Paradoks kota Schrödingera. Wyjaśnienie znaczenia. Kot Schrödingera – słynny eksperyment paradoksalny Eksperyment myślowy Schrödingera

Nie zgub tego. Zapisz się i otrzymaj link do artykułu na swój e-mail.

Z pewnością nie raz słyszałeś, że istnieje takie zjawisko jak „Kot Schrödingera”. Ale jeśli nie jesteś fizykiem, najprawdopodobniej masz tylko niejasne pojęcie o tym, jaki to kot i dlaczego jest potrzebny.

« Kot Shroedingera„- tak nazywa się słynny eksperyment myślowy słynnego austriackiego fizyka teoretycznego Erwina Schrödingera, który jest także laureatem Nagrody Nobla. Za pomocą tego fikcyjnego eksperymentu naukowiec chciał pokazać niekompletność mechaniki kwantowej w przejściu od układów subatomowych do układów makroskopowych.

Artykuł ten jest próbą wyjaśnienia w prostych słowach istoty teorii Schrödingera o kocie i mechanice kwantowej, tak aby była ona przystępna dla osoby nie posiadającej wyższego wykształcenia technicznego. W artykule zostaną także zaprezentowane różne interpretacje eksperymentu, w tym te z serialu „Teoria wielkiego podrywu”.

Opis eksperymentu

Oryginalny artykuł Erwina Schrödingera ukazał się w 1935 roku. Opisano w nim eksperyment za pomocą, a nawet personifikacji:

Można też konstruować przypadki, w których panuje niezła burleska. Niech jakiegoś kota zamkną w stalowej komorze z następującą diaboliczną maszyną (co powinno być niezależne od ingerencji kota): wewnątrz licznika Geigera znajduje się maleńka ilość substancji radioaktywnej, tak mała, że ​​w ciągu godziny może rozpaść się tylko jeden atom, ale z takim samym prawdopodobieństwem nie może się rozpaść; jeśli tak się stanie, rurka odczytowa zostaje rozładowana i przekaźnik zostaje aktywowany, uwalniając młotek, który rozbija kolbę kwasem cyjanowodorowym.

Jeśli zostawimy cały ten układ samemu sobie na godzinę, to można powiedzieć, że po tym czasie kot będzie żył, o ile atom nie ulegnie rozpadowi. Już pierwszy rozpad atomu zatrułby kota. Funkcja psi systemu jako całości wyrazi to poprzez zmieszanie lub posmarowanie żywego i martwego kota (przepraszam za wyrażenie) w równych częściach. Charakterystyczne w takich przypadkach jest to, że niepewność pierwotnie ograniczona do świata atomowego przekształca się w niepewność makroskopową, którą można wyeliminować poprzez bezpośrednią obserwację. Uniemożliwia to naiwne przyjęcie „modelu rozmycia” jako odzwierciedlającego rzeczywistość. Nie oznacza to samo w sobie niczego niejasnego lub sprzecznego. Istnieje różnica pomiędzy rozmazanym lub nieostrym zdjęciem a zdjęciem chmur lub mgły.

Innymi słowy:

1. Jest pudełko i kot. Pudełko zawiera mechanizm zawierający radioaktywne jądro atomowe oraz pojemnik z trującym gazem. Parametry eksperymentu dobrano tak, aby prawdopodobieństwo rozpadu jądrowego w ciągu 1 godziny wynosiło 50%. Jeśli jądro rozpadnie się, otworzy się pojemnik z gazem i kot umrze. Jeśli jądro nie ulegnie rozkładowi, kot pozostanie żywy i ma się dobrze.
2. Zamykamy kota w pudełku, czekamy godzinę i zadajemy pytanie: czy kot żyje, czy nie żyje?
3. Mechanika kwantowa zdaje się nam mówić, że jądro atomowe (a zatem i kot) znajduje się we wszystkich możliwych stanach jednocześnie (patrz superpozycja kwantowa). Zanim otworzymy pudełko, układ kot-rdzeń znajduje się w stanie „jądro uległo rozpadowi, kot nie żyje” z prawdopodobieństwem 50% oraz w stanie „jądro nie uległo rozpadowi, kot żyje” z prawdopodobieństwem 50%. prawdopodobieństwo 50%. Okazuje się, że kot siedzący w pudełku jest jednocześnie żywy i martwy.
4. Według współczesnej interpretacji kopenhaskiej kot jest żywy/martwy, bez żadnych stanów pośrednich. A wybór stanu rozpadu jądra następuje nie w momencie otwarcia pudełka, ale już w momencie wejścia jądra do detektora. Ponieważ redukcja funkcji falowej układu „kot-detektor-jądro” nie jest związana z ludzkim obserwatorem skrzynki, ale z detektorem-obserwatorem jądra.

