Что такое кот Шредингера простыми словами — суть эксперимента / НВ
Коротко:
— что такое «кот Шредингера» и квантовая суперпозиция
— как узнать состояние частицы, не измеряя ее
— зачем физикам изучать квантовую природу
В нашем мире невозможно находиться в двух состояниях одновременно. По крайней мере, если вы не проснулись на утро с похмелья и первое время не понимаете — живы или мертвы.
Но, если уменьшить свое тело до субатомных размеров — можно наблюдать почти фантастические вещи. Подобное недавно доказали физики из Японии и Индии, которые заявили, что научились определять состояние кота Шредингера, не убивая его, а точнее, — придумали способ определения состояний квантовой суперпозиции без ее прямого измерения.
НВ уже писало о том, что физика работает по-разному в макро- и микромасштабах. В более объяснимом и видимом для нас макромире, например, действует сила гравитационного притяжения и движение всех объектов является предсказуемым.
В «зазеркальном» мире квантовой механики все наоборот: элементарные частицы двигаются хаотично, и ученые только пытаются выяснить, по каким именно принципам эти частицы взаимодействуют.
Одно из наиболее загадочных явлений — квантовая суперпозиция — предполагает, что мельчайшие частицы могут находиться в нескольких состояниях одновременно до момента, пока мы их не измерили.
Это явление реализовали в мысленном эксперименте с котом Шредингера: условное животное в коробке с кислотой является и живым и мертвым одновременно до тех пор, пока мы не откроем эту коробку и не определим состояние кота.
Недавно ученые из Японии и Индии придумали, как заглянуть в коробку с котом, не убивая его.
В чем суть эксперимента?
В работе исследовали явление квантовой суперпозиции — нахождения элементарных частиц в нескольких состояниях одновременно.
Определить состояние этих частиц мы можем только после их измерения. В первой половине прошлого века один из основателей квантовой механики Эрвин Шредингер предложил мысленный эксперимент, который объясняет квантовую суперпозицию.
Суть эксперимента в следующем: в коробке с условным котом находится атом радиоактивного элемента и колба с кислотой, которая разобьется после того как радиоактивный элемент распадется. Если колба разобьется — кот умрет, но мы не знаем наверняка, распадется ли атом радиоактивного элемента, и никто, включая кота, не может на это повлиять. Следовательно, кот и жив, и мертв одновременно, что и называется квантовой суперпозицией.
Определить точное состояние кота мы сможем только после того, как откроем коробку и, таким образом, состояние кота Шредингера в квантовом мире определяет именно факт нашего наблюдения. Главная проблема квантовой суперпозиции в том, что частицы ведут себя непредсказуемо, и мы никак не можем на них повлиять ни до измерения, ни после.
В прошлом месяце профессор физики Хольгер Хофманн из Университета Хиросимы и его студент Картик Патекар из Индийского технологического института Бомбея опубликовали исследование, согласно которому мы все же можем «заглянуть в коробку с котом Шредингера, не убивая его».
Ученые провели собственный мысленный эксперимент с помощью которого якобы можно измерить квантовую систему, не нарушая при этом ее суперпозицию. Оказывается, истину нужно искать не в самом измерении квантовой системы, а в методах анализа данных, полученных при ее измерении.
С помощью математических вычислений физики смоделировали условную ситуацию: закрытую коробку с котом Шредингера нужно сфотографировать с помощью камеры, которая установлена снаружи коробки, и при этом может заснять сквозь коробку самого кота.
После создания такого фото в камере будет храниться два типа информации: первый о том, как изменилось состояние суперпозиции кота (ученые называют это квантовой меткой) и второй о том, является ли кот живым или мертвым.
Идея заключается в том, что такое фото оказывается в запутанном состоянии вместе с квантовой системой, и то, как мы извлечем информацию из него — напрямую повлияет на судьбу кота. В данном случае мы можем просто «проявить» фото в темной комнате и определить, жив он или мертв, или же мы можем восстановить на размытом фото квантовую метку с помощью компьютера и вернуть кота в состояние неопределенности между жизнью и смертью.
Хофманн и Патекар взяли за основу своей математической модели способность фотонов входить в запутанное состояние вместе с квантовой системой. То есть, вместо того, чтобы определить состояние частицы (кота) посредством ее измерения, т. е. прямого влияния света (фотонов) на нее, мы используем условную камеру, которая фотографирует кота сквозь коробку.
Запечатленные фотоны на изображении оказываются запутанными с квантовой системой, что сохраняет оба типа информации — о том, как изменилась суперпозиция и о реальном состоянии кота. Считывая данные из этого изображения тем или иным образом мы можем оживить/убить кота или восстановить его суперпозицию.
Расчеты физиков показали, что «чем больше наблюдатель знает о состоянии кота — тем больше вероятность, что он уже безвозвратно изменил его».
«Обычно мы ищем что-то, смотря на это. Но, в этом случае, наш взгляд изменяет объект, это проблема квантовой механики. Мы можем использовать сложные математические выражения, чтобы описать это, но как мы можем быть уверены, что математика описывает то, что действительно существует?» — говорит Хольгер Хофманн.
Кто еще игрался с котом Шредингера?
Как ни странно, физики из Японии и Индии — не первые, кто хотят научиться управлять судьбой кота Шредингера. Несколько месяцев назад ученые компании IBM и Йельского университета провели практический эксперимент и заявили, что при определенных условиях они могут заблаговременно определять состояние суперпозиции и фактически управлять судьбой кота Шредингера.
Для эксперимента разработали «искусственный атом», состоящий из сверхпроводящей цепи, в центре которой установлен джозефсоновский контакт — изолятор, разделяющий два сверхпроводника. Если состояние обычного атома определяется позицией электрона вокруг его ядра, то состояние искусственного атома представлено через квантовую позицию, которая изменяется, когда электроны проходят через слой изолятора.
Управлять состоянием искусственного атома физики смогли с помощью двух микроволновых сигналов: первый выделял необходимое количество энергии для того, чтобы атом перешел от спокойного состояния в возбужденное, а второй измерял энергию в цепи во время этого перехода.
Поскольку квантовый скачок — переход из одного квантового состояния в другое — сопровождается излучением или поглощением фотонов, ученые определили, что видимый фотонный сигнал является индикатором спокойного состояния искусственного атома, а отсутствие такого сигнала, наоборот, означает, что атом изменил свое квантовое состояние на возбужденное.
Проводя микроволновые импульсы через искусственный атом, исследователи смогли измерить его квантовое состояние до и после квантового скачка. Если бы кот Шредингера был похожим атомом из сверхпроводящей цепи — мы смогли бы определить его судьбу, измерив первичное квантовое состояние, а не просто узнать, жив он или мертв фактом своего наблюдения.
Правда, в исследовании IBM есть и много неизвестных. В частности, ученые не могут точно определить, когда конкретно произойдет квантовый скачок, — через несколько мгновений после активирования микроволнового излучения, или через несколько часов.
Зачем нужна квантовая суперпозиция?
Эксперименты с условным котом Шредингера несут огромную ценность для развития квантовых компьютеров. Дело в том, что минимальная единица информации в квантовых компьютерах — кубит — также находится в квантовой суперпозиции, и представляет два значения одновременно, в отличие от обычного бита, который может быть либо нулем либо единицей.
В действительности, искусственный атом, который создали ученые из IBM и Йельского университета, является двухкубитным квантовым компьютером. Изучение того, как именно изменяются квантовые состояния даже в такой системе, может помочь физикам управлять квантовой информацией и исправлять случайные ошибки, которые часто возникают в квантовых компьютерах.
Главной задачей разработчиков квантовых компьютеров является создание стабильной системы, которая могла бы поддерживать квантовое состояние кубитов для выполнения сложных вычислений.
