Schrödingerio katės paradoksas. Prasmės paaiškinimas. Šriodingerio katė – garsusis paradoksalus eksperimentas Šriodingerio minties eksperimentas
Neprarask. Prenumeruokite ir gaukite nuorodą į straipsnį savo el. paštu.
Tikrai ne kartą girdėjote, kad egzistuoja toks reiškinys kaip „Schrödingerio katė“. Bet jei nesate fizikas, greičiausiai turite tik miglotą supratimą apie tai, kokia tai katė ir kodėl ji reikalinga.
« Šrodingerio katė“ – taip vadinasi garsaus austrų fiziko teorinio Erwino Schrödingerio, kuris taip pat yra Nobelio premijos laureatas, minties eksperimentas. Šio fiktyvaus eksperimento pagalba mokslininkas norėjo parodyti kvantinės mechanikos neužbaigtumą pereinant nuo subatominių sistemų prie makroskopinių sistemų.
Šis straipsnis – tai bandymas paprastais žodžiais paaiškinti Schrödingerio teorijos apie katę ir kvantinę mechaniką esmę, kad ji būtų prieinama žmogui, neturinčiam aukštojo techninio išsilavinimo. Straipsnyje taip pat bus pateiktos įvairios eksperimento interpretacijos, įskaitant tas, kurios iš TV serialo „Didžiojo sprogimo teorija“.
Eksperimento aprašymas
Originalus Erwino Schrödingerio straipsnis buvo paskelbtas 1935 m. Jame eksperimentas buvo aprašytas naudojant ar net personifikuojant:
Taip pat galite statyti atvejus, kuriuose yra gana burleska. Leiskite katę užrakinti plieninėje kameroje su tokia velniška mašina (kuri turėtų būti, nepaisant katės įsikišimo): Geigerio skaitiklio viduje yra nedidelis radioaktyviosios medžiagos kiekis, toks mažas, kad per valandą gali suirti tik vienas atomas, bet su ta pačia tikimybe gali nesuirti; jei taip atsitiks, skaitymo vamzdelis išsikrauna ir įjungiama relė, atleidžiamas plaktukas, kuris sulaužo kolbą vandenilio cianido rūgštimi.
Jei visą šią sistemą paliksime sau valandai, tada galime sakyti, kad po šio laiko katė bus gyva, jei tik atomas nesuirs. Pats pirmasis atomo suirimas nunuodytų katę. Sistemos kaip visumos psi funkcija tai išreikš sumaišydama arba sutepdama gyvą ir negyvą katę (atleiskite už posakį) lygiomis dalimis. Tokiais atvejais būdinga tai, kad neapibrėžtumas, iš pradžių apsiribojęs atominiu pasauliu, paverčiamas makroskopiniu neapibrėžtumu, kurį galima pašalinti tiesioginiu stebėjimu. Tai neleidžia mums naiviai priimti „neryškaus modelio“ kaip tikrovės atspindžio. Tai savaime nereiškia nieko neaiškaus ar prieštaringo. Yra skirtumas tarp neryškios arba nefokusuotos nuotraukos ir debesų ar rūko nuotraukos.
Kitaip tariant:
- Yra dėžė ir katė. Dėžutėje yra mechanizmas, kuriame yra radioaktyvus atomo branduolys ir nuodingų dujų talpykla. Eksperimentiniai parametrai parinkti taip, kad branduolio skilimo per 1 valandą tikimybė būtų 50%. Jei branduolys suyra, atsidaro dujų talpa ir katė miršta. Jei branduolys nesuyra, katė lieka gyva ir sveika.
- Sudarome katę į dėžę, palaukiame valandą ir užduodame klausimą: ar katė gyva ar mirusi?
- Atrodo, kad kvantinė mechanika mums sako, kad atomo branduolys (taigi ir katė) yra visose įmanomose būsenose vienu metu (žr. kvantinę superpoziciją). Prieš atidarant dėžutę, katės šerdies sistema yra būsenoje „branduolys suiro, katė negyva“ su 50% tikimybe, o būsena „branduolys nesuiręs, katė gyva“ tikimybe 50%. Pasirodo, dėžėje sėdinti katė yra ir gyva, ir mirusi vienu metu.
- Pagal šiuolaikinę Kopenhagos interpretaciją, katė yra gyva/negyva be jokių tarpinių būsenų. Ir branduolio skilimo būsenos pasirinkimas įvyksta ne dėžutės atidarymo momentu, o net tada, kai branduolys patenka į detektorių. Nes sistemos „katė-detektorius-branduolys“ banginės funkcijos sumažinimas nėra siejamas su žmogaus dėžės stebėtoju, o su branduolio detektoriumi-stebėtoju.
