Российские физики научились делать кошек Шредингера «упитаннее»
Физики из Российского квантового центра, МФТИ, Физического института РАН имени Лебедева и Университета Калгари разработали методику увеличения амплитуды состояний кота Шредингера. Это позволяет, например, увеличить количество фотонов, формирующих кота Шредингера. У метода нет формального ограничения «коэффициента усиления» — в теории он может позволить создать макроскопические квантовые состояния и «указать на границу между квантовым и классическим миром». Исследование опубликовано в журнале Nature Photonics, кратко о нем сообщает пресс-релиз, поступивший в редакцию N+1.
Кот (или, если быть точнее, кошка) Шредингера — известный
мысленный эксперимент, предложенный Эрвином Шредингером. В нем животное оказывается
в ящике с ядовитым газом, детектором радиоактивного распада и атомом
радиоактивного изотопа с известным временем полураспада. Если детектор срабатывает,
то газ выпускается из капсулы и кошка погибает. С точки зрения копенгагенской
интерпретации квантовой механики можно описать состояние изотопа как
суперпозицию двух состояний — распался и не распался, причем вероятность
обнаружения двух этих состояний сравняется через время полураспада. Оба этих
состояния существуют одновременно. Это значит, что в этот момент животное
окажется одновременно живым и мертвым.
Эксперимент Шредингера показывал, насколько неестественными кажутся законы квантовой механики по отношению к макроскопическому миру. Однако создание, например, фотонов, находящихся в суперпозиции двух поляризаций уже является рутинной операцией в квантовой физике и оптике. Одним из неразрешенных вопросов остается то, насколько большой может быть система, находящаяся в квантовой суперпозиции.
Как рассказывает соавтор работы, Анастасия Пушкина, идею эксперимента предложили еще в 2003 году австралийские физики. В его основе лежит интерференция двух фотонов — «котов Шредингера» — на светоделителе. Последний представляет собой полупрозрачную призму, отражающую часть фотонов и пропускающий другую. Он выступает в роли элемента, который запутывает между собой фотоны, попадающие на него. При этом возникают ситуации, когда два запутанных фотона одновременно отражаются — соответственно, ни одного фотона не проходит сквозь светоделитель. Оказывается, что при этом два запутанных фотона образуют состояние кота Шредингера с удвоенной энергией.
Эксперимент был устроен следующим образом. На первом этапе
физики одновременно генерировали сжатые состояния света с помощью двух оптически
нелинейных кристаллов — они играли роль изначальных котов Шредингера. Затем эти
состояния направлялись на светоделитель. На одном из выходов из светоделителя
происходило измерение — если оказывалось, что ни одного фотона не вышло в это
плечо прибора, то на втором плече изучалось состояние нового, более «упитанного»
кота Шредингера, состоявшего уже из двух фотонов.
Таким способом авторам удалось создать состояния, состоящие из 3,4 фотонов. Физики повторили эксперимент около 40 тысяч раз, и в каждой пятой попытке удавалось обнаружить увеличение амплитуды. Для того чтобы создать еще более «упитанных» котов Шредингера, потребуется многоступенчатая установка. Например, для увеличения числа фотонов с 2 до 16 потребуется три ступени удвоения. С учетом вероятности успешного соединения фотонов (один случай из пяти) потребуется около пяти тысяч исходных «котов» чтобы создать одного, обладающего в восемь раз большей энергией.
Создание оптических состояний — «упитанных» котов Шредингера
преследует не только фундаментальные интересы. Подобные объекты необходимы в
протоколах квантовой
криптографии, квантовой
телепортации и так далее. При этом, чем выше амплитуда состояния (и чем
больше в него входит фотонов), тем надежнее работают методы. Существующие
методы позволяют работать с состояниями с небольшой амплитудой, но отсутствие
ошибок в них достигается большим количеством повторов.
Владимир Королёв
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Кот Шрёдингера – что это значит
Автор koteiki.comВремя чтения 8 мин.Просмотры 3.9k.Опубликовано Обновлено
Содержание
- Немного о самом Шрёдингере
- Суть эксперимента, или тот самый парадокс Шрёдингера
- То есть, если уж совсем просто – наблюдения над ядром и котом нет
- Интерпретации эксперимента Шрёдингера
- Копенгагенская интерпретация
- Интерпретация Эверетта, которая называется многомировая
- Интерпретация самого кота
- Калифорнийский парадокс!