Как уже писало НВ, недавно в Google заявили, что они якобы достигли «квантового превосходства», — создали первый в мире квантовый компьютер, способный выполнять операции, которые не под силу любым классическим компьютерам. В калифорнийской корпорации рассказали, что их 54-кубитный квантовый компьютер Sycamore всего за 200 секунд произвел вычисления, «на которые классическому суперкомпьютеру потребуется около 10 тыс. лет».
С этой информацией не согласились главные конкуренты Google по квантовым компьютерам — компания IBM: сотрудники отдела квантовых вычислений IBM раскритиковали новое изобретение Google и написали, что заявления о достижении квантового превосходства не соответствуют действительности.
Во-первых, представители IBM уверены, что их суперкомпьютер Summit сможет выполнить вычисления, которые выполнил Sycamore, всего за два с половиной дня. А, во-вторых, ученые из IBM объяснили, что вычисления квантового компьютера Google были чисто техническими и не несли никакой практической ценности.
«Квантовые компьютеры не могут „превосходить“ классические только на базе одного лабораторного эксперимента, который был нужен, чтобы реализовать одну очень специфическую процедуру квантовой выборки вне практического применения. На самом деле, квантовые компьютеры никогда не будут „господствовать“ над классическими компьютерами, а призваны работать в тандеме с ними, поскольку у каждого типа компьютеров есть свои уникальные преимущества», — прокомментировал для НВ директор IBM Research Дарио Гил.
Более детально о том, зачем нужны квантовые компьютеры и к чему они могут привести читайте в этом материале.
Автор: Константин ЦенцураО коте Шредингера / Хабр
Зачем
О ситуации с котом Шредингера, наверно, имеет представление большинство хабровцев, интересующихся физикой. Поэтому я не буду ее излагать. Дискуссия ведется вокруг интерпретации состояния кота. Вот альтернативы:
- Кот “И жив И мертв”. Это описывается в квантовой механике как суперпозиция состояний “жив” и “мертв” и, значит, возможны какие-то интерференционные эффекты, подобно случаю рассеяния света на двух щелях.
- Кот “ИЛИ жив ИЛИ мертв”. Эта трактовка запрещает вышеуказанную суперпозицию и, значит, запрещает интерференционные эффекты.
Моя задача изложить точку зрения, вытекающую, как мне кажется, из чтения книги “Квантовая механика” Фейнмана.
Откуда ноги растут
А ноги растут из принципа суперпозиции. Он гласит:
Пусть система может находиться в состоянии , в котором измерение наблюдаемой s дает всегда результат
и
пусть система может находиться в состоянии , в котором измерение наблюдаемой s дает всегда результат ,
Принцип суперпозиции для двух состояний приводит к принципу суперпозиции для произвольного числа допустимых состояний системы для рассматриваемой наблюдаемой. Но нам важно только для двух состояний – живого и мертвого.
Заметим, как приготовить систему в суперпозиции – это другой вопрос. Вопрос технический. А принцип говорит, что можно приготовить суперпозицию. А как приготовить, он об этом ничего не говорит.
Суперпозиция ведет к интерференционным эффектам. И экспериментально она проявляется только в интерференции.
Большинство, наверно, знают отличие интерференционной картины от неинтерференционной при рассеянии на двух щелях. Вот картины этой интерференции (каждый квадратик – отдельная картинка):
Картины интерференции двух круговых когерентных волн, в зависимости от длины волны и расстояния между источниками.
Какие возможные интерференционные эффекты при суперпозиции живого и мертвого я не берусь описывать и, тем более, визуализировать их.
Примеры суперпозиции
Суперпозиция в обычном пространстве
Свободная частица описывается волновой функцией – волной де Бройля в координатном пространстве:
Здесь p – импульс, являющийся фиксированной величиной (параметр), а x – координата — переменная, которая может принимать любое значение координаты. Разные импульсы задают разные возможные состояния. Значит, возможна суперпозиция волн де Бройля, соответствующих различным импульсам. Это может быть конечная суперпозиция, счётная суперпозиция, континуальная суперпозиция, в которой сумма переходит в интеграл. Мы получим состояния, которое не обладает определенным значением импульса: при измерении импульса могут получаться различные значения и это не ошибка эксперимента.
Насколько обширен класс функций представимых такой суперпозицией? Вспоминая математику, мы узнаем в приведенных счетных суперпозициях ряд Фурье а в континуальной суперпозиции интеграл Фурье – Фурье разложение по p. Вот она таинственная связь абстрактной математики и конкретной физики! Обширными исследованиями матанализ описывает класс Фурье-разложимых функций.
Суперпозиция в импульсном пространстве
Симметрии ради можно аналогично рассмотреть волну де Бройля в импульсном пространстве — частицу с фиксированной координатой:
Здесь x – координата, являющаяся фиксированной величиной (параметр), а импульс p — переменная, которая может иметь любое значение импульса. Разные координаты задают разные возможные состояния. Значит, возможна суперпозиция волн де Бройля, соответствующих различным координатам. Это может быть конечная суперпозиция, счётная суперпозиция, континуальная суперпозиция, в которой сумма переходит в интеграл. Мы получим состояния, которое не обладает определенной координатой: при измерении координаты могут получаться различные значения и это не ошибка эксперимента.
Суперпозиция в энергетическом пространстве
Стационарное состояние – состояние с фиксированной энергией. Оно описывается волновой функцией – волной де Бройля в энергетическом пространстве:
Здесь e – энергия, являющаяся фиксированной величиной (параметр), а время t есть переменная, могущая принимать любое значение времени. Разные энергии задают разные возможные состояния. Значит, возможна суперпозиция волн де Бройля, соответствующих различным энергиям. Это суперпозиция стационарных состояний, которая может описывать нестационарные состояния — коэффициенты суперпозиции могут зависеть от времени.
Суперпозиция в спиновом пространстве
Фотон с круговой поляризацией представляется как суперпозиция двух линейных поляризаций.
Суперпозиция в пространстве фундаментальных частиц
Фотон как суперпозиция
В стандартной модели фотон является суперпозицией бозонов и .
Нейтрино как суперпозиция
Каждое нейтрино с определенной массой — суперпозиция электронного, мюонного и тау-нейтрино. И, обратно, электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино – суперпозиция трёх нейтрино с определёнными массами.
Каон как суперпозиция
Ситуация c каонами похожа на ситуацию с нейтрино.
Суперпозиция в пространстве жизни
Тут я пас.
Принцип суперпозиции не говорит о том, исчерпываются ли все состояния суперпозициями. Например, есть ли физические состояния, которые не представимы в виде суперпозиции плоских волн? — Я не знаю.
Цитата из Фейнмана:
Мы описали сейчас одно из величайших достижений теоретической физики. Оно не основано на элегантных математических трюках, подобных общей теории относительности, тем не менее полученные предсказания так же важны, как, например, предсказание позитрона. Особенно интересным является тот факт, что мы довели принцип суперпозиции до логического конца. Бом и его сотрудники полагали, что принципы квантовой механики не имеют фундаментального характера и, в конечном счете, не смогут объяснить новые явления. Однако эти принципы работают. Это еще не доказывает, что они верны, ноя готов биться об заклад, что принцип суперпозиции будет стоять в веках!
Вопросы
Если мы имеем суперпозицию, то можно ли говорить, что система состоит из суперпозиционных составляющих? Белый свет состоит из радуги? Фотон состоит из бозонов? Что значит “состоит”? Можно функцию разложить в ряд Фурье по синусоидам, а можно разложить в ряд Фурье по полиномам Лежандра, по полиномам Чебышева и т.д. Так из чего она состоит? Всякая ли математическая суперпозиция осуществима физически? Саму синусоиду можно разложить в ряд Фурье по полиномам Лежандра. Значит, может существовать некий прибор, который разложит монохроматический свет по полиномам Лежандра. Значит можно говорить, что монохроматический свет состоит из “волн Лежандра”? Тогда можно ввести и понятие “фотон Лежандра”. И в каких-то ситуациях проще будет оперировать фотоном Лежандра, а не обычным синусоидальным фотоном. Можно представить себе радио на волнах Лежандра…
Похоже на то, что если мы обнаруживаем суперпозицию состояний, считавшихся ранее состояниям разных, несуперпозируемых систем, то эти состояния нужно считать состояниями, какой-то новой единой системы.