Paaiškinimas paprastais žodžiais
Remiantis kvantine mechanika, jei atomo branduolys nepastebimas, tai jo būsena apibūdinama dviejų būsenų mišiniu - suirusio branduolio ir nesuirusio branduolio, todėl katė sėdi dėžėje ir personifikuoja atomo branduolį. yra ir gyvas, ir miręs tuo pačiu metu. Jei dėžė atidaroma, eksperimentatorius gali matyti tik vieną konkrečią būseną - „branduolys suiro, katė negyva“ arba „branduolis nesuiręs, katė gyva“.
Esmė žmonių kalba: Schrödingerio eksperimentas parodė, kad kvantinės mechanikos požiūriu katė yra ir gyva, ir mirusi, o tai negali būti. Todėl kvantinė mechanika turi didelių trūkumų.
Kyla klausimas: kada sistema nustoja egzistuoti kaip dviejų būsenų mišinys ir pasirenka vieną konkrečią? Eksperimento tikslas – parodyti, kad kvantinė mechanika yra neišsami be tam tikrų taisyklių, nurodančių, kokiomis sąlygomis banginė funkcija žlunga, ir katė arba miršta, arba lieka gyva, bet nustoja būti abiejų mišiniu. Kadangi aišku, kad katė turi būti arba gyva, arba negyva (nėra tarpinės būsenos tarp gyvybės ir mirties), tai panašiai bus ir su atominiu branduoliu. Jis turi būti suiręs arba nesuiręs (Wikipedia).
Vaizdo įrašas iš Didžiojo sprogimo teorijos
Kita naujesnė Schrödingerio minties eksperimento interpretacija yra istorija, kurią Didžiojo sprogimo teorijos veikėjas Sheldonas Cooperis papasakojo savo mažiau išsilavinusiam kaimynui Penny. Sheldono istorijos esmė ta, kad Schrödingerio katės koncepciją galima pritaikyti žmonių santykiams. Norint suprasti, kas vyksta tarp vyro ir moters, kokie santykiai tarp jų: geri ar blogi, tereikia atidaryti dėžutę. Iki tol santykiai yra ir geri, ir blogi.
Žemiau yra vaizdo klipas apie šį Didžiojo sprogimo teorijos mainus tarp Sheldon ir Penia.
Ar katė liko gyva dėl eksperimento?
Tiems, kurie neperskaitė straipsnio atidžiai, bet vis tiek nerimauja dėl katės, gera žinia: mūsų duomenimis, nesijaudinkite dėl pamišusio austrų fiziko minties eksperimento
NĖRA KATINĖ SUKALSTA
Enciklopedinis „YouTube“.
1 / 5
✪ 🔶 Šriodingerio katė
✪ Fizika – kvantinė teorija. Šriodingerio katė ir dvigubas plyšys.
✪ Šriodingerio katė
✪ Šriodingerio katė
✪ Šriodingerio katės minties eksperimentas kvantinėje mechanikoje
Subtitrai
[muzika] Austrų fizikas Erwinas Schrödingeris yra vienas iš kvantinės mechanikos įkūrėjų. Tačiau jis garsėja tuo, ko niekada nedarė – minties eksperimentu, kuriame dalyvavo katė. Jis pasiūlė įdėti katę į sandarų indą su prietaisu, kuris turėjo 50% tikimybę, kad ji nužudys per valandą. Po valandos mokslininkas susidomėjo, kokios katės būklės? Sveikas protas diktuoja, kad jis yra gyvas arba miręs. Tačiau Schrödingeris pastebėjo, kad pagal kvantinę fiziką, prieš atidarant konteinerį, katė yra vienodai gyva ir mirusi tuo pačiu metu. Ir tik atidarius konteinerį matome vienintelę aiškią gyvūno būseną. Prieš tai jis lieka netikrumo būsenoje – pusiau vienoje būsenoje, pusiau kitoje. Tai atrodo absurdiška, ką pabrėžė Schrödingeris. Kvantinė fizika jam pasirodė tokia filosofiškai prieštaringa, kad atsisakė teorijos, kurią padėjo sukurti, ir pasuko dirbti biologijos srityje. Nepaisant akivaizdaus absurdo, Schrödingerio eksperimentas yra labai tikras. Be to, jo svarba neabejotina. būti dviejose būsenose vienu metu.Jei kvantiniai objektai neturėtų galimybės, tai kompiuterio, su kuriuo žiūrite šį vaizdo įrašą, nebūtų. Superpozicijos kvantinis reiškinys yra dvigubos, materialios bangos egzistencijos kilmės pasekmė. Kad bet koks objektas turėtų bangos savybes, jis turi tęstis tam tikru atstumu. Taigi jis vienu metu užims daug pareigų. Tačiau bet kurio objekto, apriboto nedideliu erdvės plotu, bangos ilgis negali būti vienareikšmiškai nustatytas ir objektas vienu metu egzistuoja tiek bangų. Kasdienių objektų bangų savybės mums nėra prieinamos, nes bangos ilgis mažėja tik didėjant