مفارقة قطة شرودنغر. شرح المعنى. قطة شرودنغر - التجربة المتناقضة الشهيرة تجربة شرودنغر الفكرية

لا تفقده.اشترك واحصل على رابط المقال على بريدك الإلكتروني.

من المؤكد أنك سمعت أكثر من مرة أن هناك ظاهرة مثل "قطة شرودنغر". ولكن إذا لم تكن فيزيائيا، فمن المرجح أن يكون لديك فكرة غامضة فقط عن نوع هذه القطة وسبب الحاجة إليها.

« قطة شرودنجر"- هذا هو اسم التجربة الفكرية الشهيرة لعالم الفيزياء النظرية النمساوي الشهير إروين شرودنغر، وهو أيضًا حائز على جائزة نوبل. وبمساعدة هذه التجربة الوهمية، أراد العالم إظهار عدم اكتمال ميكانيكا الكم في الانتقال من الأنظمة دون الذرية إلى الأنظمة العيانية.

هذه المقالة هي محاولة لشرح جوهر نظرية شرودنغر حول القطة وميكانيكا الكم بكلمات بسيطة، بحيث تكون في متناول الشخص الذي ليس لديه تعليم تقني عالي. وسيقدم المقال أيضًا تفسيرات مختلفة للتجربة، بما في ذلك تلك الواردة من المسلسل التلفزيوني “نظرية الانفجار الكبير”.

وصف التجربة

نُشرت المقالة الأصلية لإروين شرودنغر عام 1935. تم وصف التجربة فيه باستخدام أو حتى تجسيد:

يمكنك أيضًا إنشاء حالات يوجد فيها هزلية تمامًا. دع قطة ما تكون محبوسة في غرفة فولاذية باستخدام الآلة الشيطانية التالية (والتي يجب أن تكون بغض النظر عن تدخل القطة): داخل عداد جيجر هناك كمية صغيرة من المادة المشعة، صغيرة جدًا لدرجة أن ذرة واحدة فقط يمكن أن تتحلل في ساعة واحدة، ولكن بنفس الاحتمال قد لا تتفكك؛ إذا حدث هذا، يتم تفريغ أنبوب القراءة ويتم تنشيط المرحل، مما يؤدي إلى إطلاق المطرقة التي تكسر القارورة بحمض الهيدروسيانيك.

فإذا تركنا هذا النظام بأكمله لنفسه لمدة ساعة، فيمكننا القول أن القطة ستكون على قيد الحياة بعد هذه المدة، طالما لم تتفكك الذرة. أول تفكك للذرة من شأنه أن يسمم القطة. سوف تعبر وظيفة psi للنظام ككل عن ذلك عن طريق خلط أو تلطيخ قطة حية وميتة (عفوا عن التعبير) في أجزاء متساوية. والأمر المعتاد في مثل هذه الحالات هو أن عدم اليقين الذي كان يقتصر في الأصل على العالم الذري يتحول إلى عدم يقين عياني، يمكن إزالته بالملاحظة المباشرة. وهذا يمنعنا من قبول "النموذج الضبابي" بسذاجة باعتباره يعكس الواقع. وهذا في حد ذاته لا يعني شيئا غير واضح أو متناقض. هناك فرق بين الصورة الباهتة أو الخارجة عن نطاق التركيز وصورة السحب أو الضباب.

بعبارة أخرى:

1. هناك صندوق وقطة. يحتوي الصندوق على آلية تحتوي على نواة ذرية مشعة وحاوية من الغاز السام. تم اختيار المعاملات التجريبية بحيث يكون احتمال الاضمحلال النووي خلال ساعة واحدة 50%. وإذا تفككت النواة ينفتح وعاء من الغاز وتموت القطة. إذا لم تتحلل النواة، تبقى القطة على قيد الحياة وبصحة جيدة.
2. نغلق القطة في صندوق وننتظر ساعة ونطرح السؤال: هل القطة حية أم ميتة؟
3. يبدو أن ميكانيكا الكم تخبرنا أن النواة الذرية (وبالتالي القطة) موجودة في جميع الحالات الممكنة في وقت واحد (انظر التراكب الكمي). قبل أن نفتح الصندوق، يكون نظام نواة القطة في حالة "اضمحلت النواة، والقطة ميتة" باحتمال 50%، وفي حالة "النواة لم تضمحل، والقطة حية" باحتمال 50% احتمال 50٪. اتضح أن القطة الجالسة في الصندوق حية وميتة في نفس الوقت.
4. وفقًا لتفسير كوبنهاجن الحديث، فإن القطة حية/ميتة بدون أي حالات وسيطة. واختيار حالة اضمحلال النواة لا يحدث في لحظة فتح الصندوق، بل حتى عندما تدخل النواة إلى الكاشف. لأن تقليل الوظيفة الموجية لنظام "كاشف القطة-النواة" لا يرتبط بالمراقب البشري للصندوق، ولكنه يرتبط بالمراقب الكاشف للنواة.

