organske molekule, sestavljene iz 430 atomov in v stanju kvantne superpozicije. Molekula, ki so jo pridobili eksperimentatorji, je bolj podobna hobotnici. Velikost molekul je približno 60 angstromov, de Brogliejeva valovna dolžina za molekulo pa je bila le 1 pikometer. Takšna "molekularna hobotnica" je lahko dokazala lastnosti, ki so značilne za Schrödingerjevo mačko.

kvantni samomor

Kvantni samomor je miselni eksperiment kvantne mehanike, ki sta ga neodvisno predlagala G. Moravec in B. Marshal, leta 1998 pa ga je razširil kozmolog Max Tegmark. Ta miselni eksperiment, ki je modifikacija miselnega eksperimenta s Schrödingerjevo mačko, jasno kaže razliko med dvema interpretacijama kvantne mehanike: kopenhagensko in Everettovo večsvetovno interpretacijo.

Pravzaprav je eksperiment poskus s Schrödingerjevo mačko z mačjega vidika.

V predlaganem poskusu je v udeleženca uperjena pištola, ki strelja ali ne strelja, odvisno od razpada katerega koli radioaktivnega atoma. Verjetnost, da bo zaradi poskusa pištola ugasnila in bo udeleženec umrl, je 50%. Če je københavnska razlaga pravilna, bo pištola sčasoma ugasnila in tekmovalec bo umrl.
Če je Everettova razlaga več svetov pravilna, potem se kot rezultat vsakega eksperimenta vesolje razdeli na dva vesolja, v enem od katerih udeleženec ostane živ, v drugem pa umre. V svetovih, kjer udeleženec umre, prenehajo obstajati. Nasprotno pa se bo z vidika nepokojnega udeleženca eksperiment nadaljeval, ne da bi povzročil izginotje udeleženca. To je zato, ker lahko udeleženec v kateri koli veji opazuje rezultat eksperimenta le v svetu, v katerem preživi. In če je interpretacija več svetov pravilna, potem lahko udeleženec opazi, da med poskusom nikoli ne bo umrl.

O teh rezultatih udeleženec nikoli ne bo mogel govoriti, saj bo z vidika zunanjega opazovalca verjetnost izida eksperimenta enaka v mnogosvetovni in københavnski interpretaciji.

kvantna nesmrtnost

Kvantna nesmrtnost – miselni eksperiment, ki izhaja iz kvantnega samomorilnega miselnega eksperimenta, ki navaja, da so v skladu z večsvetovno interpretacijo kvantne mehanike bitja z zmožnostjo samozavedanja nesmrtna.

Predstavljajte si, da udeleženec poskusa v bližini eksplodira jedrsko bombo. V skoraj vseh vzporednih vesoljih bo jedrska eksplozija uničila udeleženca. Toda kljub temu bi moral obstajati majhen nabor alternativnih vesolj, v katerih udeleženec nekako preživi (to je vesolja, v katerih je možen razvoj možnega scenarija reševanja). Ideja kvantne nesmrtnosti je, da udeleženec ostane živ in je tako sposoben zaznati okoliško realnost v vsaj enem od vesolj v nizu, tudi če je število takšnih vesolj izjemno majhno v primerjavi s številom vsa možna vesolja. Tako bo udeleženec sčasoma ugotovil, da lahko živi večno. Nekaj vzporednic s tem sklepanjem je mogoče najti v konceptu antropskega principa.

Še en primer izhaja iz ideje o kvantnem samomoru. V tem miselnem eksperimentu udeleženec nase usmeri pištolo, ki lahko strelja ali pa tudi ne, odvisno od rezultata razpada katerega koli radioaktivnega atoma. Verjetnost, da bo zaradi poskusa pištola ugasnila in bo udeleženec umrl, je 50%. Če je københavnska razlaga pravilna, bo pištola sčasoma ugasnila in tekmovalec bo umrl.

Če je Everettova razlaga več svetov pravilna, potem se kot rezultat vsakega eksperimenta vesolje razdeli na dva vesolja, v enem od katerih udeleženec ostane živ, v drugem pa umre. V svetovih, kjer udeleženec umre, prenehajo obstajati. Nasprotno, z vidika ne-mrtvega udeleženca se bo eksperiment nadaljeval, ne da bi pripeljal do izginotja udeleženca, saj se bo po vsakem razcepu vesolj lahko uresničil le v tistih vesoljih, kjer je preživel. Torej, če je Everettova večsvetovna interpretacija pravilna, lahko udeleženec pripomni, da med poskusom nikoli ne bodo umrli, s čimer bi "dokazal" svojo nesmrtnost, vsaj z njihovega vidika.

Zagovorniki kvantne nesmrtnosti poudarjajo, da ta teorija ni v nasprotju z nobenimi znanimi zakoni fizike (to stališče še zdaleč ni soglasno sprejeto v znanstvenem svetu). Svoje sklepanje temeljijo na naslednjih dveh spornih predpostavkah:
- večsvetovna razlaga Everetta je pravilna, ne pa københavnska, saj ta zanika obstoj vzporednih vesolj;
- vsi možni scenariji, v katerih lahko udeleženec umre med poskusom, vsebujejo vsaj majhno podskupino scenarijev, kjer udeleženec preživi.