impulsui. O katė atrodo gana didelė ir sunki. Jei paimtume vieną atomą ir padidintume jį iki Saulės sistemos dydžio, tai nuo fiziko bėgančios katės bangos ilgis būtų toks pat mažas, kaip ir atomo tokioje saulės sistemoje. Jis per mažas aptikti, todėl niekada nepamatysime, kad katė elgiasi kaip banga. Tuo pačiu metu mikrodalelė, tokia kaip elektronas, gali parodyti įspūdingus dvigubos kilmės įrodymus. Jei elektronai siunčiami vienas po kito per du siaurus barjero plyšius, kiekvienas elektronas elgiasi kaip dalelė ir bet kuriuo momentu atsiduria tam tikroje vietoje. Bet jei kartosite šį eksperimentą daug kartų, stebėdami visus atskirus rezultatus, pastebėsite, kad elektronai sudaro modelį, būdingą bangos elgesiui. Juostų deriniai – sritys, kuriose yra daug elektronų, atskirtos sritimis, kuriose jų visai nėra. Jei užblokuosite vieną iš lizdų, juostelės išnyks. Tai įrodo, kad modelis yra kiekvieno elektrono, praeinančio per abu plyšius, pasekmė. Atskiras elektronas nenusprendžia, ar eiti į kairę, ar į dešinę, jis eina į kairę ir į dešinę tuo pačiu metu. Ši valstybių superpozicija taip pat veda mus prie šiuolaikinių technologijų. Bet kuris elektronas, esantis šalia bet kurio atomo branduolio, egzistuoja paskirstytos, bangos formos orbitos pavidalu. Kai du atomai artėja vienas prie kito, elektronai neturi pasirinkti tik vieno atomo, jie pasiskirsto tarp jų. Taip susidaro cheminiai ryšiai. Bet kuris elektronas bet kurioje molekulėje yra susietas ne tik su atomu A ar B, bet kartu su A ir B. Didėjant atomų skaičiui, elektronai dar labiau pasiskirsto ir tuo pačiu metu pasiskirsto tarp daugiau atomų. Kietajame kūne elektronai nėra susieti su konkrečiu atomu, jie pasiskirstę tarp jų, pasklisdami didesniame erdvės tūryje. Ši milžiniška būsenų superpozicija lemia būdus, kuriais elektronai juda materijoje, nesvarbu, ar tai laidininkas, dielektrikas ar puslaidininkis. Supratimas, kaip elektronai pasiskirsto tarp atomų, leidžia tiksliausiai valdyti puslaidininkinių medžiagų, tokių kaip silicis, savybes. Tinkamai derindami skirtingus puslaidininkius, galime sukurti miniatiūrinio lygio tranzistorius – milijonus jų viename kompiuterio luste. Tokie lustai ir jų paskirstyti elektronai padeda paleisti kompiuterį, kurį naudojate žiūrėdami šį vaizdo įrašą. Pasak seno pokšto, internetas egzistuoja tam, kad būtų platinami kačių vaizdo įrašai. Tiesą sakant, iš esmės internetas yra skolingas austrų fizikui ir jo įsivaizduojamai katei.
Eksperimento esmė
Tiesą sakant, Hawkingas ir daugelis kitų fizikų laikosi nuomonės, kad Kopenhagos mokyklos kvantinės mechanikos interpretacija yra nepagrįsta, pabrėžiant stebėtojo vaidmenį. Galutinė fizikų vienybė šiuo klausimu vis dar nepasiekta.
Pasaulių lygiagretinimas kiekvienu laiko momentu atitinka tikrą nedeterministinį automatą, priešingai nei tikimybinis, kai kiekviename žingsnyje pasirenkamas vienas iš galimų kelių, priklausomai nuo jų tikimybės.
Wignerio paradoksas
Tai sudėtinga Schrödingerio eksperimento versija. Eugenijus Wigneris pristatė „draugų“ kategoriją. Baigęs eksperimentą, eksperimentatorius atidaro dėžutę ir pamato gyvą katę. Katės būsenos vektorius dėžutės atidarymo momentu pereina į būseną „branduolys nesuiręs, katė gyva“. Taigi laboratorijoje katė buvo pripažinta gyva. Už laboratorijos yra Draugas. Draugas dar nežino, ar katė gyva, ar mirusi. Draugas atpažįsta katę kaip gyvą tik tada, kai eksperimentatorius jam pasako eksperimento rezultatą. Bet visi kiti Draugai katė dar nebuvo pripažinta kaip gyva ir bus atpažinta tik tada, kai bus informuota apie eksperimento rezultatą. Taigi, katė gali būti pripažinta visiškai gyva (arba visiškai mirusia), kai visi žmonės visatoje žino eksperimento rezultatą. Iki šios akimirkos, Didžiosios Visatos mastu, katė, pasak Wignerio, išlieka gyva ir mirusi tuo pačiu metu.