Wyjaśnienie prostymi słowami

Według mechaniki kwantowej, jeśli nie obserwuje się jądra atomu, wówczas jego stan opisuje mieszanina dwóch stanów - jądra rozpadającego się i jądra nierozłożonego, a zatem kot siedzący w pudełku i uosabiający jądro atomu jest jednocześnie żywy i martwy. Jeśli pudełko zostanie otwarte, eksperymentator może zobaczyć tylko jeden konkretny stan - „jądro rozpadło się, kot nie żyje” lub „jądro nie uległo rozkładowi, kot żyje”.

Istota w języku ludzkim: Eksperyment Schrödingera pokazał, że z punktu widzenia mechaniki kwantowej kot jest jednocześnie żywy i martwy, co nie może być możliwe. Dlatego mechanika kwantowa ma istotne wady.

Pytanie brzmi: kiedy system przestaje istnieć jako mieszanina dwóch stanów i wybiera jeden, konkretny? Celem eksperymentu jest pokazanie, że mechanika kwantowa nie jest kompletna bez pewnych reguł, które wskazują, w jakich warunkach funkcja falowa załamuje się, a kot albo staje się martwy, albo pozostaje żywy, ale przestaje być mieszaniną obu. Ponieważ jest jasne, że kot musi być albo żywy, albo martwy (nie ma stanu pośredniego między życiem a śmiercią), podobnie będzie z jądrem atomowym. Musi być albo zbutwiały, albo niezniszczony (Wikipedia).

Film z Teorii wielkiego podrywu

Inną nowszą interpretacją eksperymentu myślowego Schrödingera jest historia, którą Sheldon Cooper, bohater teorii wielkiego podrywu, opowiedział swojej mniej wykształconej sąsiadce Penny. Istotą historii Sheldona jest to, że koncepcję kota Schrödingera można zastosować w relacjach międzyludzkich. Aby zrozumieć, co dzieje się między mężczyzną i kobietą, jaki rodzaj relacji między nimi: dobry czy zły, wystarczy otworzyć pudełko. Do tego czasu związek jest zarówno dobry, jak i zły.

Poniżej znajduje się klip wideo przedstawiający wymianę zdań w ramach teorii wielkiego podrywu pomiędzy Sheldonem i Penią.

Czy w wyniku eksperymentu kot przeżył?

Dla tych, którzy nie przeczytali artykułu uważnie, ale nadal martwią się o kota, dobra wiadomość: nie martwcie się, według naszych danych, w wyniku eksperymentu myślowego szalonego austriackiego fizyka

ŻADEN KOT NIE ucierpiał

Encyklopedyczny YouTube

1 / 5

✪ 🔶Kot Schrödingera

✪ Fizyka - Teoria kwantowa. Kot Schrödingera i podwójna szczelina.

