Что доказал эксперимент с котом Шрёдингера?
На самом деле эксперимент «Кот Шрёдингера» не был настоящим экспериментом и поэтому ничего научно не доказывал. Кот Шредингера даже не является частью какой-либо научной теории. Он был просто учебным пособием, которое Эрвин Шредингер использовал, чтобы проиллюстрировать, как некоторые люди неправильно интерпретируют квантовую теорию.
Шредингер построил свой воображаемый эксперимент, чтобы продемонстрировать, что простые неверные толкования квантовой теории могут привести к абсурдным результатам, не соответствующим реальному миру. К сожалению, многие популяризаторы науки в наши дни восприняли абсурдность кота Шредингера и заявляют, что мир действительно устроен именно так.
В квантовой теории частицы могут одновременно существовать в суперпозиции состояний и коллапсировать в одно состояние при взаимодействии с другими частицами.
Некоторые ученые в то время, когда разрабатывалась квантовая теория (1930-е годы), переместились из области науки в область философии и заявили, что квантовые частицы коллапсируют в одно состояние только тогда, когда их видит сознательный наблюдатель.
В воображаемом эксперименте Шрёдингера кота помещают в коробку с небольшим количеством радиоактивного вещества. Когда радиоактивное вещество распадается, оно запускает счетчик Гейгера, который вызывает выброс яда или взрыв, который убивает кота.
Распад радиоактивного вещества подчиняется законам квантовой механики. Это означает, что атом изначально находится в комбинированном состоянии «распадется» и «не распадется». Если применить к этому случаю идею, основанную на наблюдении, сознательного наблюдателя нет (все находится в запечатанной коробке), поэтому вся система остается комбинацией двух возможностей. Кот оказывается и живой и мертвый одновременно. Но существование кота, который одновременно и мертв, и жив, абсурдно и не происходит в реальном мире.
Эйнштейн видел ту же проблему с идеей, управляемой наблюдателем, и поздравил Шредингера с его умной иллюстрацией, сказав: «Однако эта интерпретация самым элегантным образом опровергается вашей системой радиоактивный атом + счетчик Гейгера + усилитель + заряд пороха + кот в коробке, в котором пси-функция системы содержит кота как живого, так и разорванного на куски.
С тех пор появилось достаточно доказательств того, что коллапс волновой функции вызывается не только сознательными наблюдателями.
На самом деле каждое взаимодействие, которое совершает квантовая частица, может привести к коллапсу ее состояния. Тщательный анализ показывает, что эксперимент с котом Шредингера в реальном мире будет происходить следующим образом: как только радиоактивный атом взаимодействует со счетчиком Гейгера, он коллапсирует из нераспавшегося/распавшегося состояния в одно определенное состояние. Счетчик Гейгера определенно срабатывает, и кот определенно погибает. Или счетчик Гейгера точно не срабатывает и кот точно жив. Но обоих состояний не будет.
Таким образом, коллапс квантового состояния управляется не только сознательными наблюдателями, а «Кот Шредингера» был всего лишь учебным пособием, изобретенным для того, чтобы попытаться сделать этот факт более очевидным, доведя до абсурда идею управляемую наблюдателем.
К сожалению, многие научно-популярные авторы и в наши дни продолжают распространять заблуждение о том, что квантовое состояние (и, следовательно, сама реальность) определяется сознательными наблюдателями.
Они используют это ошибочное утверждение как трамплин для необоснованных и ненаучных дискуссий о природе реальности, сознания и даже мистицизма. Для них «Кот Шредингера» — не признак того, что их утверждения ошибочны, а доказательство того, что мир так же абсурден, как они утверждают. Они либо неправильно понимают Кота Шредингера, либо намеренно искажают его.
Подпишитесь на наш канал в TelegramФизики опровергли общепризнанную точку зрения и “спасли” кота Шредингера
Свежий номер
РГ-Неделя
Родина
Тематические приложения
Союз
Свежий номер
04.06.2019 13:07
Рубрика:
Общество
Денис Передельский
iStock
Физики из Йельского университета совместно с коллегами из Франции и Новой Зеландии провели серию экспериментов и доказали, что квантовый переход атома из одного состояния в другое происходит вовсе не непредсказуемо, как считалось ранее, а предваряется мимолетным сигналом-предупреждением.