Кот
Переходим к коту Шредингера. Он может находиться в состоянии “жив” и может находиться в состоянии “мертв”. Значит, по принципу суперпозиции он может находиться и в суперпозиции состояний “жив” и “мертв”. Возможно не в текущей ситуации, но в какой-то другой обязательно. Так ли это? И какие возможные интерференционные эффекты можно наблюдать в этом случае?
А давайте обобщим кота: перейдем к понятию “животное”. Мы знаем, что оно может находиться в состояниях лев, человек,… Значит по принципу суперпозиции возможна и их суперпозиция. Это абсурд. Идем дальше и “животное” обобщим до понятия “материальный объект”. Тогда нужно допустить суперпозицию любых материальных объектов. Этот еще больший абсурд. Похоже, что нужно уточнить понятие системы. Видимо, нужно брать конкретную систему (конкретный кот), а не абстрактную (животное). Но ведь предложил же Гейзенберг рассматривать протон и нейтрон как разные состояния системы “нуклон» и получил интересные следствия.
Что говорит Фейнман
Я резюмирую текст Фейнмана так.
После рассеяния нейтронов на кристалле на выходе есть две системы нейтронов:
- Упруго рассеянные нейтроны
- Неупруго рассеянные нейтроны, имеющие перевернутый спин по сравнению с первоначальным
Суперпозиции между первой и второй системами нет. Они физически различимы. В первой системе нейтроны суперпозируют и получается типичная интерференционная картина a). На нее накладывается картина б) сложения интенсивностей во второй системе). Итоговый рисунок — в).
Суперпозиция во второй системе есть, а интерференции нет. Интерференцию разрушает случайность сдвига фаз при перевороте спина. То, что это так показывает интерференция двух специально приготовленных нейтронных пучков с разными ориентациями спина, в том числе и с противоположно направленными спинами. Интерференция есть при достаточной когерентности пучков.
Так что же может суперпозировать?
Ни в одном учебнике по квантовой механике, с которыми я знакомился, я не нашел критерия возможности суперпозиции. И только у Фейнмана я встретил рецепт при рассмотрении им рассеяния на двух щелях.
Критерий Фейнмана
Никогда не складывайте амплитуды разных, отличных друг от друга конечных состояний. Как только фотон был воспринят одним из фотонных счетчиков около щелей, мы всегда, если надо, можем узнать не возмущая больше системы, какая из альтернатив (взаимоисключающих событий) реализовалась. У каждой альтернативы есть своя вероятность, полностью независимая от другой. Повторяем, не складывайте амплитуд для различных конечных условий(под “конечным” мы понимаем тот момент, когда нас интересует вероятность, т.е. когда опыт “закончен”). Зато нужно складывать амплитуды для разных неразличимых альтернатив в ходе самого опыта, прежде чем целиком закончится сам процесс. В конце процесса вы можете, если хотите, сказать, что вы “не желаете смотреть на фотон”. Это ваше личное дело, но все же амплитуды складывать нельзя.Природа не знает, что вы на нее смотрите, и ей безразлично, интересуют ли вас ее данные или нет. Так что мы не должны складывать амплитуды.
Природа не знает, что вы на нее смотрите, и ей безразлично, интересуют ли вас ее данные или нет. Так что мы не должны складывать амплитуды.Итак, если есть физически неразличимые пути достижения точки, в которой мы рассматриваем возможность интерференции, то амплитуды этих путей складываются и мы имеем интерференцию. Если они физически различимы, то складываются вероятности и, значит, интерференции нет. Под путем понимается движение не только в обычном пространстве. Так если есть две моды распада частицы с одним исходом, то они должны суперпозировать.
Назовем приведенные выше максимы Фейнмана суперпозиционным критерием Фейнмана.
Итак, Фейнман говорит, что суперпозировать могут только физически неразличимые траектории.
Высказывание Дирака
…каждый фотон интерферирует лишь с самим собой. Интерференции между двумя разными фотонами никогда не происходит.Надо полагать это относится и к любому объекту. Поэтому и кот может интерферировать только с самим собой. Мертвый кот и живой кот – это предельно разные коты. Да и можно ли называть труп мертвым котом. Это труп кота, но никак не кот.
Сомнения
Что считать под системой в принципе суперпозиции? Если мы рассматриваем состояния с разным значением импульса электрона, то это, несомненно, разные состояния одной системы, называемой электрон. Если мы рассматриваем разные энергетические состояния атома водорода, то это также одна система — атом водорода. Но вот Гейзенберг предложил рассматривать протон и нейтрон как разные состояния нуклона. Тогда, что возможна суперпозиция протона и нейтрона? Но тогда почему невозможно суперпозиция электрона и позитрона? Говорят, что это противоречит закону сохранения электрического заряда. Тогда почему суперпозиция разных энергетических состояний не противоречит закону сохранения энергии? Энергию уносит фотон? Тогда и заряд может уносить рождающаяся частица. Можно объявить честно (Кемпфер, Липкин), что суперпозиций с разными электрическими зарядами не наблюдалось в природе, хотя такая суперпозиция не противоречит никаким законам.
О физической различимости траекторий системы. Что служит метками различимости? Точки пространства? – Нет. Точки времени? Заряды: масса, электрический, лептонный, барионый? Спин? Только внутренние характеристики? Фейнман говорит, что это отметки во внешней среде, которые можно обнаружить. При рассеянии нейтронов на кристалле нейтрон с перевернутым спином оставляет метку в кристалле – ядро с перевернутым спином. Любое неупругое рассеяние оставляет метку (энергетическую, спиновую…) в рассеивающей среде, а упругое нет. Значит при прохождении через щели интерферируют фотоны только упругого рассеяния.
В отношении различимости можно сказать еще вот что. Наше знание неточно, и то, что сегодня считается физически неразличимым, завтра может оказаться различимым. Так произошло с понятиями правый, левый. Если считать правое и левое чисто условностями, то эта условность не должна входить в фундаментальные формулы. Но вот оказалось, что для слабого взаимодействия понятия “правый”, “левый” отнюдь не условность: правое и левое состояния различаются слабыми взаимодействиями. И в лагранжиан слабого взаимодействии включили отдельно “правые” и “левые” члены. Т.е. не ответив на вопрос «почему правое отличается от левого?», тем не менее, успешно ответили на вопрос “как это происходит?” Это, впрочем, не ново. Еще Ньютон, на упреки в том, что он не объяснил природу тяготения, а просто привел формулу закона тяготения ответил примерно так, что да, я не знаю природы тяготения и не выдвигаю на этот счет никаких гипотез, зато я знаю, как описывается закон тяготения и это уже кое-что. Подобный подход вылился в некую философию: некоторые физики прямо заявляют, что дело физики выяснить “как?”, а не “почему?”. Ну, в самом деле, что ответить на вопрос «Почему справедливы уравнения Максвелла?”. Этого никто не знает.
Аналогично с ситуацией “правое-левое” произошло и в случае каонов. Казалось бы, есть два совершенно различимых типа каонов. Один распадается на два мезона. А второй на три.
Но Гелл-Манн и Пайс предположили, что мы имеем дело с распадом одной частицы. А две моды распада возникают из-за того, что эта исходная частица представляет собой суперпозицию двух других типов каонов.
Все это так. Но, сомнительно, что когда-нибудь живой и мертвый кот объединятся в одну систему и различие между живым и мертвым станет эфемерным.
Что не может суперпозировать?