الشرح بكلمات بسيطة

وفقا لميكانيكا الكم، إذا لم يتم ملاحظة نواة الذرة، فسيتم وصف حالتها بمزيج من حالتين - نواة متحللة ونواة غير متحللة، لذلك قطة تجلس في صندوق وتجسد نواة الذرة هو حي وميت في نفس الوقت. إذا تم فتح الصندوق، فيمكن للمجرب رؤية حالة محددة واحدة فقط - "لقد تحللت النواة، ماتت القطة" أو "النواة لم تتحلل، القطة على قيد الحياة".

جوهر اللغة الإنسانية: أظهرت تجربة شرودنجر أنه من وجهة نظر ميكانيكا الكم، فإن القطة حية وميتة في نفس الوقت، وهو أمر لا يمكن أن يكون كذلك. ولذلك فإن ميكانيكا الكم بها عيوب كبيرة.

والسؤال هو: متى يتوقف النظام عن الوجود كخليط من دولتين ويختار دولة واحدة محددة؟ الغرض من التجربة هو إظهار أن ميكانيكا الكم غير مكتملة بدون بعض القواعد التي تشير تحت أي ظروف تنهار الدالة الموجية، وإما أن تصبح القطة ميتة أو تبقى على قيد الحياة، ولكنها تتوقف عن أن تكون مزيجًا من الاثنين معًا. وبما أنه من الواضح أن القطة يجب أن تكون إما حية أو ميتة (لا توجد حالة وسطية بين الحياة والموت)، فسيكون الأمر كذلك بالنسبة للنواة الذرية. يجب أن تكون إما متحللة أو غير متحللة (ويكيبيديا).

فيديو من نظرية الانفجار الكبير

تفسير آخر أكثر حداثة لتجربة شرودنغر الفكرية هو القصة التي أخبرها شيلدون كوبر، شخصية نظرية الانفجار الكبير، لجارته الأقل تعليما بيني. المغزى من قصة شيلدون هو أن مفهوم قطة شرودنغر يمكن تطبيقه على العلاقات الإنسانية. من أجل فهم ما يحدث بين رجل وامرأة، ما هي العلاقة بينهما: جيدة أو سيئة، تحتاج فقط إلى فتح الصندوق. حتى ذلك الحين، العلاقة جيدة وسيئة.

يوجد أدناه مقطع فيديو لتبادل نظرية الانفجار الكبير بين شيلدون وبينيا.

هل بقيت القطة على قيد الحياة نتيجة التجربة؟

بالنسبة لأولئك الذين لم يقرؤوا المقال بعناية، ولكنهم ما زالوا قلقين بشأن القطة، بشرى سارة: لا تقلقوا، وفقًا لبياناتنا، نتيجة لتجربة فكرية قام بها عالم فيزياء نمساوي مجنون

لم يصب أي قطة

يوتيوب الموسوعي

1 / 5

✪ 🔶 قطة شرودنغر

✪ الفيزياء - نظرية الكم. قطة شرودنغر والشق المزدوج.