Исследование опубликовано в журнале Nature, а коротко оно описано на сайте Йельского университета. Физики нашли способ спасти знаменитого кота. Речь идет о мысленном эксперименте, описанном Эрвином Шредингером в 1935 году.
Условного кота запирают в коробке вместе с механизмом, содержащим колбу с синильной кислотой и радиоактивное вещество. При распаде хотя бы одного атома колба должна открыться, и в таком случае яд убьет кота. Но никто не знает, когда это произойдет.
Для наблюдателей кот Шредингера одновременно и жив, и мертв. Он является символом суперпозиции и непредсказуемости, которые до сих пор считались основополагающей догмой в квантовой физике.
Однако новое исследование показывает, что способ спасти знаменитого кота все-таки имеется. Эксперимент был предложен Златко Миневым, а провели его в лаборатории профессора Мишеля Деворета. Ученые впервые изучили фактическую работу квантового скачка.
Полученные результаты противоречат общепризнанной точке зрения датского физика Нильса Бора.
Он считал, что квантовые переходы нельзя предсказать. Ученые провели эксперименты со сверхпроводящими кубитами – квантовой информацией. Для крошечного объекта, такого как электрон, молекула или искусственный атом, квантовый скачок – это внезапный переход из одного из его дискретных энергетических состояний в другое.
“Эти скачки происходят каждый раз, когда мы исследуем кубит, – говорит профессор Деворет. – Они непредсказуемы в долгосрочной перспективе”.
Но исследователям удалось зафиксировать предупреждение о том, что скачок произойдет в ближайшее время. Это и было показано экспериментом: микроволновое излучение от трех генераторов возбуждало искусственный атом, что приводило к квантовым скачкам.
Крошечный квантовый сигнал этих скачков удалось усилить без потерь до комнатной температуры. При таких условиях сигналы можно было отследить в режиме реального времени. Это позволило зафиксировать внезапное исчезновение фотонов, испускаемых вспомогательным состоянием атома, возбуждаемого микроволнами.
Мимолетное отсутствие фотонов и является предупреждением о квантовом скачке, который вот-вот произойдет. По мнению ученых, точно рассчитанный импульс излучения может помочь обратить вспять квантовый скачок и вернуть кубит в его исходное состояние. Тем самым можно спасти кота Шредингера от смерти.
Наука
Главное сегодня
В центре Вены сотни человек вышли на митинг против участия Австрии в конфликте на Украине
WSJ: ВСУ потеряли под Артемовском несколько самых подготовленных подразделений
Захарова заявила, что “беседа” Блинкена с Лавровым является акцией перед выборами в США
Сенатор Климов: США найдут Шольцу замену, если он попытается “соскочить”
В МИД РФ перечислили 11 cтран, которые могут стать безвизовыми для россиян
Bloomberg: Британия приостановила поставки газа в Европу
Какая физика стоит за экспериментом с котом Шредингера
Рассказ о самом известном физике коте знаком многим, но какова внутренняя история кошачьих, настолько требовательных, что им нужна собственная Вселенная, и как она иллюстрирует «странность квантового мира? (Роберт Ли) Из всех контринтуитивных элементов квантовой физики, представленных публике с момента ее зарождения в начале двадцатого века, вполне возможно, что идея о том, что система может состоять из двух (или более) противоречащих друг другу вещей сразу, может быть самым сложным.
Эта идея сосуществования состояний, или суперпозиции, бросала вызов хорошо известному аспекту логики — «закону непротиворечия» — и вызывала раздражение у логистов, а также бросала вызов отцам квантовой физики. Главный из них Эрвин Шредингер, предложивший дьявольский мысленный эксперимент, который продемонстрирует то, во что он верил, смехотворную природу системы, существующей в противоречивых состояниях.
Этот мысленный эксперимент станет, пожалуй, самым известным в истории физики, переплетаясь с остроумными футболками, шляпами, сумками и значками, проникая в поп-культуру, телевидение и кино. Это странная история о коте Шредингера и о том, что он может рассказать нам о квантовой физике и природе самой реальности.