Суперпозиция разных частиц
Представим себе эксперимент с двумя щелями, когда через одну щель проходит плоская волна электронов, а через другую плоская волна протонов. Пусть длины волн де Бройля постоянны и одинаковы. Будет ли наблюдаться интерференция? Если формально рассматривать, то волна протона описывается точно так же, как и волна электрона. И почему бы не быть интерференции? Но в квантовой теории поля волны будут одинаковы только в пространственной части. А неодинаковы они будут по заряду и спину. Но давайте останемся в рамках обычного рассмотрения опыта на щелях. Рассмотрим пучок электронов и отрицательных мюонов. Там и заряды и спины одинаковы. А будет ли интерференция? Ответ дает критерий Фейнмана. Раз частицы физически различимы, то интерференции не будет. Как в опыте с одинаковыми частицами, когда проверяется прохождение через щель, проверка делает частицы различимыми и интерференция исчезает, так при опыте с различными частицами они уже физически различимы изначально. Интерференции не будет. Обратно, если интерференция вроде бы одинаковых частиц, но от разных источников не наблюдается, то частицы различимы. Хотя эту различимость (характеристика, отвечающая за различимость) мы пока не обнаружили.
Суперпозиция мертвого и живого
В принципе суперпозиции говорится о состояниях определенной квантовой системы. Мертвый кот и живой кот – это совершенно разные физические системы. Cуперпозировать могут только физически неразличимые альтернативы. А мертвое и живое физически очень даже различимы. Можно даже сказать, что большей различимости, чем мертвое от живого и быть не может.
Наше незнание о том, жив или мертв кот, возникает не вследствие суперпозиции, а вследствие нехватки информации, как в любой классической вероятностной задаче. А в случае суперпозиции, речи о нехватке информации нет и, как утверждает копенгагенская интерпретация квантовой механики, и быть не может.Если эксперимент показывает отсутствие суперпозиции упруго рассеянного нейтрона и неупруго рассеянного нейтрона, то логично утверждать, что мертвый кот и живой не могут суперпозировать. Они фундаментально отличаются друг от друга.
Суперпозиция живого и живого
Живая система предполагает непрерывный обмен веществом и энергией с внешней средой. Этим она непрерывно метится – становится физически различимой. Значит, живое не может интерферировать. Оно не может застыть и оставаться идентичным. Живое все время неидентично само себе. Это все время другая система.
Итак, пользуясь критерием Фейнмана мы заключаем, что
- Нейтрон с перевернутым спином и не перевернутым при рассеянии нейтронов на кристалле не суперпозируют
- Частицы с разными зарядами не могут суперпозировать. Протон и нейтрон суперпозируют только если забыть про электрические заряды — при отключении электромагнитного взаимодействия. Реально этого не сделать. И значит в реальности могут наблюдаться только некие следы от возможной суперпозиции. Например, сечения рассеяния протон-протон, нейтрон-нейтрон, протон-нейтрон будут близкими настолько насколько электромагнитное взаимодействие слабее сильного.
- Протон и электрон не могут суперпозировать
- Молекулы разных веществ не могут суперпозировать
Сомнения
Однако, почему в суперсимметрии допускается суперпозиция кварка и лептона? Возможно, что суперпозиция относительна и то, что в одних условиях суперпозиции нет, не означает, что она невозможна в других ситуациях? Тогда принцип суперпозиции нужно дополнить описанием ситуации суперпозиции. Так в ситуации отключения электромагнитного поля возможна суперпозиция протона и нейтрона.
Выводы
- Суперпозиция — дело принципа: есть или нет суперпозиция – это определяют законы природы. Интерференция – дело техники: если есть суперпозиция, то есть и интерференция. Другое дело обнаруживается ли она приборами – это зависит от быстроты реакции регистрационного прибора. Но необходимое условие интерференции – суперпозиция.
- Никакой суперпозиции мертвого и живого нет. Это физически совершенно разные системы, а не состояния одной системы. Нет суперпозиции – нет интерференции. И значит кот Шредингера или жив или мертв без никакой суперпозиции этих состояний. Приготовить такую суперпозицию невозможно.
- Никакой суперпозиции живого и живого нет. Живая система в разные моменты времени это физически разные системы, а будь получена точная копия живого для интерференции, то она тут же станет неточной из-за процессов жизнедеятельности.
Я изложил свою точку зрения. А верховный судья в физике – эксперимент. Он может опровергнуть любую логику. Ну так с нетерпением ждем эксперимента по интерференции мертвого и живого, живой и мертвой амебы, например.
Физики опровергли общепризнанную точку зрения и “спасли” кота Шредингера
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.
Ученые «запутали» двух котов Шредингера между собой
Внешний вид устройства: желтым указан резонатор-считыватель и искусственный атом, фиолетовым – резонатор Алиса, оранжевым – резонатор Боб.
Изображение: Chen Wang et al. / Science, 2016
Физики из США и Франции реализовали на практике состояние «запутанных» «котов Шредингера», объединив между собой два обычных. Ученые считают, что их устройство может стать основой для построения нового типа квантовых компьютеров. Работа опубликована в журнале Science.
Мысленный эксперимент с котом, придуманный Эрвином Шредингером, уже давно стал объектом многочисленных экспериментов по исследованию квантовой суперпозиции. Был введен даже специальный термин — «состояния кота Шредингера». Ими, в частности, называют суперпозицию когерентных состояний одномодового квантового гармонического осциллятора. Такая система на практике представляет собой, например, фотон, «запертый» в оптическом резонаторе. Эксперименты проводились как для фотонов оптического диапазона энергий, так и микроволнового, причем их число могло достигать ста.
Подобные квантовые системы могут найти применение в квантовой информатике и стать основой для построения квантовых компьютеров. Одним из препятствий для этого в настоящее время является маштабируемость — чтобы построить достаточно сложную вычислительную систему, нужно каким-то образом увеличить число ее элементов, сохраняя при этом связность между ними (или когерентность).
Существует два основных способа, как на основании «состояний кота Шредингера» реализовать сложные вычислительные системы. В первом из них ученые увеличивают число мод (волн с определенной длиной волны) в резонаторе, во втором — число фотонов одной энергии.
В новой работе авторы
объединили оба подхода и создали систему из двух оптических резонаторов с
разными модами (ученые назвали их Алиса и Боб), каждый из которых «отсеивает»
фотоны с определенной длиной волны, и «запутали» фотоны из обоих резонаторов
между собой.
Авторы говорят, что такого
нового «кота» можно представить как двух обычных, но «запутанных» между
собой. Объединяет состояния в
резонаторах искусственный атом — сверхпроводящее устройство с джозефсоновским
контактом. Такой объект имеет уровневую энергетическую структуру, как в обычных
атомах, за что ему и было дано такое название.
Схематическое изображение устройства в объеме (А) и в проекции (B), на котором указаны объемные резонаторы Алиса и Боб, искусственный атом и резонатор-считыватель.
Изображение: Chen Wang et al. / Science, 2016
Ученые использовали три возможных перехода с уровня на уровень в искусственном атоме, чтобы связать между собой резонаторы Алиса, Боб и считыватель, который также представляет собой оптический резонатор. Чтобы доказать «запутанность» фотонов в резонаторах, ученые измеряли четность количества фотонов в каждом из резонаторов. Согласно теории, если «запутанность» сохраняется, то суммарная четность числа фотонов в двух резонаторах должна сохраняться, в то время как в каждом по отдельности она может принимать любые значения. Авторам удалось доказать, что в их устройстве действительно реализуется такое поведение. По мнению ученых, архитектура устройства может найти применение в квантовой информатике и создании многокубитных систем.