✪ Kot Schrödingera

✪ Kot Schrödingera

✪ Eksperyment myślowy kota Schrödingera w mechanice kwantowej

Napisy na filmie obcojęzycznym

[muzyka] Austriacki fizyk Erwin Schrödinger jest jednym z twórców mechaniki kwantowej. Zasłynął jednak z czegoś, czego nigdy nie zrobił – eksperymentu myślowego z udziałem kota. Zasugerował umieszczenie kota w szczelnym pojemniku z urządzeniem, które miało 50% szans na zabicie go w ciągu godziny. Godzinę później naukowca zainteresowało, w jakim stanie był kot? Zdrowy rozsądek podpowiada, że ​​albo żyje, albo nie. Ale Schrödinger zauważył, że według fizyki kwantowej na chwilę przed otwarciem pojemnika kot jest jednocześnie żywy i martwy. I dopiero po otwarciu pojemnika możemy zobaczyć jedyny określony stan zwierzęcia. Wcześniej pozostawał w stanie niepewności – w połowie w jednym stanie, w połowie w drugim. Wydaje się to absurdalne, na co zwrócił uwagę Schrödinger. Uznał fizykę kwantową za tak filozoficznie sprzeczną, że porzucił teorię, którą pomógł stworzyć i zajął się biologią. Pomimo pozornej absurdalności eksperyment Schrödingera jest bardzo realny. Co więcej, jego znaczenie jest niezaprzeczalne. być w dwóch stanach jednocześnie.Gdyby obiekty kwantowe nie miały takiej możliwości, to komputer, na którym oglądasz ten film, nie istniałby. Kwantowe zjawisko superpozycji jest konsekwencją podwójnego, materialno-falowego pochodzenia istnienia. Aby jakikolwiek obiekt miał właściwości fali, musi rozciągać się na określoną odległość. Będzie zatem zajmował wiele stanowisk jednocześnie. Jednak długości fali dowolnego obiektu ograniczonego do małego obszaru przestrzeni nie można jednoznacznie określić, a obiekt istnieje w wielu falach jednocześnie. Właściwości fal przedmiotów codziennego użytku nie są nam dostępne, ponieważ długość fali maleje dopiero wraz ze wzrostem pędu. A kot wydaje się stosunkowo duży i ciężki. Gdybyśmy wzięli pojedynczy atom i powiększyli go do rozmiarów Układu Słonecznego, wówczas długość fali kota uciekającego przed fizykiem byłaby tak mała jak atom wewnątrz takiego układu słonecznego. Jest zbyt mały, aby go wykryć, więc nigdy nie zobaczymy kota zachowującego się jak fala. Jednocześnie mikrocząstka taka jak elektron może wykazać imponujące dowody na swoje podwójne pochodzenie. Jeśli elektrony są przesyłane jeden po drugim przez dwie wąskie szczeliny w barierze, każdy elektron zachowuje się jak cząstka i w dowolnym momencie trafia w określone miejsce. Jeśli jednak powtórzysz ten eksperyment wiele razy, śledząc wszystkie indywidualne wyniki, zauważysz, że elektrony tworzą wzór charakterystyczny dla zachowania fali. Kombinacje pasm - obszary z dużą liczbą elektronów, oddzielone obszarami, w których nie ma ich wcale. Jeśli zablokujesz jedno ze slotów, paski znikną. Dowodzi to, że wzór jest konsekwencją jednoczesnego przejścia każdego elektronu przez obie szczeliny. Pojedynczy elektron nie decyduje, czy ma iść w lewo, czy w prawo; porusza się jednocześnie w lewo i prawo. Ta superpozycja stanów prowadzi nas również do nowoczesnej technologii. Każdy elektron, znajdujący się w pobliżu jądra dowolnego atomu, istnieje w postaci rozproszonej, falowej orbity. Kiedy dwa atomy zbliżają się do siebie, elektrony nie muszą wybierać tylko jednego atomu, są one rozdzielone pomiędzy nimi. W ten sposób powstają wiązania chemiczne. Każdy elektron w dowolnej cząsteczce jest powiązany nie tylko z atomem A lub B, ale jednocześnie z A i B. Wraz ze wzrostem liczby atomów elektrony rozprzestrzeniają się jeszcze bardziej, rozdzielając się pomiędzy większą liczbę atomów w tym samym czasie. W ciele stałym elektrony nie są powiązane z konkretnym atomem; są rozdzielone pomiędzy nimi wszystkimi, rozprzestrzeniając się na większej objętości przestrzeni. Ta gigantyczna superpozycja stanów determinuje sposób, w jaki elektrony poruszają się w materii, niezależnie od tego, czy jest to przewodnik, dielektryk czy półprzewodnik. Zrozumienie sposobu rozmieszczenia elektronów pomiędzy atomami pozwala na najbardziej precyzyjną kontrolę właściwości materiałów półprzewodnikowych, takich jak krzem. Odpowiednio łącząc różne półprzewodniki, możemy stworzyć tranzystory na poziomie miniaturowym – miliony z nich w jednym chipie komputerowym. Takie chipy i ich rozproszone elektrony pomagają uruchomić komputer, którego używasz do oglądania tego filmu. Według starego dowcipu Internet istnieje po to, aby rozpowszechniać filmy o kotach. Tak naprawdę Internet w zasadzie zawdzięcza swoje istnienie austriackiemu fizykowi i jego wyimaginowanemu kotowi.

Istota eksperymentu

W rzeczywistości Hawking i wielu innych fizyków jest zdania, że ​​interpretacja mechaniki kwantowej przyjęta przez szkołę kopenhaską jest nieuzasadniona, podkreślając rolę obserwatora. Ostateczna jedność wśród fizyków w tej kwestii nadal nie została osiągnięta.

Zrównoleglenie światów w każdym momencie czasu odpowiada prawdziwemu automatowi niedeterministycznemu, w przeciwieństwie do probabilistycznego, gdy na każdym kroku wybierana jest jedna z możliwych ścieżek w zależności od ich prawdopodobieństwa.

Paradoks Wignera

To skomplikowana wersja eksperymentu Schrödingera. Eugene Wigner wprowadził kategorię „przyjaciół”. Po zakończeniu eksperymentu eksperymentator otwiera pudełko i widzi żywego kota. Wektor stanu kota w chwili otwarcia pudełka przechodzi w stan „jądro nie uległo rozkładowi, kot żyje”. W ten sposób w laboratorium kot został uznany za żywego. Poza laboratorium jest Przyjaciel. Przyjaciel jeszcze nie wie, czy kot żyje, czy nie. Przyjaciel rozpoznaje kota jako żywego dopiero wtedy, gdy eksperymentator informuje go o wyniku eksperymentu. Ale wszyscy inni Przyjaciele kot nie został jeszcze uznany za żywego i zostanie rozpoznany dopiero, gdy zostanie poinformowany o wyniku eksperymentu. Zatem kota można uznać za całkowicie żywego (lub całkowicie martwego) dopiero wtedy, gdy wszyscy ludzie we wszechświecie znają wynik eksperymentu. Do tego momentu w skali Wielkiego Wszechświata kot, zdaniem Wignera, pozostaje jednocześnie żywy i martwy.