(Kopenhagos interpretacijos požiūriu bus atliktas stebėjimas) ir šviesa pateks į vieną iš būsenų. Atliekant statistinius šviesos bandymus priimančiame kabelio gale, bus galima nustatyti, ar šviesa yra būsenų superpozicijoje, ar jau buvo pastebėta ir perduota į kitą tašką. Tai leidžia sukurti ryšio priemones, kurios neleidžia aptikti signalo perėmimo ir pasiklausymo.
Eksperimentas (kuris iš principo gali būti atliktas, nors dar nesukurtos veikiančios kvantinės kriptografijos sistemos, galinčios perduoti didelius informacijos kiekius) taip pat rodo, kad „stebėjimas“ Kopenhagos interpretacijoje neturi nieko bendra su stebėtojo sąmone. kadangi šiuo atveju statistikos pokytis kabelio gale veda į visiškai negyvą laido atšaką.
Kaip mums paaiškino Heisenbergas, dėl neapibrėžtumo principo objektų aprašymas kvantiniame mikropasaulyje yra kitokio pobūdžio nei įprastas Niutono makropasaulio objektų aprašymas. Vietoj erdvinių koordinačių ir greičio, kuriuos esame įpratę apibūdinti mechaniniam judėjimui, pavyzdžiui, kamuoliuką ant biliardo stalo, kvantinėje mechanikoje objektai apibūdinami vadinamąja bangine funkcija. „Bangos“ ketera atitinka didžiausią tikimybę rasti dalelę erdvėje matavimo momentu. Tokios bangos judėjimas apibūdinamas Šriodingerio lygtimi, kuri parodo, kaip kvantinės sistemos būsena kinta laikui bėgant.
Dabar apie katę. Visi žino, kad katės mėgsta slėptis dėžėse (). Erwinas Schrödingeris taip pat žinojo. Be to, su grynai šiaurietišku fanatizmu jis panaudojo šią savybę garsiajame minties eksperimente. Esmė ta, kad katė buvo uždaryta dėžėje su pragariška mašina. Mašina per relę prijungta prie kvantinės sistemos, pavyzdžiui, radioaktyviai skylančios medžiagos. Skilimo tikimybė yra žinoma ir yra 50%. Pragarinė mašina suveikia, kai pasikeičia sistemos kvantinė būsena (vyksta irimas) ir katė visiškai miršta. Jei vieną valandą paliksite sau sistemą „Katė-dėžutė-pragariška mašina-kvanta“ ir atsiminsite, kad kvantinės sistemos būsena apibūdinama tikimybe, tada paaiškės, kad to greičiausiai nepavyks sužinoti. ar katė tam tikru laiko momentu gyva, ar ne, kaip ir neįmanoma iš anksto tiksliai numatyti monetos kritimo ant galvų ar uodegų. Paradoksas labai paprastas: bangų funkcija, apibūdinanti kvantinę sistemą, sumaišo dvi katės būsenas – ji yra gyva ir mirusi tuo pačiu metu, kaip ir surištas elektronas gali būti su vienoda tikimybe bet kurioje erdvės vietoje, vienodu atstumu nuo atomo branduolys. Jei neatidarome dėžutės, tiksliai nežinome, kaip katei sekasi. Neatlikdami atomo branduolio stebėjimų (skaitydami matavimus), jo būseną galime apibūdinti tik dviejų būsenų superpozicija (sumaišymu): suirusio ir nesuirusio branduolio. Katė, serganti priklausomybe nuo branduolinės energijos, yra ir gyva, ir mirusi tuo pačiu metu. Kyla klausimas: kada sistema nustoja egzistuoti kaip dviejų būsenų mišinys ir pasirenka vieną konkrečią?
Kopenhagos eksperimento interpretacija mums sako, kad sistema nustoja būti būsenų mišiniu ir pasirenka vieną iš jų tuo momentu, kai įvyksta stebėjimas, kuris kartu yra ir matavimas (atsidaro langelis). Tai reiškia, kad pats matavimo faktas keičia fizinę tikrovę, o tai lemia bangos funkcijos žlugimą (katė arba miršta, arba lieka gyva, bet nustoja būti abiejų mišiniu)! Pagalvokite apie tai, eksperimentas ir jį lydintys matavimai keičia mus supančią tikrovę. Asmeniškai šis faktas mano smegenis vargina daug labiau nei alkoholis. Žinomas Steve'as Hawkingas taip pat sunkiai išgyvena šį paradoksą, kartodamas, kad išgirdęs apie Schrödingerio katę, jo ranka tiesiasi į Browningą. Išskirtinio teorinio fiziko reakcijos rimtumą lemia tai, kad, jo nuomone, stebėtojo vaidmuo bangos funkcijos žlugime (sugriuvus ją į vieną iš dviejų tikimybinių) būsenų yra labai perdėtas.