Прежде чем углубляться в эксперимент, разработанный Шредингером, стоит изучить обстоятельства, которые привели его к рассмотрению абсурдной ситуации с кошкой, которая одновременно и жива, и мертва.
Разыскивается: живым или мертвым! Как кота поместили в ящик
Во многих смыслах место Эрвина Шредингера в истории квантовой механики омрачено его мысленным экспериментом, основанным на кошках.
Австрийский физик заложил основы теоретического понимания квантовой физики, введя в 1919 году свое одноименное волновое уравнение.26. Как описывает Джой Мэннерс в книге «Квантовая физика: введение» :
, «уравнение Шредингера сделало для квантовой механики то же, что законы движения Ньютона сделали для классической механики 250 лет назад».
Джой Мэннерс, Квантовая физика: введение
Уравнение Шредингера показывает, что состояние системы — «совокупность всех ее измеримых качеств» — может быть описано как волновая функция — представлено греческой буквой Psi (Ψ) . Эта волновая функция содержит всю информацию о системе, которую возможно удержать. Каждая волновая функция — это решение уравнения Шредингера, но вот самое интересное: две волновые функции могут быть объединены, чтобы сформировать третью, и эта результирующая волновая функция может содержать полностью противоречивую информацию.
Когда волновые функции системы объединяются, она находится в состоянии «суперпозиции».
Также нет предела тому, сколько из этих волновых функций может быть объединено, чтобы сформировать суперпозицию.
Тем не менее, хотя волновая функция может быть бесконечной, она не вечна. Действие измерения рассматриваемой системы, по-видимому, приводит к коллапсу волновой функции — чему-то, для чего пока нет ни физического, ни математического описания. Однако существуют интерпретации происходящего, которые проникают в самое сердце реальности.
Прежде чем приступить к этим интерпретациям, сначала мы должны добраться до нашего кота в коробке, пока он не стал слишком нетерпеливым.
Самое дьявольское устройство
В 1935 году, живя в Оксфорде, спасаясь от восстания нацистов, Шредингер впервые опубликовал статью, в которой выразил свою обеспокоенность идеей измерения, коллапсом волновой функции и противоречивыми состояниями в квантовой механике. . Мало ли что он знал, это привело бы к тому, что он стал бы самым печально известным теоретическим убийцей кошек в истории.
Ниже Шредингер описывает ужасное затруднительное положение, в котором оказался его несчастный Могги. счетчик Гигера небольшое количество радиоактивного вещества, так что, может быть, в течение часа один из атомов распадется, но равновероятно, что ни один атом не распадется…»
вещества разлагаются и заставляют Гигера тикать в течение часа продолжительности эксперимента.
«Если один из них распадается, счетчик срабатывает маленьким молоточком, который разбивает контейнер с цианидом».
Итак, если атом распадается в течение часа, кошка погибает. Если нет, кошка выживает. Рассматривая коробку и кошку как квантовую систему, как бы мы описали ее волновую функцию (Ψ)?
Волновая функция системы теперь существует в виде суперпозиции отдельной волновой функции, которая описывает кошку как живую, и той, которая объявляет ее мертвой.
Согласно правилам квантовой физики, кот в настоящее время и мертв, и жив.
Однако нашему несчастному кошачьему не суждено доживать свое существование в виде какого-то причудливого квантового зомби. Быстрый взгляд внутрь коробки представляет собой измерение системы. Таким образом, открывая коробку, мы коллапсируем волновую функцию и определяем судьбу кота Шрёдингера. В данном случае действительно любопытство убивает кошку.
Давайте закончим нашу аналогию на счастливой ноте. Открываем нашу коробку и, к счастью, вещество не подверглось распаду. Бутыль с цианидом остается целой. Наш могги выживает, невредимый, если его раздражать. Волновая функция разрушилась, оставив синюю подволновую функцию нетронутой, но что на самом деле только что произошло? Как определилась судьба кота?
Короткий ответ: мы не знаем, но у нас есть некоторые интерпретации. Далее мы сравним два самых выдающихся.