- Этот самый кот в мировой литературе
- А вот миниатюра (сатирическая) Николая Байтова, которая называется «Кошка Шрёдингера», описывает выверт этого опыта наизнанку
- Часто спрашивают, что это за порода такая и как такого достать!
Словосочетание кот Шрёдингера – слышали многие.
И некоторые любители котов и кошек спрашивают: «А где купить себе такого кота?» А нигде его не купишь, потому что его не существует! Он не существует как животное, зато прекрасно себя чувствует как мысленный эксперимент или парадокс, придуманный в свое время Шрёдингером.
Немного о самом Шрёдингере
Эрвин Рудольф Йозеф Александр Шрёдингер был в свое время не только выдающимся ученым, Нобелевским лауреатом, но и настоящим «отцом квантовой механики». В атомной физике базовым понятием считается его уравнение, которое так и называется – «уравнение Шрёдингера». Но не оно принесло популярность выдающемуся физику! А его мысленный эксперимент, который выявил парадокс в отношении квантовой физики.
Этот эксперимент Шрёдингера стал таким откровением, что о нем знают не только физики, но и простые обыватели. По крайней мере, хотя бы по названию! А сам этот эксперимент был доказательством несостоятельности интерпретации законов квантовой механики, представленной в Копенгагене в 1927-ом году Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом.
Эта интерпретация строилась на ответе двух ученых на вопрос о корпоскулярно – волновом дуализме, который свойственен квантовой механике. Эта интерпретация дает основания полагать, что смешение системы прекращается именно в момент наблюдения – она просто выбирает какое-то конкретное, одно состояние.
Суть эксперимента, или тот самый парадокс Шрёдингера
Что же это такое – кот Шредингера, как можно понимать этот опыт? «Действующими лицами» в этом эксперименте являются живая кошка и радиоактивные атомы. Вот достаточно простое объяснение этому эксперименту:
- У нас есть ящик, в этом ящике будет сидеть кошка (или кот – без разницы), а еще там будет находиться специальный механизм. Этот механизм состоит из емкости с достаточно ядовитым газом и атомного ядра. Причем это ядро имеет период распада за один час с вероятностью 50%, то есть равную в сторону «за» или «против». В момент распада запускается механизм, который открывает эту емкость с ядом в виде газа. То есть, ядро все-таки распалось – котик умер от отравления.
- Кошка (или же кот) заперт в этом ящике и сидит там ровно один час.
- Сама квантовая же механика вроде сообщает нам, что как сам наш кот, так и ядро атома, находятся одновременно в обоих состояниях (это суперпозиция). Пока мы еще не открыли злосчастный ящик, вероятность ситуации «наш котик жив» или «наш котик, к сожалению, умер» находится в соответствии 50% на 50%. То есть наш кот, который сидит в этом ящике, одновременно и мертвый и живой!
- Причем промежуточного состояния между жив — мертв в данной ситуации нет! И она совершенно не зависит от наблюдателя, а только от ядра!
То есть, если уж совсем просто – наблюдения над ядром и котом нет
И именно поэтому их состояние можно описать двояко – ядро распалось и котик мертв, ядро не распалось и котик жив. Одновременно, без проверки, котик и мертв и жив, потому что ядро и распалось и не распалось. И только при контроле через час можно с уверенностью «поставить диагноз».
А до истечения этого часа и ядро и наш котик находится сразу в двух фазах – и положительной, и отрицательной! В этом и есть парадокс! Потому что нельзя быть одновременно и мертвым и живым – противоречит всем законам. Но до проверки через час сказать, в каком точно состоянии находится это ядро, а, следовательно, и наша кошка, просто невозможно. Любое утверждение будет ложным!
И вот при помощи этого эксперимента явственно видно, что таки квантовая механика носит в себе очень существенные и парадоксальные изъяны. Пресловутый кот Шрёдингера это ясно доказал. Ведь быть в одно и то же время и живым, и мертвым, невозможно, а именно это и происходит с подачи этой самой квантовой механики! Опыт показывает, что такой парадокс просто немыслим по опередению здравого смысла. А это значит, и вся квантовая механика парадоксальна и требует дополнений в виде правил, только они смогут указать на условия, при наличии которых будет существовать только один вариант.
Интерпретации эксперимента Шрёдингера
Начнем с того, что хоть название, существующее сегодня, говорит об этом эксперименте «Кот Шредингера», в оригинальном варианте эксперимента была-таки кошка! И существуют на сегодняшний день данный опыт имеет несколько интерпретаций
Копенгагенская интерпретация
Именно она утверждает, что до того момента, когда откроется ящик, наш несчастный кот пребывает в «смешанном» состоянии – то есть он одновременно и мертвый, и живой.