«Кот Шредингера» — мысленный эксперимент, придуманный
Эрвином Шредингером для того, чтобы показать неполноту квантовой механики по
отношению к макрообъектам. Суть эксперимента заключается в следующем: в
запечатанную капсулу помещают кота и счетчик Гейгера. В счетчике находится небольшое
количество радиоактивного вещества и устройство, разбивающее ампулу с синильной
кислотой, если счетчик сработает. Значит, если счетчик срабатывает, кот
умирает. Но пока никто не заглянул в камеру (в терминах квантовой механики — произвел «измерение») остается неизвестным,
распался ли за это время какой-нибудь атом, то есть жив ли кот или мертв.
С точки зрения квантовой механики он находился в суперпозиции этих двух состояний. Но макроскопическое существо не может быть одновременно живым и мертвым. И в то же время жизнь кота напрямую связана с распадом атома, который является квантовым объектом и до наблюдения должен находиться в суперпозиции обоих состояний. Эти рассуждения позволяет показать, насколько сложно поставить эксперимент, который бы разделил две точки зрения — находится ли объект до измерения в суперпозиции состояний или в каком-то конкретном.
Екатерина Козлякова
Физики придумали как спасти кота Шредингера
В 1935 году австрийский физик Эдвин Шредингер предложил мысленный эксперимент, с целью продемонстрировать всю абсурдность квантовой механики. Участником мысленного эксперимента стал кот Шредингера, которого вместе с радиоактивным веществом и специальным механизмом, открывающим колбу с ядом, помещают в закрытый ящик. В случае распада радиоактивного атома – а это может произойти в любой момент времени, но когда точно неизвестно – механизм откроет емкость с ядом и кот погибнет.
Но узнать, распался ли радиоактивный атом или нет, можно только заглянув в коробку. До этого момента, согласно принципам квантовой физики, кот одновременно и жив, и мертв. Это состояние известно как «квантовая суперпозиция» – совокупность всех состояний, в которых может одновременно находиться кот. Но можно ли как-то спасти несчастное животное? Физики полагают, что да.Кот в коробке
Принято считать, что кот Шредингера может находиться одновременно в двух состояниях, но исследователи из Йельского университета полагают, что кот может быть не только мертвым или живым, но что его можно спасти от гибели.
Все дело в обнаруженном предупреждающем знаке для квантовых переходов, которые когда-то считались мгновенными и непредсказуемыми. В результате, судьба кота Шредингера может быть не только предсказана заранее, но даже обращена вспять!
Несмотря на то, что знаменитый кот Шредингера – мысленный эксперимент, в нем заключена ключевая загадка квантовой теории.
Основное предположение квантовой механики заключается в том, что в мельчайших масштабах свойства атомов квантованы, что означает, что частицы принимают дискретные, а не непрерывные состояния. Например, электрон может находиться в низкоэнергетическом состоянии, но если добавить немного больше энергии, он не будет медленно переходить в новое высокоэнергетическое состояние. Скорее, в новое состояние он перейдет непредсказуемо. Более того, если не наблюдать за ним, то атом может принимать промежуточные состояния – он будет находиться в обоих состояниях одновременно, а затем, как только вы его заметите, сразу же перейдет в одно состояние или в другое. Однако эксперимент, проведенный в прошлом году, похоже, усложняет некоторые из основных идей квантовой теории.
Согласно результатам исследования, опубликованного в журнале Nature, физикам удалось предсказать вид атомного поведения, называемый квантовым скачком, и даже обратить скачок вспять.
2 000 «котов Шредингера» побили рекорд крупномасштабной квантовой суперпозиции
Мысленный эксперимент с котом, придуманный Эрвином Шредингером, уже давно стал объектом многочисленных экспериментов по исследованию квантовой суперпозиции.
Ученый хотел показать неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим. В закрытый ящик помещаются кот и механизм, открывающий емкость с ядом в случае распада радиоактивного атома. Вероятность распада за час — 50%, то есть вероятность того, что кот выживет или умрет, составляет 50%. В соответствии с принципами квантовой механики получается, что кот, сидящий в ящике, и жив, и мертв одновременно — то есть существует в двух состояниях одновременно.
Это состояние называется квантовой суперпозицией.
Физики в течение многих лет пытаются воспроизвести эксперимент с котом в лаборатории — ролью животного в таких испытаниях служат молекулы разной величины. Предыдущий рекорд принадлежит тем же ученым, которым удалось доказать квантовую суперпозицию для молекул размером около 800 атомов.
В ходе нового исследования ученые использовали продвинутую версию опыта Юнга — и использовали специально разработанные молекулы, состоящие из более чем 2 тыс. атомов.
Молекулы были достаточно крупными и стабильными, чтобы не разрушаться при «стрельбе» по двойным щелям, в результате которой образовался молекулярный пучок в сверхвысоком вакууме. Для отслеживания конечного результата ученые использовали интерферометр материальных волн с базовой линией 2 м.
Результаты эксперимента позволили доказать, что молекулы размером более 2 тыс. атомов могут существовать в двух состояниях одновременно — это самые большие молекулы из когда-либо приведенных к состоянию квантовой суперпозиции, говорится в исследовании.
Ранее ученые из Венского университета создали прибор, достаточно чувствительный для прямого наблюдения за квантовым взаимодействием между наночастицей, ее световой клеткой и стенками фотонного кристалла. В будущем устройство позволит увидеть кота Шредингера, который существует в состоянии квантовой суперпозиции, невооруженным глазом.
Вирус Шредингера / Наука / Независимая газета
Кот Шредингера, пока мы не заглянем в ящик, чтобы посмотреть, как там дела, – и жив, и мертв одновременно.
Источник: kabmir.com
Самый известный и одновременно самый садистский мысленный эксперимент в квантовой механике, известный под названием «Кот Шредингера», ученые предлагают проделать, но уже не мысленно, а над реальным живым организмом – пока вирусом. В прессе это вызвало большой шум. Откликнулся даже столп научной периодики – журнал Nature.
Эксперимент с котом был придуман одним из основоположников квантовой механики Эрвином Шредингером для демонстрации так называемого принципа суперпозиции. Согласно этому принципу, электрон или любой другой квантовый объект занимает сразу все дискретные состояния, в которых он в данный момент может находиться, и только процедура измерения его состояний вынуждает его сделать выбор. На этом основана вся квантовая механика.
В нормальном мире, мире так называемого здравого смысла, мы говорим: «Я не знаю, в каком состоянии находится объект, пока я этого состояния не измерю, но в каком-то он все-таки находится». В мире квантовой механики мы вынуждены говорить: «До момента измерения я знаю, что объект находится сразу во всех мыслимых состояниях».
Пытаясь доказать, что законы квантовой механики распространяются и на наш мир, Шредингер мысленно проделал такой эксперимент. «Допустим, – сказал он, – что в закрытом ящике находятся кот, радиоактивное ядро, счетчик Гейгера и соединенная со счетчиком емкость с ядовитым газом. Как только ядро распадается, счетчик срабатывает, газ выпускается наружу, и кот умирает. Но согласно принципу суперпозиции, ядро и распадается, и не распадается одновременно, и, следовательно, кот, пока мы не заглянем в ящик, чтобы посмотреть, как там дела, тоже – и жив, и мертв одновременно».
Логический парадокс с мертво-живым котом в свое время весьма озадачил ученых. Принцип суперпозиции, никем не оспариваемый, убедительно демонстрировали эксперименты с электронами, а один раз даже с атомом гелия, однако считается, что в реальности к более крупным формам, а уж тем более к живым организмам он все-таки неприменим.
Группа физиков под руководством профессора Ориола Ромеро-Исарта из Института квантовой оптики имени Макса Планка (Германия) утверждает, что можно доказать обратное в лазерном эксперименте с вирусом «табачной мозаики», имеющим 50 нанометров в диаметре и 1 микрометр в длину. Можно, говорят они, захватить вирус в оптическую ловушку, устроенную в вакууме двумя лазерами, обездвижить его (говоря языком квантовой механики, перевести его на самый низкий, «основной», энергетический уровень) и начать обстреливать фотонами третьего лазера. Тогда фотон будет передавать вирусу присущую ему суперпозицию, и вирус окажется сразу в двух энергетических состояниях – грубо говоря, он начнет извиваться и одновременно оставаться в неподвижности. Как заявил один из комментаторов идеи, «это эквивалент того, как если бы вы одновременно косили лужайку и занимались шопингом».