Žinoma, kai profesorius Erwinas 1935 m. sumanė kankinti katę, tai buvo išradingas būdas parodyti kvantinės mechanikos netobulumą. Tiesą sakant, katė negali būti gyva ir mirusi vienu metu. Dėl vienos iš eksperimento interpretacijų tapo akivaizdu, kad egzistuoja prieštaravimas tarp makropasaulio dėsnių (pavyzdžiui, antrasis termodinamikos dėsnis – katė arba gyva, arba mirusi) ir mikro- pasaulis (katė gyva ir mirusi vienu metu).
Tai, kas išdėstyta aukščiau, naudojama praktikoje: kvantinėje kompiuterijoje ir kvantinėje kriptografijoje. Šviesolaidiniu kabeliu siunčiamas šviesos signalas dviejų būsenų superpozicijoje. Jei užpuolikai prisijungs prie kabelio kažkur per vidurį ir padarys signalo bakstelėjimą, kad galėtų pasiklausyti perduodamos informacijos, bangos funkcija žlugs (Kopenhagos interpretacijos požiūriu bus atliktas stebėjimas) ir šviesa pateks į vieną iš būsenų. Atliekant statistinius šviesos testus priimančiame kabelio gale, bus galima nustatyti, ar šviesa yra būsenų superpozicijoje, ar jau buvo pastebėta ir perduota į kitą tašką. Tai leidžia sukurti ryšio priemones, kurios neleidžia aptikti signalo perėmimo ir pasiklausymo.
Kita naujesnė Schrödingerio minties eksperimento interpretacija yra istorija, kurią Didžiojo sprogimo teorijos veikėjas Sheldonas Cooperis papasakojo savo mažiau išsilavinusiam kaimynui Penny. Sheldono istorijos esmė ta, kad Schrödingerio katės koncepciją galima pritaikyti žmonių santykiams. Norint suprasti, kas vyksta tarp vyro ir moters, kokie santykiai tarp jų: geri ar blogi, tereikia atidaryti dėžutę. Iki tol santykiai yra ir geri, ir blogi.
Tikrai daugelis yra susidūrę su šia paslaptinga formule. Ir dauguma negalėjo iki galo suprasti, kokia yra reikalo esmė. „Schrödinger's Cat“ yra eksperimentas, pavadintas jo kūrėjo, austrų fiziko ir vieno iš kvantinės mechanikos įkūrėjų, vardu. Savo medžiagoje paprastai ir trumpai kalbame apie eksperimento prasmę. Kam tai buvo skirta?
Erwinas Schrödingeris yra garsus fizikas teoretikas. 1935 metais jis nusprendė atlikti virtualų eksperimentą su kate. Visa tai siekiant įrodyti, kad Kopenhagos superpozicijos (dviejų būsenų maišymo) interpretacija nėra visiškai teisinga kvantinės teorijos atžvilgiu.
Kokia eksperimento esmė?
Schrödingeris mintyse įdeda gyvą katę į plieninę kamerą kartu su plaktuku, vandenilio cianido rūgšties buteliuku ir labai nedideliu kiekiu radioaktyvios medžiagos. Jei per bandymo laikotarpį suyra nors vienas radioaktyviosios medžiagos atomas, relės mechanizmas atleis plaktuką. Bet jis jau apvers nuodingų dujų butelį ir privers katę numirti.
Kodėl Schrödingeris tai sugalvojo?
Kvantinėje mechanikoje manoma, kad jei niekas ir niekas nestebi branduolio, tai jis yra mišrioje, neapibrėžtoje būsenoje. Abu subyrėjo ir ne iš karto subyrėjo. Bet kai atsiranda stebėtojas, branduolys atsiduria vienoje iš būsenų. Beje, Schrödingerio eksperimento tikslas buvo išsiaiškinti, kuriuo tiksliai momentu „katė ir mirusi, ir gyva“. Taip pat kai nustatoma konkreti būklė. Mokslininkas nori įrodyti, kad kvantinė mechanika neįmanoma be smulkių detalių. Ir jie nustato, kokiomis sąlygomis įvyksta banginės funkcijos žlugimas (būsenos pasikeitimas). Jie taip pat nustato, kada objektas lieka vienoje iš galimų būsenų (ne keliose iš karto).
Erwinas Schrödingeris norėjo atkreipti dėmesį į keistą kvantinių teoretikų išvadą. Jie tikėjo, kad paprastas žmogus gali matyti tikrąją materijos būklę be pagalbos. Tuo metu vyravo Kopenhagos kvantinės fizikos interpretacija. Ji tikėjo, kad atomai ar fotonai egzistuoja keliose būsenose vienu momentu (yra superpozicijoje) ir nepereina į konkrečią būseną, kol nepastebimi.
Schrödingerio eksperimentas teigia, kad stebėtojas negali žinoti, ar medžiagos atomas suiro, ar ne. Be to, stebėtojas nežino, ar butelis sugedo ir ar katė mirė. Remiantis Kopenhagos aiškinimu, katė bus gyva ir negyva, kol kas nors nepažiūrės į dėžę. Kvantinėje mechanikoje gebėjimas būti gyvam ir mirusiam, kol jis nepastebimas, vadinamas kvantiniu neapibrėžtumu arba stebėtojo paradoksu. Stebėtojo paradokso logika yra ta, kad stebėjimai gali nulemti rezultatus.