Парадокс? Несомненно! И только в тот момент, когда мы открыли ящика Шрёдингера, происходит тот самый волновой коллапс, который все «расставляет по своим местам». Но в этой интерпретации не существует четкого правила, которое освещает момент попадания атома ядра в детектор.
Интерпретация Эверетта, которая называется многомировая
Здесь само наблюдение не является особенным или нужным. По этой интерпретации оба состояния кота могут существовать до воздействия с окружающей средой. И только тогда, когда ящик Шрёдингера открыт, остается одно верное состояние!
Интерпретация самого кота
Конечно, кот ничего не смыслит в квантовой механике, но вот в оценке своего состояния он смыслит однозначно. Именно об этом утверждали Макс Тегмарк, Ганс Моравек и Бруно Маршал! Если судить внутренним взглядом самого кота, то он всегда останется живым. А все потому, что мертвые не смогут оценить своего состояния, а если после открытия ящика Шрёдингера этот кот оценивает, то он явно не мертвый! Да и сам этот парадокс они назвали не чем иным, как «квантовым самоубийством животного»!
Калифорнийский парадокс!
А вот это уже совершенно из области фантастики! Надав Кац, ученый из Калифорнии провел и описал следующий опыт.
Он вернул квантовое состояние этой частицы в исходную точку, причем смог замерить ее состояние. По его утверждению, даже открыв ящик Шрёдингера, можно вернуть все в исходную точку. И не важно, будет котик жив, или он будетмертв, можно все «обнулить». Парадокс? Несомненно!
Этот самый кот в мировой литературе
Эксперимент физика Шрёдингера принес ему (и его котику!) известность не только в научных кругах, но и в литературе. Роберт Хайнлайн, в своем романе «Кот, проходящий сквозь стены», описал рыженького котика по кличке Пиксель. Он находится в обоих состояниях всегда, как и его тезка Шрёдингера. И именно на этом построен весь сюжет романа!
А вот Терри Праттчерт описал специальную породу котиков, которые произошли от прародителя — кота, участника эксперимента Шрёдингера. Причем эти котики были необычайно умными. А вот в основу интересного сюжета романа, который называется «Нашествие Квантовых Котов», автора Фредерика Пола, легли коты из параллельных, вернее «соседних» Вселенных.
И натолкнул его на такой сюжет тот самый эксперимент Шрёдингера!
А вот миниатюра (сатирическая) Николая Байтова, которая называется «Кошка Шрёдингера», описывает выверт этого опыта наизнанку
Там по сюжету существует такая «Лига Обратимого Времени». Члены этой Лиги постоянно, на протяжении пятидесяти лет пристально наблюдают за кошкой. То есть, суть этого сюжета в том, что, не прекращая своего наблюдения люди (члены этой Лиги), сохраняют жизнь несчастному животному. Как только наблюдение прекратится – кошечка умрет!
Причем не только в литературе, но и во многих фильмах и сериалах, этот котик присутствует. Например, у главного героя, который показан в сериал «Скользящие», есть личный любимец с кличкой (ни много, ни мало!) Шрёдингер. Да и как иначе, сама суть этого сериала построена на квантовой (конечно!) механике, ее законах. И даже пусть сериал немного юмористический, приключенческий и фантастический – смотрели его многие. А значит, что и котике Шрёдингера узнали.
И может именно поэтому немало настоящих любителей пушистых питомцев ищут в интернете информацию, где можно купить такого красавца?
Часто спрашивают, что это за порода такая и как такого достать!
Все благодаря литературе и кино, а так же огромной популярности самого эксперимента Шрёдингера. А на самом деле та кошечка, которая и послужила прообразом этого самого знаменитого Кота, была совершенно обычная. Она имела черепаховый окрас и была еще совсем молоденькой! И очень хорошо, что после эксперимента она оказалась абсолютно жива! Кстати, после публикации отчета о своем мысленном эксперименте, сам Шрёдингер получил массу предложений продать котят, которые потом появились у его любимицы. Так что сейчас в мире должно быть достаточно много потомков самого знаменитого Кота в истории, а вернее кошечки!
Может ли кот Шредингера существовать в реальной жизни? Наше исследование может дать ответ
Вы когда-нибудь были более чем в одном месте одновременно? Если вы намного больше атома, ответ будет отрицательным.