✪ قطة شرودنغر

✪ قطة شرودنغر

✪ تجربة قطة شرودنغر الفكرية في ميكانيكا الكم

ترجمات

[موسيقى] الفيزيائي النمساوي إروين شرودنغر هو أحد مؤسسي ميكانيكا الكم. ومع ذلك، فهو مشهور بشيء لم يفعله أبدًا - تجربة فكرية تتضمن قطة. واقترح وضع القطة في حاوية مغلقة باستخدام جهاز لديه فرصة 50% لقتلها خلال ساعة. وبعد ساعة أصبح العالم مهتما بالحالة التي كانت عليها القطة؟ الفطرة السليمة تقضي بأنه إما حي أو ميت. لكن شرودنجر لاحظ أنه وفقًا لفيزياء الكم، في اللحظة التي تسبق فتح الحاوية، تكون القطة حية وميتة بنفس القدر، في نفس الوقت. وفقط بعد فتح الحاوية، يمكننا أن نرى الحالة الوحيدة المحددة للحيوان. قبل ذلك يبقى في حالة من عدم اليقين - نصفه في حالة ونصفه في حالة أخرى. ويبدو هذا سخيفا، وهو ما أشار إليه شرودنغر. لقد وجد فيزياء الكم متناقضة فلسفيًا لدرجة أنه تخلى عن النظرية التي ساعد في إنشائها وتحول إلى العمل في علم الأحياء. على الرغم من سخافتها الواضحة، فإن تجربة شرودنجر حقيقية للغاية. علاوة على ذلك، فإن أهميتها لا يمكن إنكارها. تكون في حالتين في نفس الوقت، فلو لم تكن للأجسام الكمومية القدرة، لما كان الكمبيوتر الذي تشاهد به هذا الفيديو موجودًا. إن ظاهرة التراكب الكمومية هي نتيجة للأصل المزدوج للموجة المادية للوجود. لكي يتمتع أي جسم بخصائص الموجة، يجب أن يمتد على مسافة معينة. وبالتالي، فإنه سيشغل العديد من المناصب في نفس الوقت. ومع ذلك، لا يمكن تحديد الطول الموجي لأي جسم يقتصر على مساحة صغيرة من الفضاء بشكل فريد، فالجسم موجود بعدد كبير من الموجات في نفس الوقت. خصائص موجات الأشياء اليومية غير متاحة لنا، لأن الطول الموجي يتناقص فقط مع زيادة الزخم. ويبدو القط كبيرًا وثقيلًا نسبيًا. إذا أخذنا ذرة واحدة وقمنا بتكبيرها إلى حجم النظام الشمسي، فإن الطول الموجي لقطة تهرب من عالم فيزياء سيكون صغيرًا مثل الذرة الموجودة داخل مثل هذا النظام الشمسي. إنه صغير جدًا بحيث لا يمكن اكتشافه، لذلك لن نرى القطة تتصرف كالموجة أبدًا. وفي الوقت نفسه، يمكن لجسيم دقيق مثل الإلكترون أن يُظهر دليلًا مثيرًا للإعجاب على أصله المزدوج. إذا تم إرسال الإلكترونات واحدة تلو الأخرى من خلال شقين ضيقين في حاجز، فإن كل إلكترون يتصرف مثل الجسيم وينتهي في مكان محدد في أي لحظة. ولكن إذا كررت هذه التجربة عدة مرات، وتتبعت جميع النتائج الفردية، فستلاحظ أن الإلكترونات تشكل نمطًا مميزًا لسلوك الموجة. مجموعات من النطاقات - مناطق بها العديد من الإلكترونات، مفصولة بمناطق لا يوجد فيها أي إلكترونات على الإطلاق. إذا قمت بحظر إحدى الفتحات، فسوف تختفي الخطوط. وهذا يثبت أن النمط هو نتيجة مرور كل إلكترون عبر الشقين في وقت واحد. لا يحدد الإلكترون الفردي ما إذا كان سيتجه يسارًا أو يمينًا، فهو يتحرك يسارًا ويمينًا في نفس الوقت. إن تراكب الدول هذا يقودنا أيضًا إلى التكنولوجيا الحديثة. أي إلكترون يقع بالقرب من النواة في أي ذرة، يوجد على شكل مدار موجي موزع. عندما تقترب ذرتان من بعضهما البعض، لا يتعين على الإلكترونات اختيار ذرة واحدة فقط، بل يتم توزيعها فيما بينها. هذه هي الطريقة التي تتشكل بها الروابط الكيميائية. أي إلكترون في أي جزيء لا يرتبط فقط بالذرة A أو B، بل يرتبط أيضًا بالذرة A وB في نفس الوقت. ومع زيادة عدد الذرات، تنتشر الإلكترونات بشكل أكبر، ويتم توزيعها بين ذرات أكثر في نفس الوقت. في المادة الصلبة، لا ترتبط الإلكترونات بذرة محددة، بل يتم توزيعها فيما بينها جميعًا، وتنتشر على مساحة أكبر من الفضاء. يحدد هذا التراكب الهائل للحالات الطرق التي تتحرك بها الإلكترونات عبر المادة، سواء كانت موصلة أو عازلة أو شبه موصلة. إن فهم كيفية توزيع الإلكترونات بين الذرة يسمح بالتحكم الأكثر دقة في خصائص المواد شبه الموصلة مثل السيليكون. يتيح لنا الجمع بين أشباه الموصلات المختلفة بشكل صحيح إنشاء ترانزستورات على مستوى مصغر - ملايين منها لكل شريحة كمبيوتر. تساعد هذه الرقائق وإلكتروناتها الموزعة في تشغيل الكمبيوتر الذي تستخدمه لمشاهدة هذا الفيديو. وفقا لنكتة قديمة، فإن الإنترنت موجود بغرض توزيع مقاطع فيديو عن القطط. في الواقع، على المستوى الأساسي، تدين شبكة الإنترنت بوجودها لفيزيائي نمساوي وقطته الخيالية.

جوهر التجربة

في الواقع، يرى هوكينج والعديد من علماء الفيزياء الآخرين أن تفسير مدرسة كوبنهاجن لميكانيكا الكم غير مبرر في التأكيد على دور المراقب. الوحدة النهائية بين الفيزيائيين حول هذه القضية لم تتحقق بعد.

إن توازي العوالم في كل لحظة من الزمن يتوافق مع إنسان آلي حقيقي غير حتمي، على عكس إنسان آلي احتمالي، عندما يتم اختيار أحد المسارات المحتملة في كل خطوة اعتمادًا على احتمالاتها.

مفارقة ويغنر

هذه نسخة معقدة من تجربة شرودنغر. قدم يوجين فيجنر فئة "الأصدقاء". بعد الانتهاء من التجربة، يفتح المجرب الصندوق ويرى قطة حية. ينتقل ناقل حالة القطة في لحظة فتح الصندوق إلى الحالة "لم تتحلل النواة، القطة على قيد الحياة". وهكذا، في المختبر تم التعرف على القطة على قيد الحياة. خارج المختبر هو صديق. صديقلا يعرف حتى الآن ما إذا كانت القطة حية أم ميتة. صديقيتعرف على القطة على أنها حية فقط عندما يخبره المجرب بنتيجة التجربة. لكن الجميع أصدقاءلم يتم التعرف على القطة على قيد الحياة بعد، ولن يتم التعرف عليها إلا عندما يتم إبلاغها بنتيجة التجربة. وبالتالي، لا يمكن التعرف على القطة على أنها حية تمامًا (أو ميتة تمامًا) إلا عندما يعرف جميع الأشخاص في الكون نتيجة التجربة. وحتى هذه اللحظة، على مقياس الكون الكبير، تبقى القطة، بحسب فيجنر، حية وميتة في نفس الوقت.