Schrödingeris sutiko, kad superpozicija egzistuoja. Beje, per jo gyvenimą mokslininkai sugebėjo tai įrodyti tirdami šviesos bangų trukdžius. Tačiau jam buvo įdomu, kada superpozicija iš tikrųjų užleidžia vietą tam tikrai būsenai. Schrödingerio eksperimentas privertė žmones susimąstyti. Ar tikrai galima nustatyti katės gyvenimo baigtį atidarius dėžutę (pažiūrėkite)?
Bet ar katė bus gyva ar negyva, net jei dėžutė nebus atidaryta?
Šiuo paradoksaliu minties eksperimentu Schrödingeris įrodė, kad Kopenhagos kvantinės fizikos interpretacija klaidinga. Šis aiškinimas gali veikti mikroskopiniu lygmeniu. Bet tai neturi nieko bendra su makroskopiniu pasauliu (katė imama kaip makroskopinio pavyzdys). Tai, ką mokslininkai žinojo apie materijos prigimtį mikroskopiniame lygmenyje ir ką žmonės stebi makroskopiniu lygmeniu, dar nėra visiškai suprantama. Stebėtojo vaidmuo išlieka svarbiu kvantinės fizikos tyrimo klausimu ir yra begalinis spekuliacijų šaltinis.
Savo gėdai noriu prisipažinti, kad girdėjau šį posakį, bet nežinojau, ką jis reiškia ir net kokia tema buvo vartojama. Papasakosiu, ką skaičiau internete apie šią katę...
« Šrodingerio katė» – taip vadinasi garsaus austrų fiziko teorinio Erwino Schrödingerio, kuris taip pat yra Nobelio premijos laureatas, minties eksperimentas. Šio fiktyvaus eksperimento pagalba mokslininkas norėjo parodyti kvantinės mechanikos neužbaigtumą pereinant nuo subatominių sistemų prie makroskopinių sistemų.
Originalus Erwino Schrödingerio straipsnis buvo paskelbtas 1935 m. Štai citata:
Taip pat galite statyti atvejus, kuriuose yra gana burleska. Leiskite katę užrakinti plieninėje kameroje su tokia velniška mašina (kuri turėtų būti, nepaisant katės įsikišimo): Geigerio skaitiklio viduje yra nedidelis radioaktyviosios medžiagos kiekis, toks mažas, kad per valandą gali suirti tik vienas atomas, bet su ta pačia tikimybe gali nesuirti; jei taip atsitiks, skaitymo vamzdelis išsikrauna ir įjungiama relė, atleidžiamas plaktukas, kuris sulaužo kolbą vandenilio cianido rūgštimi.
Jei visą šią sistemą paliksime sau valandai, tada galime sakyti, kad po šio laiko katė bus gyva, jei tik atomas nesuirs. Pats pirmasis atomo suirimas nunuodytų katę. Sistemos kaip visumos psi funkcija tai išreikš sumaišydama arba sutepdama gyvą ir negyvą katę (atleiskite už posakį) lygiomis dalimis. Tokiais atvejais būdinga tai, kad neapibrėžtumas, iš pradžių apsiribojęs atominiu pasauliu, paverčiamas makroskopiniu neapibrėžtumu, kurį galima pašalinti tiesioginiu stebėjimu. Tai neleidžia mums naiviai priimti „neryškaus modelio“ kaip tikrovės atspindžio. Tai savaime nereiškia nieko neaiškaus ar prieštaringo. Yra skirtumas tarp neryškios arba nefokusuotos nuotraukos ir debesų ar rūko nuotraukos.
Kitaip tariant:
- Yra dėžė ir katė. Dėžutėje yra mechanizmas, kuriame yra radioaktyvus atomo branduolys ir nuodingų dujų talpykla. Eksperimentiniai parametrai parinkti taip, kad branduolio skilimo per 1 valandą tikimybė būtų 50%. Jei branduolys suyra, atsidaro dujų talpa ir katė miršta. Jei branduolys nesuyra, katė lieka gyva ir sveika.
- Sudarome katę į dėžę, palaukiame valandą ir užduodame klausimą: ar katė gyva ar mirusi?
- Atrodo, kad kvantinė mechanika mums sako, kad atomo branduolys (taigi ir katė) yra visose įmanomose būsenose vienu metu (žr. kvantinę superpoziciją). Prieš atidarant dėžutę, katės branduolio sistema yra būsenoje „branduolys suiro, katė negyva“ su 50% tikimybe, o būsenoje „branduolys nesuiręs, katė gyva“ tikimybe 50%. Pasirodo, dėžėje sėdinti katė yra ir gyva, ir mirusi vienu metu.