Но атомы и частицы подчиняются законам квантовой механики, в которой одновременно могут сосуществовать несколько различных возможных ситуаций.
Квантовые системы управляются так называемой «волновой функцией»: математическим объектом, который описывает вероятности различных возможных ситуаций.
И эти разные возможности могут сосуществовать в волновой функции как то, что называется «суперпозицией» разных состояний. Например, частица, существующая одновременно в нескольких разных местах, — это то, что мы называем «пространственной суперпозицией».
Только при проведении измерения волновая функция «коллапсирует» и система оказывается в одном определенном состоянии.
Обычно квантовая механика применяется к крошечному миру атомов и частиц. Присяжные все еще не знают, что это значит для крупномасштабных объектов.
В нашем исследовании, опубликованном сегодня в Optica, мы предлагаем эксперимент, который может решить этот сложный вопрос раз и навсегда.
Кот Эрвина Шредингера
В 1930-х годах австрийский физик Эрвин Шредингер придумал свой знаменитый мысленный эксперимент о коте в коробке, который, согласно квантовой механике, может быть одновременно и живым, и мертвым.
В нем кота помещают в запечатанный ящик, в котором случайное квантовое событие имеет шанс убить его 50–50. Пока коробка не открыта и за котом не наблюдают, оба кота мертвы и живы одновременно.
Другими словами, кошка существует как волновая функция (с множеством возможностей) до того, как ее наблюдают. Когда за ним наблюдают, он становится определенным объектом.
Что такое Кот Шредингера?После долгих споров научное сообщество в свое время пришло к консенсусу с «копенгагенской интерпретацией». По сути, это говорит о том, что квантовая механика может применяться только к атомам и молекулам, но не может описывать гораздо более крупные объекты.
Оказывается, они ошибались.
За последние два десятилетия или около того физики создали квантовые состояния в объектах, состоящих из триллионов атомов — достаточно больших, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом.
Хотя, это еще не включает пространственную суперпозицию.
Читать далее:
Эксперимент показывает, что квантовое «призрачное действие» Эйнштейна приближается к человеческому масштабу
Как волновая функция становится реальной?
Но как волновая функция становится «реальным» объектом?
Это то, что физики называют «проблемой квантового измерения». Это озадачивало ученых и философов около века.
Если бы существовал механизм, устраняющий возможность квантовой суперпозиции у крупномасштабных объектов, то потребовалось бы каким-то образом «возмущать» волновую функцию — и это создавало бы тепло.
Если такое тепло обнаружено, это означает, что крупномасштабная квантовая суперпозиция невозможна. Если такое тепло исключено, то, вероятно, природа не против «быть квантовой» любого размера.
Если верно последнее, то с развитием технологий мы сможем переводить большие объекты, возможно, даже разумные существа, в квантовые состояния.
Физики не знают, как будет выглядеть механизм предотвращения крупномасштабных квантовых суперпозиций. По мнению некоторых, это неизвестное космологическое поле. Другие подозревают, что гравитация может иметь к этому какое-то отношение.
Лауреат Нобелевской премии по физике этого года Роджер Пенроуз считает, что это может быть следствием сознания живых существ.
Читать далее: Нобелевская премия по физике 2020 года присуждена за работу с черными дырами — астрофизик объясняет новаторские открытия
В погоне за мельчайшими движениями
За последнее десятилетие или около того физики лихорадочно искали следы тепла, которые указывали бы на нарушение волновой функции.
Чтобы выяснить это, нам нужен метод, который может подавить (насколько это возможно) все другие источники «избыточного» тепла, которые могут помешать точному измерению.
Нам также нужно держать под контролем эффект, называемый квантовым «обратным действием», при котором акт наблюдения сам по себе создает тепло.
В нашем исследовании мы сформулировали такой эксперимент, который мог бы показать, возможна ли пространственная суперпозиция для крупномасштабных объектов. Лучшие эксперименты до сих пор не были в состоянии достичь этого.
Поиск ответа в крошечных вибрирующих лучах
Наше исследование показывает, что крошечные резонаторы в ультрахолодном холодильнике могут, наконец, дать ответ. Резонаторы — это крошечные физические лучи, которые вибрируют подобно гитарным струнам, только на гораздо меньшем уровне и на гораздо более высокой частоте.
Как и в предыдущих экспериментах, нам нужно было бы использовать холодильник с температурой на 0,01 градуса Кельвина выше абсолютного нуля. (Абсолютный ноль – это теоретически возможная самая низкая температура).