(من وجهة نظر تفسير كوبنهاغن، سيتم إجراء ملاحظة) وسوف يذهب الضوء إلى إحدى الدول. ومن خلال إجراء اختبارات إحصائية للضوء عند الطرف المستقبل للكابل، سيكون من الممكن اكتشاف ما إذا كان الضوء في حالات تراكب أو تم رصده بالفعل ونقله إلى نقطة أخرى. وهذا يجعل من الممكن إنشاء وسائل اتصال تستبعد اعتراض الإشارات والتنصت غير القابل للاكتشاف.

تُظهر التجربة (التي يمكن تنفيذها من حيث المبدأ، على الرغم من عدم إنشاء أنظمة التشفير الكمي العاملة القادرة على نقل كميات كبيرة من المعلومات بعد) أيضًا أن "الملاحظة" في تفسير كوبنهاغن لا علاقة لها بوعي المراقب، لأنه في هذه الحالة يؤدي التغيير في الإحصائيات بنهاية الكبل إلى فرع جامد تمامًا من السلك.

وكما أوضح لنا هايزنبرغ، وبسبب مبدأ عدم اليقين، فإن وصف الأجسام في العالم الصغير الكمي له طبيعة مختلفة عن الوصف المعتاد للأشياء في العالم الكبير النيوتوني. بدلا من الإحداثيات المكانية والسرعة التي اعتدنا عليها لوصف الحركة الميكانيكية، على سبيل المثال، الكرة على طاولة البلياردو، في ميكانيكا الكم يتم وصف الكائنات من خلال ما يسمى وظيفة الموجة. تتوافق قمة "الموجة" مع أقصى احتمال للعثور على جسيم في الفضاء في لحظة القياس. يتم وصف حركة مثل هذه الموجة بواسطة معادلة شرودنجر، التي تخبرنا كيف تتغير حالة النظام الكمي بمرور الوقت.

الآن عن القطة. يعلم الجميع أن القطط تحب الاختباء في الصناديق (). كان إروين شرودنغر على علم أيضًا. علاوة على ذلك، وبتعصبه الاسكندنافي المحض، استخدم هذه الميزة في تجربة فكرية شهيرة. كان جوهر الأمر هو أن قطة كانت محبوسة في صندوق به آلة جهنمية. يتم توصيل الآلة عبر مرحل بنظام كمي، على سبيل المثال، مادة متحللة إشعاعيًا. احتمال الاضمحلال معروف وهو 50٪. يتم تشغيل الآلة الجهنمية عندما تتغير الحالة الكمومية للنظام (يحدث الاضمحلال) وتموت القطة تمامًا. إذا تركت نظام "Cat-box-hellish-machine-quanta" لنفسه لمدة ساعة واحدة وتذكرت أن حالة النظام الكمي موصوفة من حيث الاحتمالية، فسيصبح من الواضح أنه ربما لن يكون من الممكن اكتشاف ذلك ما إذا كانت القطة على قيد الحياة أم لا في لحظة معينة من الزمن، كما أنه من المستحيل التنبؤ بدقة بسقوط عملة معدنية على الرؤوس أو الذيل مسبقًا. المفارقة بسيطة للغاية: فالدالة الموجية التي تصف النظام الكمي تمزج بين حالتي القطة - فهي حية وميتة في نفس الوقت، تمامًا كما يمكن أن يوجد الإلكترون المقيد باحتمال متساو في أي مكان في الفضاء على مسافة متساوية من النواة الذرية. إذا لم نفتح الصندوق، فلن نعرف بالضبط كيف حال القطة. بدون إجراء ملاحظات (اقرأ القياسات) للنواة الذرية، لا يمكننا وصف حالتها إلا عن طريق تراكب (خلط) حالتين: نواة متحللة وغير متحللة. القطة في حالة الإدمان النووي تكون حية وميتة في نفس الوقت. والسؤال هو: متى يتوقف النظام عن الوجود كخليط من دولتين ويختار دولة واحدة محددة؟

يخبرنا تفسير كوبنهاجن للتجربة أن النظام يتوقف عن أن يكون خليطًا من الحالات ويختار واحدة منها في اللحظة التي تحدث فيها الملاحظة، والتي تكون أيضًا قياسًا (يفتح الصندوق). وهذا يعني أن حقيقة القياس ذاتها تغير الواقع المادي، مما يؤدي إلى انهيار الدالة الموجية (إما أن تموت القطة أو تظل على قيد الحياة، ولكنها تتوقف عن أن تكون مزيجًا من الاثنين)! فكر في الأمر، التجربة والقياسات المصاحبة لها تغير الواقع من حولنا. شخصيا، هذه الحقيقة تزعج عقلي أكثر بكثير من الكحول. كما أن ستيف هوكينج المعروف يواجه صعوبة في تجربة هذه المفارقة، مكررًا أنه عندما يسمع عن قطة شرودنغر، تمد يده إلى براوننج. ترجع شدة رد فعل عالم الفيزياء النظرية المتميز إلى حقيقة أن دور المراقب في انهيار الدالة الموجية (انهيارها إلى إحدى الحالتين الاحتماليتين) مبالغ فيه إلى حد كبير، في رأيه.