Možen argument proti teoriji kvantne nesmrtnosti bi lahko bil, da druga predpostavka ne izhaja nujno iz Everettove razlage več svetov in je lahko v nasprotju z zakoni fizike, za katere se domneva, da veljajo za vse možne resničnosti. Razlaga kvantne fizike v več svetovih ne pomeni nujno, da je "vse mogoče". Nakazuje le, da je v določenem trenutku vesolje mogoče razdeliti na več drugih, od katerih bo vsak ustrezal enemu od številnih možnih izidov. Na primer, drugi zakon termodinamike velja za vsa možna vesolja. To pomeni, da teoretično obstoj tega zakona preprečuje nastanek vzporednih vesolj, kjer bi bil kršen. Posledica tega je lahko z vidika eksperimentatorja doseganje takšnega stanja realnosti, pri katerem postane njegovo nadaljnje preživetje nemogoče, saj bi to zahtevalo kršitev zakona fizike, ki po predhodni predpostavki, velja za vse možne realnosti.

Na primer v eksploziji jedrska bomba opisano zgoraj, je dovolj težko opisati verjeten scenarij, ki ne krši osnovnih bioloških načel, v katerem bo udeleženec ostal živ. Žive celice preprosto ne morejo obstajati pri temperaturah, doseženih v središču jedrska eksplozija. Da bi teorija kvantne nesmrtnosti ostala veljavna, je nujno, da pride bodisi do neuspelega vžiga (in tako ne pride do jedrske eksplozije) bodisi do nekega dogodka, ki bi temeljil na še neodkritih ali nedokazanih zakonih fizike. Drugi argument proti obravnavani teoriji je lahko prisotnost naravne biološke smrti pri vseh bitjih, ki se ji ni mogoče izogniti v nobenem od vzporednih vesolj (vsaj na tej stopnji razvoja znanosti)

Po drugi strani pa je drugi zakon termodinamike statistični zakon in pojav nihanj ni v nasprotju z ničemer (na primer pojav območja s pogoji, primernimi za življenje opazovalca v vesolju, ki je na splošno doseglo stanje toplotne smrti ali načeloma možno premikanje vseh delcev, ki nastanejo zaradi jedrske eksplozije, tako da bo vsak od njih preletel opazovalca), čeprav se bo takšno nihanje pojavilo le v zelo majhnem delu vseh možnih izidov. Argument v zvezi z neizogibnostjo biološke smrti je mogoče ovreči tudi na podlagi verjetnostnih premislekov. Za vsak živi organizem v določenem trenutku obstaja neničelna verjetnost, da bo ostal živ še naslednjo sekundo. Tako je tudi verjetnost, da bo ostal živ še naslednjo milijardo let, enaka nič (ker je produkt velikega števila nenič faktorjev), čeprav je zelo majhna.

Kar je problematično pri ideji kvantne nesmrtnosti, je to, da bo po njej samozavedajoče se bitje "prisiljeno" doživeti izjemno malo verjetne dogodke, ki se bodo zgodili v situacijah, v katerih bi bilo videti, da bi udeleženec umrl. Čeprav v mnogih vzporednih vesoljih udeleženec umre, se bo nekaj vesolj, ki jih je udeleženec sposoben subjektivno zaznati, razvilo po izjemno malo verjetnem scenariju. To pa lahko na nek način povzroči kršitev načela vzročnosti, katere narava v kvantni fiziki še ni dovolj jasna.

Čeprav ideja o kvantni nesmrtnosti v veliki meri izvira iz eksperimenta "kvantnega samomora", Tegmark trdi, da v vseh normalnih pogojih vsako misleče bitje pred smrtjo preide skozi stopnjo (od nekaj sekund do nekaj let) znižanja ravni. samozavesti, ki nima nobene zveze s kvantno mehaniko, in ni možnosti, da bi udeleženec nadaljeval obstoj s prehodom iz enega sveta v drugega in mu omogočil preživetje.

Tu racionalni opazovalec, ki se zaveda sebe le v razmeroma majhnem številu možnih stanj, v katerih ohranja samozavest, ostaja v tako rekoč »zdravem telesu«. Možnost, da bo opazovalec, ki je obdržal zavest, ostal pohabljen, je veliko večja, kot če bi ostal nepoškodovan. Vsak sistem (vključno z živim organizmom) ima veliko več možnosti, da ne deluje pravilno, kot da ostane v njem popolna oblika. Boltzmannova ergodična hipoteza zahteva, da nesmrtni opazovalec prej ali slej preide skozi vsa stanja, ki so združljiva z ohranjanjem zavesti, tudi tista, v katerih bo čutil neznosno trpljenje – in takih stanj bo veliko več kot stanj optimalnega delovanja organizma. Tako bi morali po mnenju filozofa Davida Lewisa upati, da je razlaga več svetov napačna.