Как водится, коллеги отнеслись к идее по-разному – одни назвали ее изобретательной и реализуемой, другие скептически пожали плечами. Многие, например, считают, что вирус, избранный для эксперимента, нельзя считать живым организмом, однако, по мнению Ромеро-Исарта, подобный же трюк можно проделать с водяными тихоходками – микроскопическими, но на сто процентов живыми организмами. Правда, не совсем понятно, зачем авторы вообще делают акцент на живых организмах, ведь, по общему мнению, их поведение не будет отличаться от поведения сложных молекул, попавших в ту же ловушку.
Профессор Ромеро-Исарт отказался комментировать для «НГ» эту идею. «Статья, – заявил он в беседе с корреспондентом «НГ», – опубликована пока в интернет-архиве ArXive.org, однако в настоящее время готовится публикация в одном из журналов, и по правилам мне нельзя давать комментарии по этому поводу, пока там не появится публикация».
Олег Лойко, сотрудник Отдела теоретической физики Физического института РАН, исполнительный директор Международного центра фундаментальной физики, тоже относится к эксперименту если не скептически, то с прохладцей.
«То, что мы имеем, – подчеркнул он в разговоре с корреспондентом «НГ», – это мысленный эксперимент, размещенный в ArXive.org, а там, как известно, можно вывесить все что угодно. Мысленных экспериментов можно придумать много, но это еще не значит, что их можно реализовать. Но даже если такой эксперимент будет поставлен, я не совсем понимаю, что он даст физике».
Пока Ромеро-Исарт молчит, ясно одно – кошки могут жить спокойно, объектами квантово-механического эксперимента они сегодня не станут. Никто не станет их замораживать до абсолютного нуля, помещать в вакуум, обстреливать лазерами, а потом интересоваться – живы они или полуживы.
Комментарии для элемента не найдены.
Кот Шредингера: любимый, непонятый питомец квантовой механики
Мысленный эксперимент, известный как кот Шредингера, – одна из самых известных и неправильно понятых концепций квантовой механики. Глубоко задумавшись об этом, исследователи пришли к потрясающим открытиям в отношении физической реальности.
Кто придумал кота Шредингера?
Австрийский физик Эрвин Шредингер, который помог основать дисциплину квантовой механики, впервые задумал свою кошачью головоломку в 1935 году как комментарий к проблемам, первоначально поставленным светилом Альбертом Эйнштейном, согласно статье в Quanta Magazine.
Развивая свое новое понимание субатомной области, большинство коллег Эйнштейна и Шредингера осознали, что квантовые сущности демонстрируют чрезвычайно странное поведение. Датский физик Нильс Бор отстаивал понимание того, что частицы, подобные электронам, не имеют четко определенных свойств до тех пор, пока они не будут измерены. До этого частицы существовали в так называемой суперпозиции состояний, например, с вероятностью 50% ориентации «вверх» и вероятностью 50% ориентации «вниз».«
Эйнштейну, в частности, не нравилось это нерешительное объяснение. Он хотел знать, как именно Вселенная знает, что кто-то что-то измеряет. Шредингер подчеркнул эту абсурдность своим пресловутым концептуальным котом.
Предположим, кто-то построит странное изобретение. , Писал Шредингер в статье 1935 года под названием «Текущая ситуация в квантовой механике». Устройство состоит из коробки с запечатанным флаконом с цианидом, над которым подвешен молоток, прикрепленный к счетчику Гейгера, нацеленный на небольшой кусок умеренно радиоактивного урана. .Внутри коробки также есть котенок (и помните, что это мысленный эксперимент, который на самом деле никогда не проводился).
Ящик запечатывается, и эксперимент оставляют для работы в течение некоторого установленного времени, возможно, часа. В этот час уран, частицы которого подчиняются законам квантовой механики, имеет некоторый шанс испустить излучение, которое затем будет улавливаться счетчиком Гейгера, который, в свою очередь, выпустит молоток и разбьет пузырек, убив кошку. при отравлении цианидом.
По словам таких людей, как Бор, до тех пор, пока ящик не будет открыт и статус кошки не будет «измерен», она будет оставаться в суперпозиции и живых, и мертвых. Такие люди, как Эйнштейн и Шредингер, возражали против такой возможности, которая не согласуется со всем, что говорит нам наш обычный опыт – кошки либо живы, либо мертвы, но не оба одновременно.
«Физике [Q] uantum не хватало важного компонента, истории о том, как она сочетается с вещами в мире», – писал научный журналист Адам Беккер в своей книге «Что такое реально?». (Основные книги, 2018).«Как феноменальное количество атомов, определяемое квантовой физикой, порождает мир, который мы видим вокруг себя?»
Настоящая кошка Шредингера?
Кот Шредингера врезался в самую суть странной интерпретации реальности Бором: отсутствие четкой границы между квантовой и повседневной сферами. Хотя большинство людей думают, что это является примером в поддержку частиц, не имеющих четко определенных свойств, пока они не будут измерены, первоначальное намерение Шредингера было прямо противоположным – показать, что такая идея бессмысленна.Однако в течение многих десятилетий физики в основном игнорировали эту проблему, переходя к другим затруднениям.
Но, начиная с 1970-х годов, исследователи смогли показать, что квантовые частицы могут быть созданы в состояниях, которые всегда соответствуют друг другу, поэтому, если одна из них будет иметь ориентацию «вверх», другая будет «вниз» – явление, которое Шредингер называется запутанность. Такая работа была использована для поддержки развивающейся области квантовых вычислений, которая обещает производить вычислительные машины, которые намного быстрее, чем современные технологии.
В 2010 году физикам также удалось создать реальную версию кота Шредингера, хотя и без фелицида (также известного как убийство котенка). Из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре ученые построили резонатор, по сути, крошечный камертон размером с пиксель на экране компьютера. Они поместили его в суперпозицию, в которой он одновременно колебался и не колебался, показывая, что относительно большие объекты могут находиться в причудливых квантовых состояниях.
Более поздние эксперименты поместили группы до 2000 атомов в два разных места одновременно, еще больше стирая границу между микроскопическим и макроскопическим.В 2019 году исследователям из Университета Глазго даже удалось сфотографировать запутанные фотоны с помощью специальной камеры, которая делала снимок всякий раз, когда фотон появлялся со своим запутанным партнером.
В то время как физики и философы еще не пришли к соглашению о том, как думать о квантовом мире, идеи Шредингера открыли множество плодотворных направлений для исследований, и, вероятно, так и будут продолжаться в обозримом будущем.
Дополнительные ресурсы:
No.347: Кот Шредингера
Сегодня кошка Шредингера меняет наш взгляд на наука. Колледж Хьюстонского университета Инжиниринг представляет серию о машинах которые заставляют нашу цивилизацию бежать, а люди чья изобретательность создала их.
Философ Эбнер Шимони делает озадачивающее замечание.Он говорит:
Нельзя сказать, что физические системы имеют определенные свойства, не зависящие от наших наблюдений.Означает ли он, что мы даем нашему миру существование? глядя на это? Это похоже на параноик заблуждение, но Шимони вполне вменяемый. Он объясняет Кот Шредингера , существо, рожденное в странное новое мышление квантовой механики.
Загадка кота начинается с романа Гейзенберга. Идея неопределенности: самое точное измерение, которое мы мог бы когда-либо выстрелить одним фотоном свет на движущийся объект. Но даже такая нежная взгляд изменит положение и движение, которое мы пытаюсь измерить. В лучшем случае вы всегда измеряете некоторая неуверенность.