بالطبع، عندما تصور البروفيسور إيروين تعذيب القطط في عام 1935، كانت طريقة بارعة لإظهار النقص في ميكانيكا الكم. في الواقع، لا يمكن أن تكون القطة حية وميتة في نفس الوقت. ونتيجة لأحد تفسيرات التجربة، أصبح من الواضح أن هناك تناقضا بين قوانين العالم الكلي (على سبيل المثال، القانون الثاني للديناميكا الحرارية - القطة إما حية أو ميتة) وقوانين العالم الجزئي. العالم (القطة حية وميتة في نفس الوقت).

يتم استخدام ما سبق عمليًا: في الحوسبة الكمومية والتشفير الكمي. يتم إرسال إشارة ضوئية في حالة تراكب من حالتين عبر كابل ألياف ضوئية. إذا اتصل المهاجمون بالكابل في مكان ما في المنتصف وقاموا بنقر إشارة هناك من أجل التنصت على المعلومات المرسلة، فسيؤدي ذلك إلى انهيار الدالة الموجية (من وجهة نظر تفسير كوبنهاجن، سيتم إجراء ملاحظة) و سوف يذهب الضوء إلى إحدى الولايات. ومن خلال إجراء اختبارات إحصائية للضوء عند الطرف المستقبل للكابل، سيكون من الممكن اكتشاف ما إذا كان الضوء في حالات تراكب أو تم رصده بالفعل ونقله إلى نقطة أخرى. وهذا يجعل من الممكن إنشاء وسائل اتصال تستبعد اعتراض الإشارات والتنصت غير القابل للاكتشاف.

تفسير آخر أكثر حداثة لتجربة شرودنغر الفكرية هو القصة التي أخبرها شيلدون كوبر، شخصية نظرية الانفجار الكبير، لجارته الأقل تعليما بيني. المغزى من قصة شيلدون هو أن مفهوم قطة شرودنغر يمكن تطبيقه على العلاقات الإنسانية. من أجل فهم ما يحدث بين رجل وامرأة، ما هي العلاقة بينهما: جيدة أو سيئة، تحتاج فقط إلى فتح الصندوق. حتى ذلك الحين، العلاقة جيدة وسيئة.

من المؤكد أن الكثيرين قد صادفوا هذه الصيغة الغامضة. ولم تتمكن الأغلبية من فهم جوهر الأمر بشكل كامل. قطة شرودنغر هي تجربة سميت على اسم مبتكرها، وهو فيزيائي نمساوي وأحد مؤسسي ميكانيكا الكم. في مادتنا نتحدث ببساطة وباختصار عن معنى التجربة. ما الفائدة منها؟

إروين شرودنجر عالم فيزياء نظرية مشهور. وفي عام 1935، قرر إجراء تجربة افتراضية على قطة. كل هذا لإثبات أن تفسير كوبنهاجن للتراكب (خلط حالتين) ليس صحيحًا تمامًا فيما يتعلق بنظرية الكم.

ما هو جوهر التجربة؟

يضع شرودنغر قطًا حيًا عقليًا في غرفة فولاذية مع مطرقة وقنينة من حمض الهيدروسيانيك وكمية صغيرة جدًا من المواد المشعة. إذا اضمحلت حتى ذرة واحدة من المواد المشعة خلال فترة الاختبار، فإن آلية التتابع ستطلق المطرقة. لكنه سوف يقلب بالفعل زجاجة الغاز السام ويجعل القطة تموت.

لماذا توصل شرودنغر إلى هذا؟

في ميكانيكا الكم، يُعتقد أنه إذا لم يكن هناك أحد ولا شيء يراقب النواة، فهي في حالة مختلطة وغير محددة. كلاهما تفكك ولم يتفكك على الفور. ولكن عندما يظهر الراصد، تجد النواة نفسها في إحدى الحالات. بالمناسبة، كان هدف تجربة شرودنغر هو معرفة اللحظة التي تكون فيها "القطة ميتة وحية". وأيضا عند اكتشاف حالة معينة. يريد أحد العلماء إثبات أن ميكانيكا الكم مستحيلة بدون تفاصيل دقيقة. ويحددون الظروف التي يحدث فيها انهيار الدالة الموجية (تغير الحالة). كما أنها تحدد متى يظل الكائن في إحدى الحالات المحتملة (وليس في عدة حالات في وقت واحد).

أراد إروين شرودنجر أن يشير إلى نتيجة غريبة توصل إليها منظرو الكم. لقد اعتقدوا أن الشخص العادي يمكنه رؤية الحالة الحقيقية للمادة دون مساعدة. كان تفسير كوبنهاجن لفيزياء الكم هو السائد في ذلك الوقت. لقد اعتقدت أن الذرات أو الفوتونات موجودة في عدة حالات في لحظة واحدة (في حالة تراكب) ولا تدخل في حالة معينة حتى يتم ملاحظتها.