В отличие от предыдущих экспериментов, в нашем эксперименте будут использоваться резонаторы, вибрирующие внутри холодильника на гораздо более высоких частотах, чем когда-либо прежде.
Это устранит проблему нагревания самого холодильника.
При таком сочетании очень низких температур холодильника и очень высоких частот вибрации в резонаторах подвергаются процессу, называемому «конденсацией Бозе».
Вы можете представить это как состояние материи, в котором резонатор становится настолько прочно замороженным, что тепло из холодильника не может его раскачать, ни на йоту. Атомы или частицы охлаждаются до таких низких энергий, что они «конденсируются» в одно квантовое состояние.
Мы также использовали бы другую стратегию измерения, которая вообще не наблюдает за движением резонатора, а скорее измеряет количество энергии, которой он обладает. Этот метод также сильно подавит обратное тепло.
Читать далее: Семь распространенных мифов о квантовой физике
Но как бы мы это сделали?
Отдельные частицы света попадут в резонатор и отскочат туда-сюда несколько миллионов раз, поглощая избыточную энергию.
В конце концов они покинут резонатор, унося избыточную энергию.
Измеряя энергию исходящих частиц света, мы могли определить, присутствует ли тепло в резонаторе.
Если тепло присутствовало, это указывало бы на то, что неизвестный источник (который мы не контролировали) нарушил волновую функцию. А это означало бы, что суперпозиция невозможна в больших масштабах.
Все ли квантово?
Эксперимент, который мы предлагаем, очень сложен. Это не то, что вы можете небрежно настроить в воскресенье днем. Могут потребоваться годы разработки, миллионы долларов и целая куча опытных физиков-экспериментаторов.
Тем не менее, он может ответить на один из самых интересных вопросов о нашей реальности: все ли квантово? И поэтому мы, безусловно, думаем, что это стоит усилий.
Что касается помещения человека или кошки в квантовую суперпозицию — у нас нет никакой возможности узнать, как это повлияет на это существо.
К счастью, пока нам не нужно об этом думать.
Кот Шредингера
Эрвин Шредингер намеревался создать свою печально известную коробку для убийства кошек, чтобы дискредитировать некоторые неинтуитивные следствия квантовой механики, второй формулировкой которой была его волновая механика. Волновая механика Шредингера математически более непрерывна, и , по-видимому, более детерминирована, чем матричная механика Вернера Гейзенберга.
Шрёдингеру не нравилась идея Нильса Бора о «квантовых скачках» между «стационарными состояниями» Бора — различными «энергетическими уровнями» в атоме. «Квантовый постулат» Бора гласил, что скачки между дискретными состояниями испускают (или поглощают) энергию в количестве hν = E 2 – E 1 .
Бор не принял гипотезу Альберта Эйнштейна 1905 года о том, что излучение представляет собой пространственно локализованный квант энергии hν. До 19В 20-х годах Бор (и Макс Планк, сам изобретатель квантовой гипотезы) считал, что излучение представляет собой непрерывную волну.
Это был вопрос корпускулярно-волнового дуализма, который Эйнштейн увидел еще в 1909 году.
Именно Эйнштейн выдвинул предположение, что суперпозиция волновых функций Шредингера подразумевает, что два разных физических состояния могут существовать одновременно. Это была серьезная интерпретационная ошибка, от которой и по сей день страдает фундамент квантовой физики.
Эта ошибка часто встречается при обсуждении так называемых «запутанных» состояний (см. эксперимент Эйнштейна-Подольского-Розена).
Запутывание происходит только для явлений на атомном уровне и на ограниченных расстояниях, которые сохраняют когерентность двухчастичных волновых функций, изолируя системы (и их собственные функции) от взаимодействия с окружающей средой.
На самом деле мы никогда не «видим» и не измеряем никакую систему (будь то микроскопический электрон или макроскопический кот) в двух различных состояниях.
Квантовая механика просто предсказывает значительную вероятность того, что система будет находиться в этих различных состояниях. И эти предсказания вероятности подтверждаются статистикой большого количества идентичных экспериментов.
Принцип исключения Паули говорит (правильно), что две идентичные неразличимые (фермионные) частицы не могут находиться в одном и том же месте в одно и то же время. Запутанность часто интерпретируется (неверно) как утверждение, что одна частица может находиться в двух местах одновременно. Принцип суперпозиции Дирака не говорит, что частица есть в двух состояниях одновременно, а только то, что существует ненулевая вероятность найти ее в любом состоянии, если ее измерить.