Гораздо больше девяти жизней. Многомировая интерпретация
То, что мы обсуждали до сих пор, представляет собой очень грубое описание копенгагенской интерпретации квантовой механики.
Причина, по которой здравый смысл представляет это в первую очередь, заключается в том, что обычно это интерпретация, которая наиболее широко принимается и преподается.
Как вы видели, копенгагенская интерпретация описывает систему без установленных значений до тех пор, пока не произойдет или не будет проведено измерение и значение — в нашем случае «живое» — не появится. Если это звучит глубоко неудовлетворительно, что ж, так оно и есть. Один из вопросов, который он оставляет открытым, — «почему волновая функция коллапсирует?»
В 1957 году американский физик Хью Эверетт III задал другой вопрос: «Что, если волновая функция вообще не коллапсирует?» Что, если оно будет расти?» Отсюда возникла «формулировка относительного состояния» Эверетта, более известная любителям научной фантастики, комиксов и фэнтези как «гипотеза/интерпретация многих миров».
Ниже мы видим, что происходит с волновой функцией в копенгагенской интерпретации. Ящик открывается, и волновая функция коллапсирует.
Так что же происходит в интерпретации «множества миров»? Вместо того, чтобы рушиться, когда коробка открывается, волновая функция расширяется. Кошка не перестает быть суперпозицией, но эта суперпозиция теперь включает в себя исследователей и саму вселенную, в которой они обитают. Мы становимся частью системы.
В многомировой интерпретации исследователи не открывают коробку, чтобы узнать, жив кот или нет, они открывают коробку, чтобы увидеть, находятся ли они во вселенной, где кошка выжила, или во вселенной, в которую она была отправлена . Они и их мир стали частью волновой функции. Совершенно новая вселенная в суперпозиции со старой. Единственная разница.
На одного кота меньше.
Котята Шредингера: несколько слов предостережения
Опять же, как и в случае с копенгагенской интерпретацией, нет реальных экспериментальных доказательств концепции многих миров. Во многих отношениях любая интерпретация квантовой механики на самом деле является скорее областью философии, чем науки.
Кроме того, при рассмотрении «множества миров» стоит отметить, что это иная концепция, чем идея «мультивселенной» различных вселенных, созданных в начале времен.
Кроме того, существуют некоторые серьезные проблемы с рассмотрением «кота в коробке» как квантовой системы. Исследователи постоянно обнаруживают квантовые эффекты во все более и более крупных системах, текущий рекорд, по-видимому, составляет 2000 атомов, помещенных в суперпозицию. Чтобы представить это в перспективе; скромное лакомство для кошек содержит около 10²² атомов!
Многие физики предлагали причины, по которым более крупные системы не проявляют квантовых эффектов, а Роджер Пенроуз предположил, что любая система, имеющая достаточную массу, чтобы влиять на пространство-время с помощью общей теории относительности Эйнштейна, не может быть изолирована. Благодаря влиянию гравитации постоянно проводятся «измерения». Это, безусловно, относится даже к самому крохотному могги.
Здесь стоит отметить, что общее описание мысленного эксперимента и открытие ящика привели некоторых к предположению, что именно добавление «сознания» на самом деле вызывает коллапс волновой функции.
Это идея, по которой было продано около миллиона книг по «квантовому вуу», и она возникла из-за неудачной номенклатуры квантовой физики. Использование слов «измерять» и «наблюдать» подразумевает вмешательство сознательного наблюдателя. Правда в том, что любого взаимодействия с другой системой достаточно, чтобы схлопнуть квантовую волновую функцию, поскольку они имеют тенденцию существовать в невероятно хрупких, легко нарушаемых состояниях.
Источники и дополнительная литература
Schrödinger. E,
Гриффитс. Д. Дж., «Введение в квантовую механику», [2017], издательство Кембриджского университета.
Бродхерст. Д, Каппер. Д, Дубин. Д. и др., «Квантовая физика: введение», [2008], Open University Press.
Номура. Ю, Пуарер. Б, Тернинг. J, «Квантовая физика, мини-черные дыры и мультивселенная»,
Orzel. C, «Как научить собаку квантовой физике», [2009], Simon & Schuster.