(z punktu widzenia interpretacji kopenhaskiej zostanie poczyniona uwaga) i światło trafi do jednego ze stanów. Przeprowadzając statystyczne badania światła na końcu odbiorczym kabla, będzie można wykryć, czy światło znajduje się w superpozycji stanów, czy też zostało już zaobserwowane i przesłane do innego punktu. Dzięki temu możliwe jest stworzenie środków komunikacji wykluczających niewykrywalne przechwycenie i podsłuchanie sygnału.

Eksperyment (który w zasadzie można przeprowadzić, choć nie stworzono jeszcze działających systemów kryptografii kwantowej zdolnych do przesyłania dużej ilości informacji) pokazuje także, że „obserwacja” w interpretacji kopenhaskiej nie ma nic wspólnego ze świadomością obserwatora, ponieważ w tym przypadku zmiana statystyk na końcu kabla prowadzi do całkowicie nieożywionej gałęzi drutu.

Jak nam wyjaśnił Heisenberg, ze względu na zasadę nieoznaczoności opis obiektów w mikroświecie kwantowym ma inny charakter niż zwykły opis obiektów w makroświecie Newtona. Zamiast współrzędnych przestrzennych i prędkości, jakimi zwykliśmy opisywać ruch mechaniczny, np. piłki na stole bilardowym, w mechanice kwantowej obiekty opisuje się tzw. funkcją falową. Grzbiet „fali” odpowiada maksymalnemu prawdopodobieństwu znalezienia cząstki w przestrzeni w momencie pomiaru. Ruch takiej fali opisuje równanie Schrödingera, które mówi nam, jak zmienia się stan układu kwantowego w czasie.

Teraz o kocie. Wszyscy wiedzą, że koty uwielbiają chować się w pudełkach (). Erwin Schrödinger również był o tym poinformowany. Co więcej, z czysto nordyckim fanatyzmem, wykorzystał tę cechę w słynnym eksperymencie myślowym. Istota sprawy była taka, że ​​kot został zamknięty w pudełku z piekielną maszyną. Maszyna jest połączona poprzez przekaźnik z układem kwantowym, na przykład z substancją rozpadającą się radioaktywnie. Prawdopodobieństwo rozpadu jest znane i wynosi 50%. Piekielna maszyna uruchamia się, gdy zmienia się stan kwantowy układu (następuje rozkład) i kot umiera całkowicie. Jeśli zostawimy na godzinę system „Kota-piekielna maszyna-kwanty” i przypomnimy sobie, że stan układu kwantowego opisuje się w kategoriach prawdopodobieństwa, to staje się jasne, że prawdopodobnie nie uda się tego dowiedzieć czy kot w danym momencie żyje, czy nie, tak samo jak nie da się z góry dokładnie przewidzieć upadku monety na orła lub reszkę. Paradoks jest bardzo prosty: funkcja falowa opisująca układ kwantowy miesza ze sobą dwa stany kota – jest on jednocześnie żywy i martwy, tak jak związany elektron można z równym prawdopodobieństwem zlokalizować w dowolnym miejscu przestrzeni w równej odległości od jądro atomowe. Jeśli nie otworzymy pudełka, nie będziemy wiedzieć, jak dokładnie radzi sobie kot. Nie dokonując obserwacji (czytając pomiarów) jądra atomowego, możemy opisać jego stan jedynie poprzez superpozycję (mieszanie) dwóch stanów: jądra rozpadającego się i nierozłożonego. Kot uzależniony od broni nuklearnej jest jednocześnie żywy i martwy. Pytanie brzmi: kiedy system przestaje istnieć jako mieszanina dwóch stanów i wybiera jeden, konkretny?

Kopenhaska interpretacja eksperymentu mówi nam, że układ przestaje być mieszaniną stanów i wybiera jeden z nich w momencie wystąpienia obserwacji, która jest jednocześnie pomiarem (ramka otwiera się). Oznacza to, że sam fakt pomiaru zmienia rzeczywistość fizyczną, prowadząc do załamania się funkcji falowej (kot albo staje się martwy, albo pozostaje żywy, ale przestaje być mieszaniną obu)! Pomyśl o tym, eksperyment i towarzyszące mu pomiary zmieniają otaczającą nas rzeczywistość. Osobiście ten fakt niepokoi mój mózg znacznie bardziej niż alkohol. Dobrze znany Steve Hawking również nie może doświadczyć tego paradoksu, powtarzając, że gdy słyszy o kocie Schrödingera, wyciąga rękę w stronę Browninga. Ostrość reakcji wybitnego fizyka teoretyka wynika z faktu, że jego zdaniem rola obserwatora w zapadnięciu się funkcji falowej (zapadnięciu jej w jeden z dwóch probabilistycznych stanów) jest mocno przesadzona.