Макс Борн описал несколько парадоксальный результат:
Движение частицы подчиняется законам вероятности, но сама вероятность распространяется по законам причинности.
Эйнштейн написал Шрёдингеру, что распад радиоактивного ядра может вызвать большой взрыв.
Поскольку момент распада неизвестен, Эйнштейн утверждал, что суперпозиция распавшихся и нераспавшихся ядерных состояний подразумевает суперпозицию взрыва и отсутствия взрыва. Это не. И в микроскопическом, и в макроскопическом случаях квантовая механика просто оценивает амплитуды вероятности для этих двух случаев.
Много лет спустя Ричард Фейнман превратил предложение Эйнштейна в ядерный взрыв! (Что насчет некоторых ученых?)
Эйнштейну и Шрёдингеру не нравилась фундаментальная случайность, подразумеваемая квантовой механикой. Они хотели восстановить детерминизм в физике. Действительно, волновое уравнение Шредингера предсказывает совершенно детерминированную временную эволюцию волновой функции. Но то, что развивается детерминистически, — это только абстрактные вероятности. И эти вероятности подтверждаются только статистикой большого числа одинаково подготовленных опытов. Случайность вступает только тогда, когда производится измерение и волновая функция «схлопывается» в одно из возможных состояний системы.
Шредингер разработал вариант, в котором случайный радиоактивный распад убивает кошку. Наблюдатели не могли знать, что произошло, пока ящик не был открыт.
Подробности безвкусного эксперимента включают:
- Счетчик Гейгера, производящий лавину электронов при прохождении через него альфа-частицы
- часть радиоактивного материала с периодом полураспада, который может испустить альфа-частицу в направлении счетчика Гейгера в течение времени Т
- электрическая цепь, возбуждаемая электронами, которая роняет молоток
- колба со смертоносным синильным газом, разбитая молотком.
Газ убьет кошку, но точное время смерти непредсказуемо и случайно из-за неустранимой квантовой неопределенности времени распада (и направления распада частицы, которая может промахнуться счетчиком Гейгера!).
Этот мысленный эксперимент часто неправильно понимают.
Это имелось в виду (и Эйнштейном, и Шредингером), чтобы предположить, что квантовая механика описывает одновременное (и явно противоречивое) существование живого и мертвого кота. Вот знаменитая диаграмма с котом одновременно мертвым и живым.
Что не так с этой картинкой?
Квантовая механика утверждает только, что эволюция во времени волновых функций Шрёдингера для амплитуд вероятности ядерного распада точно предсказывает долю ядерных распадов, которые произойдут в заданном временном интервале.
(Классические) вероятности (без интерференции между терминами) просто предсказывают количество живых и мертвых кошек, которые будут наблюдаться в большом количестве идентичных экспериментов.
Квантовые «амплитуды вероятности» допускают интерференцию между возможными состояниями квантового объекта, но не между макроскопическими объектами, такими как живые и мертвые кошки.
В частности, квантовая механика дает нам точное предсказание, что если этот эксперимент повторить много раз (SPCA не одобрил бы его), половина экспериментов приведет к мертвым кошкам.
Обратите внимание, что это проблема эпистемологии. Какие знания дает квантовая физика?
Если мы откроем коробку в момент времени T , когда существует 50% вероятность испускания альфа-частиц, самое большее, что может знать физик, это то, что существует 50% вероятность того, что произойдет радиоактивный распад и кошка будет уничтожена. наблюдается как мертвый или умирающий.
Если ящик был открыт раньше, скажем, в T/2 , вероятность того, что кошка умерла, составляет всего 25%. Шредингеровская суперпозиция живых и мертвых кошек выглядела бы так.
Если ящик был открыт позже, скажем, по адресу 2T , вероятность того, что кот все еще жив, составляет всего 25%. Квантовая механика дает нам только статистическую информацию — знание о вероятностях.
Шредингер просто ошибается в том, что смесь ядерных волновых функций, которая точно описывает распад, может быть увеличена до макроскопического мира, чтобы описать аналогичную смесь волновых функций живой кошки и мертвой кошки и одновременное существование живых и мертвых кошек.
Вид когерентной суперпозиции состояний , необходимой для описания атомной системы как линейной комбинации состояний (см. объяснение суперпозиции Поля Дирака с использованием трех поляризаторов), не описывает макроскопические системы.