Это достаточно легко понять.Но классный тонкость превращает его в новый научный принцип Вера. Это делает невозможным точное измерение. А это значит, что у нас больше нет причин для думая, что у мира есть предельная точность, чтобы мера.
Итак, мы делаем последний ужасный шаг. Мы признаем мир неопределенен. Допустим, что электроны имеют нечеткие края.Когда кто-то сталкивается, он может отскочить в одну сторону. Это может отразить другого.
Шредингер сказал, что если это так, давайте запечатаем кота, счетчик Гейгера, фрагмент радиоактивный материал и баллон с ядовитым газом в ящик на один час. Есть шанс 50 на 50 что радиоактивный распад вызовет Гейгера счетчик, активируйте механизм, который ломает бутылку и отравить кошку.Он спрашивает, найдем ли мы живой кот или мертвый, когда мы открываем коробку.
Похоже на «Леди или Тигр», но это намного хуже. Человек, который должен открыть любой из двух Двери знают, что за одним стоит дама и тигр-убийца позади другого. Он не знает, какая дверь ведет тигру, но ответ известен. Радиоактивный распад происходит на уровне неопределенность.Никаких знаний о системе внутри коробка когда-нибудь позволит вам предсказать судьбу Кот Шредингера. Живет он или умирает абсолютно непостижимо – пока не откроешь коробку.
Физики мучаются, пока Чеширский кот сидит и улыбается. Они пытаются написать волновые функции для кошек и гамма-излучение. Они делают глупые выводы: может кот в закрытом ящике и жив, и мертв одновременно.Стивен Хокинг, физик, который пишет о черных дырах из своей инвалидной коляске, разводит руками и кричит: «Когда я услышав про кота Шредингера, я тянусь за своим пистолет.”
Но в конце концов мы должны заглянуть внутрь коробки, чтобы узнайте, жив ли кот или мертв. Так что, это что наблюдатель определяет истину.Этот делает странный комментарий об объективной науке. Были осталось задаться вопросом, неужели ученые не намного глубже переплетаются с миром, который они наблюдают, чем они хотели бы быть.
Я Джон Линхард из Хьюстонского университета, где нас интересуют изобретательные умы Работа.
(Музыкальная тема)Физика, скрывающаяся за парадоксом кота Шредингера
Его мысленный эксперимент с кошачьим парадоксом стал основным продуктом поп-культуры, но именно работа Эрвина Шредингера в области квантовой механики закрепила его статус в мире физики.
Физику, лауреату Нобелевской премии, в понедельник исполнилось бы 126 лет, и в ознаменование его рождения компания Google отметила его рождение фигуркой на тему кошки, которая отдает дань уважения парадоксу, предложенному Шредингером в 1935 году в следующем теоретическом эксперименте.
Кошку помещают в стальной ящик вместе со счетчиком Гейгера, пузырьком с ядом, молотком и радиоактивным веществом. Когда радиоактивное вещество распадается, Гейгер обнаруживает его и запускает молоток, чтобы выпустить яд, который впоследствии убивает кошку.Радиоактивный распад – это случайный процесс, и невозможно предсказать, когда он произойдет. Физики говорят, что атом существует в состоянии, известном как суперпозиция, когда он распался и не распался одновременно.
Пока коробка не будет открыта, наблюдатель не знает, жив кошка или мертва – потому что судьба кошки неразрывно связана с тем, распался ли атом, и кошка, как выразился Шредингер, будет “живой”. и мертвые … в равных частях », пока не соблюдается. (Больше физики: Физика водных горок.)
Другими словами, до тех пор, пока ящик не был открыт, состояние кошки полностью неизвестно, и поэтому кошка считается и живой, и мертвой одновременно, пока ее не заметят.
«Если вы поместите кошку в коробку, и если нет возможности сказать, что кошка делает, вы должны относиться к ней так, как если бы она делала все возможные вещи – живя и мертвая – одновременно, “объясняет Эрик Мартелл, доцент физики и астрономии в Милликинском университете. “Если вы пытаетесь делать прогнозы и предполагаете, что знаете статус кошки, вы [вероятно] ошибетесь.Если, с другой стороны, вы предположите, что это комбинация всех возможных состояний, которые могут быть, вы будете правы ».
Сразу же взглянув на кошку, наблюдатель сразу узнает, жива ли кошка. или мертвая, и «суперпозиция» кошки – идея, что это было в обоих состояниях – рухнула бы либо до знания, что «кошка жива», либо «кошка мертва», но не в обоих случаях.
Шредингер разработал парадокс, говорит Мартелл, чтобы проиллюстрировать точку зрения квантовой механики о природе волновых частиц.
«В конце 1800-х и начале 1900-х мы обнаружили, что действительно очень маленькие вещи не подчиняются законам Ньютона», – говорит он. «Таким образом, правила, которые мы использовали для управления движением шара, человека или машины, нельзя было использовать для объяснения того, как работает электрон или атом».
В основе квантовой теории, которая используется для описания поведения субатомных частиц, таких как электроны и протоны, лежит идея волновой функции. Волновая функция описывает все возможные состояния, которые могут иметь такие частицы, включая такие свойства, как энергия, импульс и положение.
«Волновая функция – это комбинация всех возможных волновых функций, которые существуют», – говорит Мартелл. «Волновая функция частицы говорит о некоторой вероятности того, что она может находиться в любом разрешенном положении. Но вы не можете обязательно сказать, что знаете, что она находится в определенном положении, не наблюдая за ней. Если вы поместите электрон вокруг ядра, он может иметь любое из разрешенных состояний или позиций, если мы не посмотрим на это и не узнаем, где оно находится “.
Это то, что Шредингер иллюстрировал парадоксом кошек, – говорит он.
«В любой физической системе без наблюдения нельзя сказать, что что-то делает», – говорит Мартелл. «Вы должны сказать, что это может быть что угодно из перечисленного, даже если вероятность мала».
Кот Шредингера | New Scientist
Этот мысленный эксперимент, разработанный в 1935 году австрийским физиком Эрвином Шредингером, был разработан, чтобы пролить свет на трудности интерпретации квантовой теории.
Квантовая теория очень странная. Он говорит, что такой объект, как частица или атом, который придерживается квантовых правил, не имеет реальности, которую можно зафиксировать до тех пор, пока она не будет измерена.А до тех пор его свойства, такие как импульс, закодированы в математическом объекте, известном как волновая функция, который, по сути, говорит: если вы произведете измерение, вот диапазон возможных результатов. Неизбежный вопрос, который возник по мере развития теории, заключался в следующем: что же тогда делает вещь до этого?
Самый известный ответ в 1930-х годах пришел из Копенгагенской интерпретации, разработанной в датском городе светилами квантовой теории Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом. Это говорит о том, что до измерения действительно не существует окончательной реальности, и объект находится в неопределенном состоянии, известном как суперпозиция.
Мысленный эксперимент Шредингера исследовал, как это происходит, когда квантовый объект соединяется с чем-то более знакомым. Он представил ящик, содержащий радиоактивный атом, пузырек с ядом и кошку. Управляемый квантовыми правилами, радиоактивный атом может распадаться или не распадаться в любой момент. Неизвестно, когда наступит момент, но когда он распадается, он разбивает пузырек, высвобождает яд и убивает кошку.
Реклама
Если копенгагенская интерпретация верна, то до того, как произойдет какое-либо измерение, атом, а также кошка, находятся в суперпозиции распавшегося / мертвого и не распавшегося / живого.Абсурдность разговора об одновременно живом и мертвом могги должна была показать, что копенгагенской интерпретации чего-то не хватает.
Эксперимент сыграл важную роль в стимулировании других взглядов на квантовую теорию, включая интерпретацию множества миров, согласно которой различные возможные реальности квантового объекта кристаллизуются в разные параллельные вселенные в точке измерения.