- Pagal šiuolaikinę Kopenhagos interpretaciją, katė yra gyva/negyva be jokių tarpinių būsenų. Ir branduolio skilimo būsenos pasirinkimas įvyksta ne dėžutės atidarymo momentu, o net tada, kai branduolys patenka į detektorių. Nes sistemos „katė-detektorius-branduolys“ banginės funkcijos sumažinimas nėra siejamas su žmogaus dėžės stebėtoju, o su branduolio detektoriumi-stebėtoju.
Remiantis kvantine mechanika, jei atomo branduolys nepastebimas, tai jo būsena apibūdinama dviejų būsenų mišiniu - suirusio branduolio ir nesuirusio branduolio, todėl katė sėdi dėžėje ir personifikuoja atomo branduolį. yra ir gyvas, ir miręs tuo pačiu metu. Jei dėžė atidaroma, eksperimentatorius gali matyti tik vieną konkrečią būseną - „branduolys suiro, katė negyva“ arba „branduolis nesuiręs, katė gyva“.
Esmė žmonių kalba
Schrödingerio eksperimentas parodė, kad kvantinės mechanikos požiūriu katė yra ir gyva, ir mirusi, o tai negali būti. Todėl kvantinė mechanika turi didelių trūkumų.
Kyla klausimas: kada sistema nustoja egzistuoti kaip dviejų būsenų mišinys ir pasirenka vieną konkrečią? Eksperimento tikslas – parodyti, kad kvantinė mechanika yra neišsami be tam tikrų taisyklių, nurodančių, kokiomis sąlygomis banginė funkcija žlunga ir katė arba miršta, arba lieka gyva, bet nebėra abiejų mišinys. Kadangi aišku, kad katė turi būti arba gyva, arba negyva (nėra tarpinės būsenos tarp gyvybės ir mirties), tai panašiai bus ir su atominiu branduoliu. Jis turi būti suiręs arba nesuiręs (Wikipedia).
Kita naujesnė Schrödingerio minties eksperimento interpretacija yra istorija, kurią Didžiojo sprogimo teorijos veikėjas Sheldonas Cooperis papasakojo savo mažiau išsilavinusiam kaimynui Penny. Sheldono istorijos esmė ta, kad Schrödingerio katės koncepciją galima pritaikyti žmonių santykiams. Norint suprasti, kas vyksta tarp vyro ir moters, kokie santykiai tarp jų: geri ar blogi, tereikia atidaryti dėžutę. Iki tol santykiai yra ir geri, ir blogi.
Žemiau yra vaizdo klipas apie šį Didžiojo sprogimo teorijos mainus tarp Sheldon ir Penia.
Schrödingerio iliustracija yra geriausias pavyzdys pagrindiniam kvantinės fizikos paradoksui apibūdinti: pagal jos dėsnius tokios dalelės kaip elektronai, fotonai ir net atomai egzistuoja dviejose būsenose vienu metu („gyva“ ir „mirusi“, jei prisimenate ilgai kenčianti katė). Šios būsenos vadinamos superpozicijomis.
Amerikiečių fizikas Artas Hobsonas iš Arkanzaso universiteto (Arkanzaso valstijos universitetas) pasiūlė šio paradokso sprendimą.
„Matavimai kvantinėje fizikoje yra pagrįsti tam tikrų makroskopinių prietaisų, tokių kaip Geigerio skaitiklis, veikimu, kurio pagalba nustatoma mikroskopinių sistemų – atomų, fotonų ir elektronų – kvantinė būsena. Kvantinė teorija reiškia, kad jei prijungiate mikroskopinę sistemą (dalelę) prie kokio nors makroskopinio įrenginio, kuris išskiria dvi skirtingas sistemos būsenas, tada įrenginys (pavyzdžiui, Geigerio skaitiklis) pereis į kvantinio įsipainiojimo būseną ir taip pat atsidurs dviejose. superpozicijos tuo pačiu metu. Tačiau tiesiogiai šio reiškinio stebėti neįmanoma, todėl jis yra nepriimtinas“, – sako fizikas.
Hobsonas teigia, kad pagal Schrödingerio paradoksą katė atlieka makroskopinio prietaiso – Geigerio skaitiklio, prijungto prie radioaktyvaus branduolio, vaidmenį, kad nustatytų to branduolio skilimo arba „neskilimo“ būseną. Šiuo atveju gyva katė bus „nesuirimo“, o negyva – irimo rodiklis. Tačiau pagal kvantinę teoriją katė, kaip ir branduolys, turi egzistuoti dviejose gyvenimo ir mirties superpozicijose.
Vietoj to, sako fizikas, katės kvantinė būsena turėtų būti susieta su atomo būsena, o tai reiškia, kad jie yra „nelokaliuose santykiuose“ vienas su kitu. Tai yra, jei vieno iš įsipainiojusių objektų būsena staiga pasikeis į priešingą, tada pasikeis ir jo poros būsena, nesvarbu, kiek jie yra vienas nuo kito. Tuo pačiu metu Hobsonas nurodo eksperimentinį šios kvantinės teorijos patvirtinimą.