Вместо линейной комбинации чистых квантовых состояний с квантовой интерференцией между состояниями, т.е.
| Кат > = ( 1/√2) | Живой > + ( 1/√2) | Мертвый >,
Квантовая механика говорит нам только о том, что существует 50-процентный шанс найти кошку либо в живом, либо в мертвом состоянии, т. е.
Кошки = (1/2) Живые + (1/2) Мертвые .
Как и в квантовом случае, это вероятностное предсказание подтверждается статистикой повторных идентичных экспериментов, но интерференции между этими состояниями не наблюдается.
То, что существует одновременно в макроскопическом мире, — это подлинные альтернативные возможности для будущих событий.
Существует реальная возможность появления живой или мертвой кошки в любом конкретном эксперименте. Какой из них найден, является неустранимо случайным, непредсказуемым и вопросом чистой случайности.
Подлинные альтернативные возможности — вот что беспокоило таких физиков, как Эйнштейн, Шредингер и Макс Планк, которые хотели вернуться к детерминистской физике. Это также беспокоит философов-детерминистов и компатибилистов, у которых есть то, что Уильям Джеймс называет «антипатией к случаю». По иронии судьбы, сам Эйнштейн в 1916 году открыл существование неустранимой случайности в элементарных взаимодействиях материи и излучения.
Пока информация не появится, будущее неопределенно. Как только информация макроскопически закодирована, прошлое определено.
Как информационная физика решает этот парадокс?
Как только альфа-частица запускает лавину электронов в счетчике Гейгера (необратимое событие со значительным увеличением энтропии), в мире создается новая информация .
Например, простой самописец, прикрепленный к счетчику Гейгера, мог записывать время распада, которое наблюдатель-человек мог прочитать в любой момент позже. Обратите внимание, что, как обычно при создании информации, энергия, затрачиваемая записывающим устройством, увеличивает энтропию в большей степени, чем увеличение количества информации уменьшает ее, таким образом удовлетворяя второму закону термодинамики.
Даже без механического записывающего устройства смерть кошки приводит в действие биологические процессы, которые представляют собой эквивалентную, хотя и ужасную запись. Когда результатом является мертвая кошка, сложное вскрытие может определить приблизительное время смерти, потому что тело кошки действует как регистратор событий. Никогда не бывает суперпозиции (в смысле одновременного существования) живых и мертвых кошек.
Парадокс ясно указывает на то, что философия информации решает проблему измерения.
Людям-наблюдателям не требуется проводить измерения. В этом случае кошка является наблюдателем.
В большинстве физических измерений новая информация фиксируется аппаратурой задолго до того, как какой-либо физик получает возможность прочитать какие-либо циферблаты или указатели, указывающие на то, что произошло. Действительно, в сегодняшних экспериментах по взаимодействию высокоэнергетических частиц данные могут быть собраны, но не полностью проанализированы до тех пор, пока много дней или даже месяцев компьютерной обработки не установит то, что наблюдалось. В этом случае экспериментальной установкой является наблюдатель.
И вообще вселенная сама себе наблюдатель , способный записывать (а иногда и сохранять) созданную информацию.
Основное предположение, сделанное в мысленных экспериментах Шредингера с кошками, состоит в том, что детерминистическое уравнение Шредингера, описывающее микроскопическую суперпозицию распавшихся и нераспавшихся радиоактивных ядер, детерминистически развивается в макроскопическую суперпозицию живых и мертвых кошек.
Но поскольку суть «измерения» — это взаимодействие с другой системой (квантовой или классической), создающей информацию, которую (позже) увидит наблюдатель, взаимодействия между ядром и кошкой более чем достаточно, чтобы коллапсировать волновую функцию. . Расчет вероятности этого коллапса позволяет нам оценить вероятности живых и мертвых кошек. Это вероятности, а не амплитуды вероятностей. Они не мешают друг другу.
После взаимодействия они не находятся в суперпозиции состояний. Мы всегда имеем либо живого кота, либо мёртвого кота, точно так же, как мы всегда наблюдаем полный фотон после измерения поляризации, а не суперпозицию фотонных состояний, как просто и ясно объясняет П. А. М. Дирак.
Согласно квантовой механике, результатом этого эксперимента будет то, что иногда на обратной стороне будет найден целый фотон с энергией, равной энергии падающего фотона, а иногда ничего не будет найдено.Когда найдется целый фотон, он будет поляризован перпендикулярно оптической оси. На обратной стороне никогда не найдешь только часть фотона. Если повторить эксперимент большое количество раз, то можно найти фотон на обратной стороне с долей sin 9.0263 2 α от общего количества раз.