تقول تجربة شرودنغر إن الراصد لا يمكنه معرفة ما إذا كانت ذرة مادة ما قد اضمحلت أم لا. بالإضافة إلى ذلك، لا يعرف المراقب ما إذا كانت الزجاجة قد انكسرت أو ماتت القطة. وفقًا لتفسير كوبنهاجن، ستكون القطة حية وميتة حتى ينظر شخص ما إلى الصندوق. في ميكانيكا الكم، القدرة على البقاء حيًا وميتًا حتى يتم ملاحظتها تسمى عدم اليقين الكمي أو مفارقة المراقب. المنطق وراء مفارقة المراقب هو أن الملاحظات يمكن أن تحدد النتائج.

وافق شرودنغر على وجود التراكب. بالمناسبة، خلال حياته، تمكن العلماء من إثبات ذلك من خلال دراسة التداخل في موجات الضوء. لكنه تساءل متى يفسح التراكب المجال لحالة معينة. تجربة شرودنغر جعلت الناس يتساءلون. هل من الممكن حقاً تحديد نتيجة حياة القطة عن طريق فتح الصندوق (أنظر إليه)؟

لكن هل ستكون القطة حية أم ميتة، حتى لو لم يتم فتح الصندوق؟

بهذه التجربة الفكرية المتناقضة، أثبت شرودنجر خطأ تفسير كوبنهاجن لفيزياء الكم. قد يعمل هذا التفسير على المستوى المجهري. لكن لا علاقة لها بالعالم العياني (يتم أخذ القطة كمثال للعالم العياني). إن ما يعرفه العلماء عن طبيعة المادة على المستوى المجهري وما يلاحظه الناس على المستوى المجهري لم يتم فهمه بالكامل بعد. يبقى دور المراقب قضية مهمة في دراسة فيزياء الكم، وهو مصدر لا نهاية له من التكهنات.

من المؤسف أنني أريد أن أعترف أنني سمعت هذا التعبير، لكن لم أكن أعرف ماذا يعني أو حتى في أي موضوع تم استخدامه. دعني أخبرك بما قرأته على الإنترنت عن هذه القطة...

« قطة شرودنجر» - هذا هو اسم التجربة الفكرية الشهيرة لعالم الفيزياء النظرية النمساوي الشهير إروين شرودنجر، وهو أيضًا حائز على جائزة نوبل. وبمساعدة هذه التجربة الوهمية، أراد العالم إظهار عدم اكتمال ميكانيكا الكم في الانتقال من الأنظمة دون الذرية إلى الأنظمة العيانية.

نُشرت المقالة الأصلية لإروين شرودنغر عام 1935. وهنا الاقتباس:

يمكنك أيضًا إنشاء حالات يوجد فيها هزلية تمامًا. دع قطة ما تكون محبوسة في غرفة فولاذية باستخدام الآلة الشيطانية التالية (والتي يجب أن تكون بغض النظر عن تدخل القطة): داخل عداد جيجر هناك كمية صغيرة من المادة المشعة، صغيرة جدًا لدرجة أن ذرة واحدة فقط يمكن أن تتحلل في ساعة واحدة، ولكن بنفس الاحتمال قد لا تتفكك؛ إذا حدث هذا، يتم تفريغ أنبوب القراءة ويتم تنشيط المرحل، مما يؤدي إلى إطلاق المطرقة التي تكسر القارورة بحمض الهيدروسيانيك.

فإذا تركنا هذا النظام بأكمله لنفسه لمدة ساعة، فيمكننا القول أن القطة ستكون على قيد الحياة بعد هذه المدة، طالما لم تتفكك الذرة. أول تفكك للذرة من شأنه أن يسمم القطة. سوف تعبر وظيفة psi للنظام ككل عن ذلك عن طريق خلط أو تلطيخ قطة حية وميتة (عفوا عن التعبير) في أجزاء متساوية. والأمر المعتاد في مثل هذه الحالات هو أن عدم اليقين الذي كان يقتصر في الأصل على العالم الذري يتحول إلى عدم يقين عياني، يمكن إزالته بالملاحظة المباشرة. وهذا يمنعنا من قبول "النموذج الضبابي" بسذاجة باعتباره يعكس الواقع. وهذا في حد ذاته لا يعني شيئا غير واضح أو متناقض. هناك فرق بين الصورة الباهتة أو الخارجة عن نطاق التركيز وصورة السحب أو الضباب.

بعبارة أخرى:

1. هناك صندوق وقطة. يحتوي الصندوق على آلية تحتوي على نواة ذرية مشعة وحاوية من الغاز السام. تم اختيار المعاملات التجريبية بحيث يكون احتمال الاضمحلال النووي خلال ساعة واحدة 50%. وإذا تفككت النواة ينفتح وعاء من الغاز وتموت القطة. إذا لم تتحلل النواة، تبقى القطة على قيد الحياة وبصحة جيدة.
2. نغلق القطة في صندوق وننتظر ساعة ونطرح السؤال: هل القطة حية أم ميتة؟
3. يبدو أن ميكانيكا الكم تخبرنا أن النواة الذرية (وبالتالي القطة) موجودة في جميع الحالات الممكنة في وقت واحد (انظر التراكب الكمي). قبل أن نفتح الصندوق، يكون نظام نواة القطة في حالة "تحللت النواة، والقطة ميتة" باحتمال 50%، وفي حالة "النواة لم تضمحل، والقطة حية" مع احتمال 50% احتمال 50٪. اتضح أن القطة الجالسة في الصندوق حية وميتة في نفس الوقت.
4. وفقًا لتفسير كوبنهاجن الحديث، فإن القطة حية/ميتة بدون أي حالات وسيطة. واختيار حالة اضمحلال النواة لا يحدث في لحظة فتح الصندوق، بل حتى عندما تدخل النواة إلى الكاشف. لأن تقليل الوظيفة الموجية لنظام "كاشف القطة-النواة" لا يرتبط بالمراقب البشري للصندوق، ولكنه يرتبط بالمراقب الكاشف للنواة.