Oczywiście, kiedy w 1935 roku profesor Erwin wymyślił swoją kocia kpinę, był to genialny sposób pokazania niedoskonałości mechaniki kwantowej. Tak naprawdę kot nie może być jednocześnie żywy i martwy. W wyniku jednej z interpretacji eksperymentu stało się oczywiste, że istnieje sprzeczność między prawami makroświata (na przykład druga zasada termodynamiki - kot jest żywy lub martwy) a mikro-światem. świat (kot jest jednocześnie żywy i martwy).

Powyższe ma zastosowanie w praktyce: w informatyce kwantowej i kryptografii kwantowej. Sygnał świetlny w superpozycji dwóch stanów przesyłany jest kablem światłowodowym. Jeśli napastnicy podłączą się do kabla gdzieś pośrodku i odbiją tam sygnał w celu podsłuchania przesyłanej informacji, to spowoduje to załamanie funkcji falowej (z punktu widzenia interpretacji kopenhaskiej zostanie dokonana obserwacja) i światło przejdzie do jednego ze stanów. Przeprowadzając statystyczne badania światła na końcu odbiorczym kabla, będzie można wykryć, czy światło znajduje się w superpozycji stanów, czy też zostało już zaobserwowane i przesłane do innego punktu. Dzięki temu możliwe jest stworzenie środków komunikacji wykluczających niewykrywalne przechwycenie i podsłuchanie sygnału.

Inną nowszą interpretacją eksperymentu myślowego Schrödingera jest historia, którą Sheldon Cooper, bohater Teorii Wielkiego Wybuchu, opowiedział swojej mniej wykształconej sąsiadce Penny. Istotą historii Sheldona jest to, że koncepcję kota Schrödingera można zastosować w relacjach międzyludzkich. Aby zrozumieć, co dzieje się między mężczyzną i kobietą, jaki rodzaj relacji między nimi: dobry czy zły, wystarczy otworzyć pudełko. Do tego czasu związek jest zarówno dobry, jak i zły.

Z pewnością wielu zetknęło się z tym tajemniczym preparatem. A większość nie mogła do końca zrozumieć, jaka jest istota sprawy. Kot Schrödingera to eksperyment nazwany na cześć jego twórcy, austriackiego fizyka i jednego z twórców mechaniki kwantowej. W naszym materiale po prostu i krótko mówimy o znaczeniu eksperymentu. Po co to było?

Erwin Schrödinger jest znanym fizykiem teoretycznym. W 1935 roku zdecydował się przeprowadzić wirtualny eksperyment z kotem. Wszystko po to, aby udowodnić, że kopenhaska interpretacja superpozycji (mieszania się dwóch stanów) nie jest do końca poprawna w odniesieniu do teorii kwantowej.

Jaka jest istota eksperymentu?

Schrödinger w myślach umieszcza żywego kota w stalowej komorze wraz z młotkiem, fiolką kwasu cyjanowodorowego i bardzo małą ilością materiału radioaktywnego. Jeśli w trakcie testu choć jeden atom materiału radioaktywnego rozpadnie się, mechanizm przekaźnika zwolni młotek. Ale on już przewróci butelkę z trującym gazem i sprawi, że kot zdechnie.

Dlaczego Schrödinger to wymyślił?

W mechanice kwantowej uważa się, że jeśli nikt i nic nie obserwuje jądra, to znajduje się ono w stanie mieszanym, nieokreślonym. Obydwa rozpadły się i nie rozpadły się natychmiast. Kiedy jednak pojawia się obserwator, jądro znajduje się w jednym ze stanów. Nawiasem mówiąc, eksperyment Schrödingera miał na celu ustalenie, w którym dokładnie momencie „kot jest zarówno martwy, jak i żywy”. A także w przypadku wykrycia określonego warunku. Naukowiec chce udowodnić, że mechanika kwantowa nie jest możliwa bez drobnych szczegółów. I określają, w jakich warunkach następuje załamanie funkcji falowej (zmiana stanu). Określają także, kiedy obiekt pozostaje w jednym z możliwych stanów (a nie w kilku na raz).

Erwin Schrödinger chciał zwrócić uwagę na dziwny wniosek teoretyków kwantowych. Wierzyli, że zwykły człowiek może bez pomocy zobaczyć prawdziwy stan materii. W tamtym czasie dominowała kopenhaska interpretacja fizyki kwantowej. Uważała, że ​​atomy lub fotony istnieją w kilku stanach w jednym momencie (są w superpozycji) i nie przechodzą w określony stan, dopóki nie zostaną zaobserwowane.

Eksperyment Schrödingera mówi, że obserwator nie może wiedzieć, czy atom substancji uległ rozpadowi, czy nie. Poza tym obserwator nie wie, czy butelka pękła i czy kot zdechł. Według interpretacji kopenhaskiej kot będzie żywy i martwy, dopóki ktoś nie zajrzy do pudełka. W mechanice kwantowej zdolność bycia żywym i martwym do czasu zaobserwowania nazywa się niepewnością kwantową lub paradoksem obserwatora. Logika stojąca za paradoksem obserwatora jest taka, że ​​obserwacje mogą determinować wyniki.