Теги: экспериментистория физикиМного мировФизикаквантовая физикаКот Шредингера
Что такое Кот Шредингера и почему все пытаются его убить?
В науке мало мысленных экспериментов, столь известных, как кот Шредингера, хотя большинство людей не смогли бы объяснить вам их, даже если бы попытались.
Дело не в том, что последствия мысленного эксперимента непрозрачны. На самом деле последствия мысленного эксперимента — это то, что почти все знают: кот Шредингера одновременно и жив, и мертв.
Но что это вообще значит? Какая логическая цепочка могла привести к такому результату?
К счастью, вам не нужна степень по физике, чтобы понять, к чему клонил Шредингер в своем мысленном эксперименте, и даже Альберт Эйнштейн похвалил Шредингера за разработку такой простой иллюстрации некоторых из наиболее запутанных частей квантовой механики.
Короче говоря, не волнуйтесь. Мысленный эксперимент с котом Шредингера не так сложен, как кажется многим, и правильное понимание кота Шредингера является важной частью понимания фундаментальных особенностей причудливой квантовой области физики.
Кем был Эрвин Шредингер?
Источник: Нобелевский фонд Эрвин Шредингер был австрийским физиком, лауреатом Нобелевской премии, который сыграл важную роль в разработке многих фундаментальных аспектов квантовой теории.
Помимо своего известного мысленного эксперимента, Шредингер наиболее известен своим волновым уравнением, которое используется для расчета волновой функции квантовой системы в различные моменты времени.
Несмотря на то, что он сыграл такую большую роль в ее формировании, Шредингер не всегда соглашался со своими коллегами-квантовыми теоретиками. Фактически, многие идеи, которые они предложили для квантовой механики, казались Шредингеру нелепыми, особенно одна из самых известных особенностей квантовой механики: суперпозиция.
Что такое квантовая суперпозиция?
Квантовая суперпозиция — это особенность квантовой механики, при которой частица может существовать более чем в одном квантовом состоянии, и только после измерения частицы можно определить ее определенное состояние.
Понятно, что это добавляет слой под физическую реальность, который многим кажется либо нелогичным, либо до боли очевидным.
С одной стороны, вряд ли кажется революционным утверждение, что вы не можете определить состояние частицы, пока не измерите его.
Вы также не можете определить свой рост, пока не измерите его, так что в этом такого?
Разница между ними в том, что вы имеете определенный рост, измеряете вы его или нет. Если бы ваш рост обладал квантовым свойством суперпозиции, у вас вообще не было бы определенного роста до измерения.
Самый популярный
Вообще говоря, у вас будет абсолютно равный шанс оказаться в любом данном измеримом состоянии, поэтому, если мы ограничим это только диапазоном в пять футов, у вас будет шанс 1 из 12 быть пятью футы и один дюйм в высоту, пять футов и два дюйма в высоту и так далее, но вы не будете иметь ни одного из этих высот, пока мы не измерим вас.
Эта последняя часть противоречит нашему собственному жизненному опыту, поскольку мы никогда не сталкиваемся в нашей повседневной жизни с чем-то, что существует в такой суперпозиции. Когда вы спускаетесь в масштабе, достаточном для того, чтобы иметь дело с отдельными атомами и даже более мелкими частицами, суперпозиция не только возможна, но и подтверждалась снова и снова на протяжении десятилетий.
Что такое Копенгагенская интерпретация?
Копенгагенская интерпретация квантовой механики — это не что-то конкретное, а набор идей о квантовой теории, которые тесно связаны с двумя основными основателями квантовой механики, Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом.
Для нас важна идея, постулированная Бором в 1930-х годах, что квантовая частица и инструмент, используемый для измерения этой частицы, не действуют независимо друг от друга, а становятся неразрывно связанными в процессе измерения.
Это привело к общему выводу, что частица «знает», что за ней наблюдают, и реагирует на присутствие наблюдателя, определяя свое состояние, чтобы его можно было измерить.