وفقا لميكانيكا الكم، إذا لم يتم ملاحظة نواة الذرة، فسيتم وصف حالتها بمزيج من حالتين - نواة متحللة ونواة غير متحللة، لذلك قطة تجلس في صندوق وتجسد نواة الذرة هو حي وميت في نفس الوقت. إذا تم فتح الصندوق، فيمكن للمجرب رؤية حالة محددة واحدة فقط - "لقد تحللت النواة، ماتت القطة" أو "النواة لم تتحلل، القطة على قيد الحياة".

الجوهر في اللغة الإنسانية

أظهرت تجربة شرودنجر أنه من وجهة نظر ميكانيكا الكم، فإن القطة حية وميتة في نفس الوقت، وهو أمر لا يمكن أن يكون كذلك. ولذلك فإن ميكانيكا الكم بها عيوب كبيرة.

والسؤال هو: متى يتوقف النظام عن الوجود كخليط من دولتين ويختار دولة واحدة محددة؟ الغرض من التجربة هو إظهار أن ميكانيكا الكم غير مكتملة بدون بعض القواعد التي تشير تحت أي ظروف تنهار الدالة الموجية، وإما أن تموت القطة أو تبقى على قيد الحياة ولكنها لم تعد مزيجًا من الاثنين معًا. وبما أنه من الواضح أن القطة يجب أن تكون إما حية أو ميتة (لا توجد حالة وسطية بين الحياة والموت)، فسيكون الأمر كذلك بالنسبة للنواة الذرية. يجب أن تكون إما متحللة أو غير متحللة (ويكيبيديا).

تفسير آخر أكثر حداثة لتجربة شرودنغر الفكرية هو القصة التي أخبرها شيلدون كوبر، شخصية نظرية الانفجار الكبير، لجارته الأقل تعليما بيني. المغزى من قصة شيلدون هو أن مفهوم قطة شرودنغر يمكن تطبيقه على العلاقات الإنسانية. من أجل فهم ما يحدث بين رجل وامرأة، ما هي العلاقة بينهما: جيدة أو سيئة، تحتاج فقط إلى فتح الصندوق. حتى ذلك الحين، العلاقة جيدة وسيئة.

يوجد أدناه مقطع فيديو لتبادل نظرية الانفجار الكبير بين شيلدون وبينيا.

يعتبر توضيح شرودنجر أفضل مثال لوصف المفارقة الرئيسية في فيزياء الكم: وفقًا لقوانينها، توجد جسيمات مثل الإلكترونات والفوتونات وحتى الذرات في حالتين في نفس الوقت ("حية" و"ميتة"، إذا كنت تتذكر قطة طويلة المعاناة). وتسمى هذه الحالات التراكبات.

اقترح الفيزيائي الأمريكي آرت هوبسون من جامعة أركنساس (جامعة ولاية أركنساس) حله لهذه المفارقة.

"تعتمد القياسات في فيزياء الكم على تشغيل بعض الأجهزة العيانية، مثل عداد جيجر، الذي يتم من خلاله تحديد الحالة الكمومية للأنظمة المجهرية - الذرات والفوتونات والإلكترونات. تشير نظرية الكم إلى أنه إذا قمت بتوصيل نظام مجهري (جسيم) بجهاز ما ميكروسكوبي يميز بين حالتين مختلفتين للنظام، فإن الجهاز (عداد جيجر، على سبيل المثال) سيدخل في حالة من التشابك الكمي ويجد نفسه أيضًا في حالتين التراكبات في نفس الوقت. لكن من المستحيل ملاحظة هذه الظاهرة بشكل مباشر، مما يجعلها غير مقبولة”.

يقول هوبسون إنه في مفارقة شرودنجر، تلعب القطة دور جهاز مجهري، وهو عداد جيجر، متصل بنواة مشعة لتحديد حالة الاضمحلال أو "عدم الاضمحلال" لتلك النواة. وفي هذه الحالة ستكون القطة الحية مؤشرا على "عدم الاضمحلال"، والقطة الميتة ستكون مؤشرا على الاضمحلال. لكن وفقًا لنظرية الكم، فإن القطة، مثل النواة، يجب أن توجد في تراكبين للحياة والموت.

بدلًا من ذلك، يقول الفيزيائي، إن الحالة الكمومية للقطط يجب أن تكون متشابكة مع حالة الذرة، مما يعني أنهما في "علاقة غير محلية" مع بعضهما البعض. أي أنه إذا تغيرت حالة أحد الأجسام المتشابكة فجأة إلى العكس، فإن حالة زوجها ستتغير أيضًا، بغض النظر عن بعدهما عن بعضهما البعض. وفي الوقت نفسه، يشير هوبسون إلى التأكيد التجريبي لنظرية الكم هذه.