Schrödinger zgodził się, że istnieje superpozycja. Nawiasem mówiąc, za jego życia naukowcom udało się to udowodnić, badając interferencję fal świetlnych. Zastanawiał się jednak, kiedy superpozycja faktycznie ustępuje miejsca pewnemu stanowi. Eksperyment Schrödingera zadziwił ludzi. Czy naprawdę można określić losy kota otwierając pudełko (spójrz na to)?

Ale czy kot będzie żywy, czy martwy, nawet jeśli pudełko nie zostanie otwarte?

Tym paradoksalnym eksperymentem myślowym Schrödinger udowodnił, że kopenhaska interpretacja fizyki kwantowej jest błędna. Ta interpretacja może działać na poziomie mikroskopowym. Ale nie ma to nic wspólnego ze światem makroskopowym (za przykład makroskopowego brany jest kot). To, co naukowcy wiedzieli o naturze materii na poziomie mikroskopowym i to, co ludzie obserwują na poziomie makroskopowym, nie jest jeszcze w pełni poznane. Rola obserwatora pozostaje ważnym zagadnieniem w badaniach fizyki kwantowej i jest niewyczerpanym źródłem spekulacji.

Ze wstydem muszę przyznać, że słyszałem to wyrażenie, ale nie wiedziałem, co ono oznacza i w jakim temacie zostało użyte. Opowiem Wam co przeczytałam w Internecie na temat tego kota...

« Kot Shroedingera» - tak nazywa się słynny eksperyment myślowy słynnego austriackiego fizyka teoretycznego Erwina Schrödingera, który jest także laureatem Nagrody Nobla. Za pomocą tego fikcyjnego eksperymentu naukowiec chciał pokazać niekompletność mechaniki kwantowej w przejściu od układów subatomowych do układów makroskopowych.

Oryginalny artykuł Erwina Schrödingera ukazał się w 1935 roku. Oto cytat:

Można też konstruować przypadki, w których panuje niezła burleska. Niech jakiegoś kota zamkną w stalowej komorze z następującą diaboliczną maszyną (co powinno być niezależne od ingerencji kota): wewnątrz licznika Geigera znajduje się maleńka ilość substancji radioaktywnej, tak mała, że ​​w ciągu godziny może rozpaść się tylko jeden atom, ale z takim samym prawdopodobieństwem nie może się rozpaść; jeśli tak się stanie, rurka odczytowa zostaje rozładowana i przekaźnik zostaje aktywowany, uwalniając młotek, który rozbija kolbę kwasem cyjanowodorowym.

Jeśli zostawimy cały ten układ samemu sobie na godzinę, to można powiedzieć, że po tym czasie kot będzie żył, o ile atom nie ulegnie rozpadowi. Już pierwszy rozpad atomu zatrułby kota. Funkcja psi systemu jako całości wyrazi to poprzez zmieszanie lub posmarowanie żywego i martwego kota (przepraszam za wyrażenie) w równych częściach. Charakterystyczne w takich przypadkach jest to, że niepewność pierwotnie ograniczona do świata atomowego przekształca się w niepewność makroskopową, którą można wyeliminować poprzez bezpośrednią obserwację. Uniemożliwia to naiwne przyjęcie „modelu rozmycia” jako odzwierciedlającego rzeczywistość. Nie oznacza to samo w sobie niczego niejasnego lub sprzecznego. Istnieje różnica pomiędzy rozmazanym lub nieostrym zdjęciem a zdjęciem chmur lub mgły.

Innymi słowy:

1. Jest pudełko i kot. Pudełko zawiera mechanizm zawierający radioaktywne jądro atomowe oraz pojemnik z trującym gazem. Parametry eksperymentu dobrano tak, aby prawdopodobieństwo rozpadu jądrowego w ciągu 1 godziny wynosiło 50%. Jeśli jądro rozpadnie się, otworzy się pojemnik z gazem i kot umrze. Jeśli jądro nie ulegnie rozkładowi, kot pozostanie żywy i ma się dobrze.
2. Zamykamy kota w pudełku, czekamy godzinę i zadajemy pytanie: czy kot żyje, czy nie żyje?
3. Mechanika kwantowa zdaje się nam mówić, że jądro atomowe (a zatem i kot) znajduje się we wszystkich możliwych stanach jednocześnie (patrz superpozycja kwantowa). Zanim otworzymy pudełko, układ kot-jądro znajduje się w stanie „jądro uległo rozpadowi, kot nie żyje” z prawdopodobieństwem 50% oraz w stanie „jądro nie uległo rozpadowi, kot żyje” z prawdopodobieństwem 50%. prawdopodobieństwo 50%. Okazuje się, że kot siedzący w pudełku jest jednocześnie żywy i martwy.
4. Według współczesnej interpretacji kopenhaskiej kot jest żywy/martwy, bez żadnych stanów pośrednich. A wybór stanu rozpadu jądra następuje nie w momencie otwarcia pudełka, ale już w momencie wejścia jądra do detektora. Ponieważ redukcja funkcji falowej układu „kot-detektor-jądro” nie jest związana z ludzkim obserwatorem skrzynki, ale z detektorem-obserwatorem jądra.