Точно так же квантовая механика дает нам только вероятность обнаружения живых кошек (или мертвых кошек) в большом количестве одинаково подготовленных экспериментов ( темп SPCA).
Таким образом, мы можем сказать, что фотон имеет вероятность sin 2 α пройти через турмалин и оказаться на обратной стороне, поляризованной перпендикулярно оси, и вероятность cos 2 α быть поглощенным. Эти значения вероятностей приводят к правильным классическим результатам для падающего пучка, содержащего большое количество фотонов. Таким образом, мы сохраняем индивидуальность фотона во всех случаях. Однако мы можем сделать это только потому, что отказываемся от определенности классической теории.Результат эксперимента не определяется, как это было бы согласно классическим представлениям, условиями, находящимися под контролем экспериментатора. Максимум, что можно предсказать, это набор возможных результатов с вероятностью наступления каждого… Когда мы встречаем фотон с кристаллом турмалина, мы подвергаем его наблюдению. Мы наблюдаем, поляризована ли она параллельно или перпендикулярно оптической оси. Следствием этого наблюдения является перевод фотона полностью в состояние параллельной или полностью в состояние перпендикулярной поляризации. Он должен совершить внезапный скачок от частичного пребывания в каждом из этих двух состояний к полному нахождению в одном или другом из них. Невозможно предсказать, в какое из двух состояний он перейдет, а управляется только законами вероятности. Если он перескакивает в параллельное состояние, то поглощается, а если перескакивает в перпендикулярное состояние, то проходит через кристалл и появляется с другой стороны, сохраняя это состояние поляризации.
Суперпозиция и неопределенность
Неклассический характер процесса суперпозиции становится очевидным, если мы рассмотрим суперпозицию двух состояний, А и В , так что существует наблюдение, которое применительно к системе в состоянии А будет обязательно приведет к одному конкретному результату, скажем, и , а при выполнении в системе в состоянии B обязательно приведет к какому-то другому результату, скажем, b . Каков будет результат наблюдения над системой в наложенном состоянии? Ответ заключается в том, что результат будет иногда a и иногда b согласно закону вероятности, зависящему от относительных весов A и B в процессе суперпозиции. Он никогда не будет отличаться как от и , так и от b .Нет никаких оснований предполагать промежуточное (и абсурдное) состояние одновременно живых и мертвых кошек. «Промежуточным» является вероятность, а не результат.
Таким образом, промежуточный характер состояния, образованного суперпозицией, выражается в том, что вероятность того или иного результата наблюдения занимает промежуточное положение между соответствующими вероятностями исходных состояний†, а не в том, что сам результат занимает промежуточное положение между соответствующими результатами для исходных состояний..
Таким образом, мы видим, что такой резкий отход от обычных представлений, как допущение суперпозиционных отношений между состояниями, возможен только в силу признания важности возмущения, сопровождающего наблюдение, и вытекающей из этого неопределенности результата наблюдения. . При наблюдении какой-либо атомной системы, находящейся в данном состоянии, результат, вообще говоря, не будет определенным, т. е. при многократном повторении опыта в одних и тех же условиях может быть получено несколько различных результатов. Однако закон природы состоит в том, что если эксперимент повторяется большое число раз, то каждый конкретный результат будет получен за определенную долю от общего числа раз, так что существует определенное число повторений.0119 вероятность его получения. Эта вероятность и есть то, что теория намеревается вычислить.
Декогеренция и отсутствие макроскопических суперпозиций
Несмотря на утверждения теоретиков декогеренции, микроскопические суперпозиции квантовых состояний не позволяют нам «увидеть» систему в двух разных состояниях.
Квантовая механика просто предсказывает значительную вероятность того, что система будет находиться в этих различных состояниях. Поэтому неудивительно, что мы не видим макроскопические «наложения живых и мертвых кошек» одновременно. Что действительно существует в любой момент времени, так это вероятности двух состояний (в макроскопическом мире) и амплитуда вероятности двух состояний (которые могут когерентно интерферировать друг с другом) в микроскопическом мире.
Теоретики декогеренции утверждают, что они объясняют «загадочное» отсутствие макроскопических суперпозиций состояний. Но квантовая механика не предсказывает такие состояния, несмотря на популярную идею макроскопической суперпозиции живых и мертвых кошек.
Историческая справка
Это не было первоначальной идеей Шрёдингера. Это была версия идеи Эйнштейна о порохе , который может находиться в двух квантовых состояниях.