"الشيء الأكثر إثارة للاهتمام في نظرية التشابك الكمي هو أن التغيير في حالة كلا الجسيمين يحدث على الفور: لن يكون لدى أي إشارة ضوئية أو كهرومغناطيسية الوقت الكافي لنقل المعلومات من نظام إلى آخر. لذا يمكنك القول إنه جسم واحد مقسم إلى قسمين في الفضاء، مهما كانت المسافة بينهما كبيرة،» يوضح هوبسون.

قطة شرودنغر لم تعد حية وميتة في نفس الوقت. فهو ميت إذا حدث الانحلال، وحي إذا لم يحدث الانحلال.

دعونا نضيف أن حلولاً مماثلة لهذه المفارقة تم اقتراحها من قبل ثلاث مجموعات أخرى من العلماء على مدى الثلاثين عامًا الماضية، لكنها لم تؤخذ على محمل الجد وبقيت دون أن يلاحظها أحد في دوائر علمية واسعة. ويشير هوبسون إلى أن حل مفارقات ميكانيكا الكم، على الأقل من الناحية النظرية، ضروري للغاية لفهمها المتعمق.

شرودنغر

ولكن في الآونة الأخيرة فقط يشرح المنظرون كيف تقتل الجاذبية قطة شرودنجر،ولكن هذا أكثر تعقيدا..

كقاعدة عامة، يشرح الفيزيائيون الظاهرة بأن التراكب ممكن في عالم الجسيمات، لكنه مستحيل في القطط أو غيرها من الأجسام الكبيرة، بسبب التداخل مع البيئة. عندما يمر جسم كمي عبر مجال ما أو يتفاعل مع جسيمات عشوائية، فإنه يتخذ على الفور حالة واحدة فقط، كما لو تم قياسه. هذه هي بالضبط الطريقة التي يتم بها تدمير التراكب، كما يعتقد العلماء.

ولكن حتى لو أصبح من الممكن بطريقة أو بأخرى عزل جسم كبير في حالة تراكب عن التفاعلات مع الجسيمات والحقول الأخرى، فإنه سيظل عاجلاً أم آجلاً يتخذ حالة واحدة. على الأقل هذا صحيح بالنسبة للعمليات التي تحدث على سطح الأرض.

"في مكان ما في الفضاء بين النجوم، ربما يكون لدى القطة فرصة للحفاظ على التماسك الكمي، ولكن على الأرض أو بالقرب من أي كوكب هذا غير مرجح للغاية. "والسبب في ذلك هو الجاذبية"، يوضح المؤلف الرئيسي للدراسة الجديدة، إيغور بيكوفسكي من مركز هارفارد سميثسونيان للفيزياء الفلكية.

يرى بيكوفسكي وزملاؤه من جامعة فيينا أن الجاذبية لها تأثير مدمر على التراكبات الكمومية للأجسام الكبيرة، وبالتالي فإننا لا نلاحظ ظواهر مماثلة في الكون الكبير. بالمناسبة ، تم توضيح المفهوم الأساسي للفرضية الجديدة بإيجاز في الفيلم الروائي "Interstellar".

تنص نظرية النسبية العامة لأينشتاين على أن جسمًا ضخمًا للغاية سوف يؤدي إلى انحناء الزمكان حوله. وبالنظر إلى الوضع على مستوى أصغر، يمكننا القول أنه بالنسبة للجزيء الموجود بالقرب من سطح الأرض، فإن الوقت سوف يمر أبطأ إلى حد ما من الجزيء الموجود في مدار كوكبنا.

وبسبب تأثير الجاذبية على الزمكان، فإن الجزيء المتأثر بهذا التأثير سوف يتعرض لانحراف في موضعه. وهذا بدوره يجب أن يؤثر على طاقته الداخلية - اهتزازات الجزيئات في الجزيء التي تتغير بمرور الوقت. إذا تم إدخال الجزيء إلى حالة التراكب الكمي لموقعين، فإن العلاقة بين الموضع والطاقة الداخلية ستجبر الجزيء قريبًا على "اختيار" موقع واحد فقط من الموقعين في الفضاء.

"في معظم الحالات، ترتبط ظاهرة فك الترابط بتأثير خارجي، ولكن في هذه الحالة، يتفاعل الاهتزاز الداخلي للجزيئات مع حركة الجزيء نفسه"، يوضح بيكوفسكي.

لم يتم ملاحظة هذا التأثير حتى الآن لأن المصادر الأخرى لفك الترابط، مثل المجالات المغناطيسية والإشعاع الحراري والاهتزازات، عادة ما تكون أقوى بكثير، مما يتسبب في تدمير الأنظمة الكمومية قبل فترة طويلة من حدوث الجاذبية. لكن المجربين يسعون جاهدين لاختبار الفرضية.

ويمكن أيضًا استخدام إعداد مماثل لاختبار قدرة الجاذبية على تدمير الأنظمة الكمومية. للقيام بذلك، سيكون من الضروري مقارنة مقاييس التداخل الرأسية والأفقية: في الأول، يجب أن يختفي التراكب قريبًا بسبب تمدد الزمن عند "ارتفاعات" مختلفة للمسار، بينما في الثانية، قد يبقى التراكب الكمي.