Według mechaniki kwantowej, jeśli nie obserwuje się jądra atomu, wówczas jego stan opisuje mieszanina dwóch stanów - jądra rozpadającego się i jądra nierozłożonego, a zatem kot siedzący w pudełku i uosabiający jądro atomu jest jednocześnie żywy i martwy. Jeśli pudełko zostanie otwarte, eksperymentator może zobaczyć tylko jeden konkretny stan - „jądro rozpadło się, kot nie żyje” lub „jądro nie uległo rozkładowi, kot żyje”.

Esencja w języku ludzkim

Eksperyment Schrödingera pokazał, że z punktu widzenia mechaniki kwantowej kot jest jednocześnie żywy i martwy, co nie może być możliwe. Dlatego mechanika kwantowa ma istotne wady.

Pytanie brzmi: kiedy system przestaje istnieć jako mieszanina dwóch stanów i wybiera jeden, konkretny? Celem eksperymentu jest pokazanie, że mechanika kwantowa nie jest kompletna bez pewnych reguł wskazujących, w jakich warunkach funkcja falowa załamuje się, a kot albo staje się martwy, albo pozostaje żywy, ale nie jest już mieszaniną obu. Ponieważ jest jasne, że kot musi być albo żywy, albo martwy (nie ma stanu pośredniego między życiem a śmiercią), podobnie będzie z jądrem atomowym. Musi być albo zbutwiały, albo niezniszczony (Wikipedia).

Inną nowszą interpretacją eksperymentu myślowego Schrödingera jest historia, którą Sheldon Cooper, bohater Teorii Wielkiego Wybuchu, opowiedział swojej mniej wykształconej sąsiadce Penny. Istotą historii Sheldona jest to, że koncepcję kota Schrödingera można zastosować w relacjach międzyludzkich. Aby zrozumieć, co dzieje się między mężczyzną i kobietą, jaki rodzaj relacji między nimi: dobry czy zły, wystarczy otworzyć pudełko. Do tego czasu związek jest zarówno dobry, jak i zły.

Poniżej znajduje się klip wideo przedstawiający wymianę zdań w ramach teorii wielkiego podrywu pomiędzy Sheldonem i Penią.

Ilustracja Schrödingera najlepiej opisuje główny paradoks fizyki kwantowej: zgodnie z jej prawami cząstki takie jak elektrony, fotony, a nawet atomy istnieją w dwóch stanach jednocześnie („żywym” i „martwym”, jeśli pamiętasz cierpliwy kot). Stany te nazywane są superpozycjami.

Amerykański fizyk Art Hobson z University of Arkansas (Arkansas State University) zaproponował swoje rozwiązanie tego paradoksu.

„Pomiary w fizyce kwantowej opierają się na działaniu pewnych urządzeń makroskopowych, np. licznika Geigera, za pomocą którego określa się stan kwantowy układów mikroskopowych – atomów, fotonów i elektronów. Teoria kwantowa zakłada, że ​​jeśli podłączymy mikroskopijny układ (cząstkę) do jakiegoś makroskopowego urządzenia, które rozróżnia dwa różne stany układu, to urządzenie (na przykład licznik Geigera) przejdzie w stan splątania kwantowego i również znajdzie się w dwóch jednocześnie superpozycje. Nie da się jednak tego zjawiska zaobserwować bezpośrednio, co czyni go niedopuszczalnym” – mówi fizyk.

Hobson twierdzi, że w paradoksie Schrödingera kot pełni rolę makroskopowego urządzenia, licznika Geigera, połączonego z radioaktywnym jądrem w celu określenia stanu rozpadu lub „nierozpadu” tego jądra. W tym przypadku żywy kot będzie wskaźnikiem „niegnicia”, a martwy kot będzie wskaźnikiem rozkładu. Ale według teorii kwantowej kot, podobnie jak jądro, musi istnieć w dwóch superpozycjach życia i śmierci.

Zamiast tego, zdaniem fizyka, stan kwantowy kota powinien być splątany ze stanem atomu, co oznacza, że ​​pozostają one ze sobą w „nielokalnej relacji”. Oznacza to, że jeśli stan jednego ze splątanych obiektów nagle zmieni się na przeciwny, wówczas zmieni się również stan jego pary, niezależnie od tego, jak daleko od siebie będą. Jednocześnie Hobson nawiązuje do eksperymentalnego potwierdzenia tej teorii kwantowej.