Это прямо противоречит самым основным принципам классической физики и логики, и именно это так сбило Шредингера с толку, что он разработал свой знаменитый мысленный эксперимент, чтобы показать, насколько абсурдна эта идея.
Что такое мысленный эксперимент с котом Шредингера?
youtube.com/embed/67MG6_N0msg” allowfullscreen=”allowfullscreen”> Чтобы показать, что частица не может быть связана с наблюдателем на квантовом уровне, Шредингер придумал идею дьявольского устройства в коробке. Внутри коробки есть Кот Шредингера, каким мы его знаем, но есть также счетчик Гейгера, подключенный к молотку.
Также есть запечатанная стеклянная бутылка, содержащая ядовитый газ и небольшое количество радиоактивного вещества. В квантовом плане это вещество может либо распасться, либо не распасться в любой данный момент.
Если вещество распадается, счетчик Гейгера обнаруживает излучение и запускает молоток, чтобы разбить стеклянную бутылку, выпустив газ в коробку, что, в свою очередь, убьет кошку. Если вещество не распадается, ничего не происходит и кот остается жив.
Но из-за принципа суперпозиции вещество может как распадаться, так и не распадаться, поэтому счетчик Гейгера и разбивает бутылку, и не разбивает бутылку, а кот Шредингера и жив, и мертв одновременно.
Таким образом, копенгагенская интерпретация подразумевает, что только после наблюдения эксперимента путем открытия ящика решается квантовое состояние распада или не распада, поэтому только после открытия ящика можно определить истинную судьбу кошки внутри. урегулирован.
Как кошка может быть одновременно живой и мертвой?
Именно к этому вопросу Шредингер стремился в своем мысленном эксперименте. Последствия копенгагенской интерпретации просто нелогичны, когда применяются к его коту в коробке.
Предлагаемый результат не соответствует нашей действительности, поэтому Шрёдингер и другие противники копенгагенской интерпретации утверждали, что она отклоняется от науки и входит в мир философии и метафизики.
Важное различие, которое необходимо сделать, заключается в том, что Шредингер был , а не , говоря, что квантовая суперпозиция не реальна.
Он пытался проиллюстрировать, что люди, наблюдающие за экспериментом, не являются решающим фактором, поскольку любое взаимодействие с частицей в суперпозиции чего угодно может считаться наблюдением в квантовом смысле.
Задолго до того, как человек открыл коробку, судьба кота Шредингера уже была решена счетчиком Гейгера.
О копенгагенской интерпретации Эйнштейн в письме Шрёдингеру в 1950 году сказал;
эта интерпретация, однако, самым элегантным образом опровергается вашей системой радиоактивный атом + счетчик Гейгера + усилитель + заряд пороха + кот в ящике, в которой [квантовая волновая функция] системы содержит кота и живые и разорванные на куски. Должно ли состояние кота создаваться только тогда, когда физик исследует ситуацию в какой-то определенный момент времени? Никто на самом деле не сомневается, что присутствие или отсутствие кота не зависит от акта наблюдения.
Как пишет доктор Кристофер Бэйрд, доцент кафедры физики Западно-Техасского университета A&M: «коллапс квантового состояния вызывается не только сознательными наблюдателями, а «кот Шредингера» был всего лишь учебным пособием, изобретенным, чтобы попытаться сделать этот факт более очевидно, сводя до абсурда концепцию, управляемую наблюдателем.
Итак, теперь вы знаете настоящую историю кота Шредингера, но не волнуйтесь, квантовая механика достаточно странная, не прибегая к кошачьей мультивселенной.
For You
наука
Недавнее исследование показало, как далеко находилась Луна 2,5 миллиарда лет назад. Смогут ли ученые выяснить, как далеко будет находиться Луна в будущем?
Пол Ратнер | 29.10.2022
diy128 Бесценные функции и формулы Google Таблиц для инженеров
Кристофер Макфадден | 23.10.2022
scienceQuantum в 2027 году: совершите квантовый скачок в будущее ИТ
Дерья Оздемир| 08.08.2022
Еще новости
Наука
Исследование показало, что воздух, которым вы дышите, содержит бактерии из океана
Лукия Пападопулос| 05.