„Kvantinio susipynimo teorijoje įdomiausia tai, kad abiejų dalelių būsenos pokytis įvyksta akimirksniu: joks šviesos ar elektromagnetinis signalas nespėtų perduoti informacijos iš vienos sistemos į kitą. Taigi galima sakyti, kad tai vienas objektas, padalintas į dvi dalis pagal erdvę, kad ir koks didelis atstumas tarp jų būtų“, – aiškina Hobsonas.
Šriodingerio katė nebėra gyva ir mirusi vienu metu. Jis yra miręs, jei skilimas įvyksta, ir gyvas, jei skilimas niekada neįvyksta.
Pridurkime, kad panašius šio paradokso sprendimus per pastaruosius trisdešimt metų siūlė dar trys mokslininkų grupės, tačiau jie nebuvo vertinami rimtai ir liko nepastebėti plačiuose mokslo sluoksniuose. Hobsonas pažymi, kad kvantinės mechanikos paradoksų sprendimas, bent jau teoriškai, yra būtinas norint jį giliai suprasti.
Šriodingeris
Bet visai neseniai TEORIKAI AIŠKINA, KAIP GRAVITACIJA NUŽUDA ŠRODINGERIO KATĘ, bet čia sudėtingiau...
Paprastai fizikai paaiškina reiškinį, kad dalelių pasaulyje superpozicija įmanoma, bet neįmanoma su katėmis ar kitais makroobjektais, aplinkos trukdžiais. Kai kvantinis objektas praeina per lauką arba sąveikauja su atsitiktinėmis dalelėmis, jis iš karto įgauna tik vieną būseną – tarsi būtų išmatuotas. Kaip tikėjo mokslininkai, superpozicija sunaikinama būtent taip.
Bet net jei kažkaip būtų įmanoma atskirti superpozicijos būseną esantį makroobjektą nuo sąveikos su kitomis dalelėmis ir laukais, jis vis tiek anksčiau ar vėliau įgautų vieną būseną. Bent jau tai pasakytina apie procesus, vykstančius Žemės paviršiuje.
„Kai kur tarpžvaigždinėje erdvėje galbūt katė turėtų galimybę išlaikyti kvantinę darną, tačiau Žemėje ar šalia bet kurios planetos tai labai mažai tikėtina. Ir to priežastis yra gravitacija“, – aiškina pagrindinis naujojo tyrimo autorius Igoris Pikovski iš Harvardo-Smithsonian astrofizikos centro.
Pikovskis ir jo kolegos iš Vienos universiteto teigia, kad gravitacija daro destruktyvų poveikį makroobjektų kvantinėms superpozicijoms, todėl panašių reiškinių makrokosme nepastebime. Pagrindinė naujosios hipotezės koncepcija, beje, trumpai išdėstyta vaidybiniame filme „Tarpžvaigždinis“.
Einšteino bendrosios reliatyvumo teorija teigia, kad itin masyvus objektas sulenks aplink save erdvėlaikį. Atsižvelgdami į situaciją mažesniu lygmeniu, galime teigti, kad molekulei, esančiai šalia Žemės paviršiaus, laikas praeis šiek tiek lėčiau nei molekulės, esančios mūsų planetos orbitoje.
Dėl gravitacijos įtakos erdvės laikui molekulė, kurią veikia ši įtaka, patirs savo padėties nuokrypį. O tai savo ruožtu turėtų paveikti jo vidinę energiją – molekulėje esančių dalelių virpesius, kurie laikui bėgant kinta. Jei molekulė būtų įvesta į dviejų vietų kvantinės superpozicijos būseną, tada padėties ir vidinės energijos santykis netrukus priverstų molekulę „pasirinkti“ tik vieną iš dviejų padėčių erdvėje.
"Daugeliu atvejų dekoherencijos reiškinys yra susijęs su išoriniu poveikiu, tačiau šiuo atveju vidinė dalelių vibracija sąveikauja su pačios molekulės judėjimu", - aiškina Pikovsky.
Šis efektas dar nepastebėtas, nes kiti dekoherencijos šaltiniai, tokie kaip magnetiniai laukai, šiluminė spinduliuotė ir vibracijos, paprastai yra daug stipresni, todėl kvantinės sistemos sunaikinamos dar gerokai anksčiau nei gravitacija. Tačiau eksperimentuotojai stengiasi patikrinti hipotezę.
Panaši sąranka taip pat galėtų būti naudojama norint išbandyti gravitacijos gebėjimą sunaikinti kvantines sistemas. Norėdami tai padaryti, reikės palyginti vertikalius ir horizontalius interferometrus: pirmajame superpozicija netrukus turėtų išnykti dėl laiko išsiplėtimo skirtinguose kelio „aukštiuose“, o antrajame gali likti kvantinė superpozicija.