„Najciekawszą rzeczą w teorii splątania kwantowego jest to, że zmiana stanu obu cząstek następuje natychmiast: żadne światło ani sygnał elektromagnetyczny nie miałby czasu na przesłanie informacji z jednego układu do drugiego. Można więc powiedzieć, że jest to jeden obiekt podzielony przestrzenią na dwie części, niezależnie od tego, jak duża jest między nimi odległość” – wyjaśnia Hobson.

Kot Schrödingera nie jest już żywy i martwy jednocześnie. Jest martwy, jeśli nastąpi dezintegracja, i żywy, jeśli dezintegracja nigdy nie nastąpi.

Dodajmy, że podobne rozwiązania tego paradoksu zaproponowały w ciągu ostatnich trzydziestu lat jeszcze trzy grupy naukowców, nie zostały one jednak potraktowane poważnie i pozostały niezauważone w szerokich kręgach naukowych. Hobson zauważa, że ​​rozwiązywanie paradoksów mechaniki kwantowej, przynajmniej teoretycznie, jest absolutnie niezbędne do jej dogłębnego zrozumienia.

Schrödingera

Ale niedawno TEORYŚCI WYJAŚNIAJĄ, W JAKI SPOSÓB GRAWITACJA ZABIJA KOTA SCHRODINGERA, ale to jest bardziej skomplikowane...

Fizycy z reguły wyjaśniają zjawisko polegające na tym, że w świecie cząstek superpozycja jest możliwa, ale niemożliwa w przypadku kotów czy innych makroobiektów, ingerencji ze strony otoczenia. Kiedy obiekt kwantowy przechodzi przez pole lub wchodzi w interakcję z przypadkowymi cząstkami, natychmiast przyjmuje tylko jeden stan – tak jakby został zmierzony. Jak sądzili naukowcy, właśnie w ten sposób niszczy się superpozycję.

Ale nawet gdyby w jakiś sposób udało się wyizolować makroobiekt w stanie superpozycji od interakcji z innymi cząstkami i polami, to i tak prędzej czy później przyjąłby on pojedynczy stan. Przynajmniej tak jest w przypadku procesów zachodzących na powierzchni Ziemi.

„Gdzieś w przestrzeni międzygwiazdowej być może kot miałby szansę zachować spójność kwantową, ale na Ziemi lub w pobliżu jakiejkolwiek planety jest to niezwykle mało prawdopodobne. A powodem tego jest grawitacja” – wyjaśnia główny autor nowego badania, Igor Pikovski z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

Pikovsky i jego koledzy z Uniwersytetu Wiedeńskiego argumentują, że grawitacja ma destrukcyjny wpływ na kwantowe superpozycje makroobiektów, dlatego w makrokosmosie nie obserwujemy podobnych zjawisk. Nawiasem mówiąc, podstawowa koncepcja nowej hipotezy została pokrótce zarysowana w filmie fabularnym „Interstellar”.

Ogólna teoria względności Einsteina stwierdza, że ​​niezwykle masywny obiekt zakrzywi wokół siebie czasoprzestrzeń. Rozpatrując sytuację na mniejszym poziomie, można powiedzieć, że dla cząsteczki umieszczonej blisko powierzchni Ziemi czas będzie płynął nieco wolniej niż dla cząsteczki znajdującej się na orbicie naszej planety.

Ze względu na wpływ grawitacji na czasoprzestrzeń, cząsteczka dotknięta tym wpływem odczuje odchylenie w swoim położeniu. A to z kolei powinno wpłynąć na jego energię wewnętrzną - drgania cząstek w cząsteczce, które zmieniają się w czasie. Gdyby cząsteczka została wprowadzona w stan kwantowej superpozycji dwóch lokalizacji, wówczas związek pomiędzy pozycją a energią wewnętrzną wkrótce zmusiłby cząsteczkę do „wybrania” tylko jednej z dwóch pozycji w przestrzeni.

„W większości przypadków zjawisko dekoherencji wiąże się z wpływem zewnętrznym, ale w tym przypadku wewnętrzne wibracje cząstek oddziałują z ruchem samej cząsteczki” – wyjaśnia Pikowski.

Efektu tego nie zaobserwowano jeszcze, ponieważ inne źródła dekoherencji, takie jak pola magnetyczne, promieniowanie cieplne i wibracje, są zazwyczaj znacznie silniejsze, powodując zniszczenie układów kwantowych na długo przed zniszczeniem grawitacji. Ale eksperymentatorzy starają się przetestować hipotezę.

Podobną konfigurację można również zastosować do przetestowania zdolności grawitacji do niszczenia układów kwantowych. Aby to zrobić, konieczne będzie porównanie interferometrów pionowych i poziomych: w pierwszym superpozycja powinna wkrótce zniknąć na skutek dylatacji czasu na różnych „wysokościach” ścieżki, natomiast w drugim superpozycja kwantowa może pozostać.