В наши дни мысленный эксперимент приобрел своего рода культовый статус.Есть футболки с котиками Шредингера, мемы и сотни статей на эту тему. В 2018 году ученые опубликовали более сложный вариант мысленного эксперимента, который, похоже, показывает, что все существующие интерпретации квантовой теории неполны. Джошуа Хоуджего
Знаменитый кот-физик теперь жив, мертв и сразу в двух коробках
Кошка физика Эрвина Шредингера, кажется, не умеет отдыхать. Вымышленный представитель семейства кошачьих известен тем, что одновременно жив и мертв, пока остается спрятанным в коробке.Ученые думают о кошке Шредингера таким образом, чтобы они могли изучать квантовую механику . Это наука о очень малом – о том, как материя ведет себя и взаимодействует с энергией. Теперь, в новом исследовании, ученые разделили кошку Шредингера между двумя коробками.
Любители животных могут расслабиться – в экспериментах не участвуют настоящие кошки. Вместо этого физики использовали микроволны, чтобы имитировать квантовое поведение кошки. О новом продвижении было сообщено 26 мая в Science .Это приближает ученых на один шаг к созданию квантовых компьютеров из микроволн.
Учителя и родители, подпишитесь на шпаргалку
Еженедельные обновления, которые помогут вам использовать Новости науки для студентов в учебной среде
Шредингер придумал свою знаменитую кошку в 1935 году. Он сделал ее несчастным участником гипотетического эксперимента . Это то, что ученые называют мысленным экспериментом. В нем Шредингер представил кота в закрытом ящике со смертельным ядом.Яд будет высвобожден, если некоторые радиоактивные атомы распадутся . Этот распад происходит естественным образом, когда физически нестабильная форма элемента (например, уран) выделяет энергию и субатомные частицы. Математика квантовой механики может рассчитать вероятность того, что материал распался – и в этом случае высвободился яд. Но он не может точно определить, когда это произойдет.
Таким образом, с квантовой точки зрения можно предположить, что кошка одновременно мертва и все еще жива.Ученые назвали это двойственное состояние суперпозицией. И кошка остается в подвешенном состоянии, пока ящик не откроется. Только тогда мы узнаем, мурлыкающий котенок это или безжизненный труп.
Ученые создали настоящую лабораторную версию эксперимента. Они создали коробку – фактически две – из сверхпроводящего алюминия . Сверхпроводящий материал – это материал, который не оказывает сопротивления потоку электричества. Вместо кота микроволн , разновидность электромагнитного излучения.
Электрические поля, связанные с микроволнами, могут указывать в двух противоположных направлениях одновременно – точно так же, как кошка Шредингера может быть живой и мертвой одновременно. Эти состояния известны как «кошачьи состояния». В новом эксперименте физики создали такие состояния кошки в двух связанных коробках или полостях. Фактически они разделили микроволновую «кошку» сразу на две «коробки».
Идея поместить одну кошку в два ящика «довольно причудлива», – говорит Чен Ван.Соавтор статьи, он работает в Йельском университете в Нью-Хейвене, штат Коннектикут. Однако он утверждает, что это не так уж далеко от реальной ситуации с этими микроволновыми печами. Состояние кошки находится не только в одном или другом ящике, но и в том, что оно занимает оба. (Я знаю, это странно. Но даже физики признают, что квантовая физика имеет тенденцию быть странной. Очень странной.)
Что еще более странно, так это то, что состояния двух блоков связаны, или, говоря квантовым языком, запутаны . Это означает, что если кошка окажется живой в одном ящике, она будет живой и в другом.Чен сравнивает его с кошкой с двумя симптомами жизни: открытым глазом в первой ячейке и сердцебиением во второй ячейке. Измерения в двух ячейках всегда будут соответствовать статусу кошки. Для микроволн это означает, что электрическое поле всегда будет синхронизированным в обоих резонаторах.
Ученые превратили микроволны в причудливые квантовые состояния, имитирующие способность знаменитого кота Шредингера (показанного в этой анимации) быть мертвым и живым одновременно. В новом эксперименте ученые разделили этого фантомного кота на две коробки.Ивонн Гао, Йельский университетУченые измерили, насколько состояние кошки было близко к идеальному состоянию кошки, которого они хотели добиться. И измеренные состояния находились в пределах примерно 20 процентов от этого идеального состояния. Исследователи говорят, что это именно то, чего они ожидали, учитывая, насколько сложна система.
Новое открытие – шаг к использованию микроволн для квантовых вычислений. Квантовый компьютер использует квантовые состояния субатомных частиц для хранения информации.Две полости могут служить для двух квантовых битов или кубитов . Кубиты – это основные единицы информации в квантовом компьютере.
Камнем преткновения для квантовых компьютеров является то, что ошибки неизбежно проскальзывают в вычислениях. Они проскальзывают из-за взаимодействия с внешней средой, которое ухудшает квантовые свойства кубитов. По словам исследователей, состояния кошки более устойчивы к ошибкам, чем кубиты других типов. По их словам, их система в конечном итоге должна привести к созданию более отказоустойчивых квантовых компьютеров.
«Я думаю, что они добились действительно больших успехов», – говорит Герхард Кирхмайр. Он физик в Институте квантовой оптики и квантовой информации Австрийской академии наук в Инсбруке. «Они придумали очень хорошую архитектуру для реализации квантовых вычислений».
Сергей Поляков говорит, что эта демонстрация запутанности в системе с двумя полостями очень важна. Поляков – физик в Национальном институте стандартов и технологий в Гейтерсбурге, штат Мэриленд.Следующим шагом, по его словам, будет «продемонстрировать, что этот подход действительно масштабируем». Под этим он подразумевает, что это все равно будет работать, если они добавят больше резонаторов в смесь, чтобы построить более крупный квантовый компьютер.
Что такое кот Шредингера?
Кот Шредингера – это гипотетическое животное, фигурирующее в мысленном эксперименте, предложенном австрийским физиком Эрвином Шредингером в 1935 году.
В то время физики обсуждали математические модели и результаты различных экспериментов, которые предполагали, что частицы обладают волнообразными свойствами.Некоторые думали, что эти волны были больше похожи на кривую вероятности на графике, чем на физическое покачивание, как рябь на воде.
Определенные следствия этого «вероятностного» описания – называемого копенгагенской интерпретацией – считали реальность неустойчивой до тех пор, пока она не стала частью системы, которую мы могли наблюдать. Другими словами, свойства не были определены в каком-либо значимом смысле до тех пор, пока они не были измерены каким-либо образом экспериментальным путем.
Известные физики, такие как Альберт Эйнштейн, выступили против этой интерпретации, заявив, что квантовая физика является неполной теорией, и будущая работа покажет, что это были за волны на самом деле.
Эрвин Шредингер согласился. В эссе под названием Текущая ситуация в квантовой механике он раскритиковал такие странные определения вероятности, поставив эксперимент, который связал неопределенность ненаблюдаемого свойства частицы с тем, к чему мы все можем относиться и чему сопереживать – живым состоянием маленького животного. .
«Можно даже создать довольно нелепые дела», – писал Шредингер. «Кошка заперта в стальной камере вместе со следующим устройством…»
В этом устройстве использовался радиоактивный материал, установленный счетчиком Гейгера, чтобы вызвать разрушение пузырька со смертоносной кислотой в тот момент, когда на него воздействуют частицы » разлагаться.Согласно Копенгагенской интерпретации, неопределенное положение частицы, сталкивающейся со счетчиком, одновременно ударит и не ударит его в любой момент, что означает, что спрятанная кошка будет убита и не убита. Только после того, как весь эксперимент будет проведен, кошка будет однозначно живой или мертвой.
Шредингер подумал, что это глупо, и многие физики согласились.
Конечно, эксперимент не совсем подходит для домашних животных. Но были сделаны менее неэтичные версии.Спустя десятилетия квантовая физика все еще звучит глупо, но более вероятно, чем когда-либо, наш бедный кот в своей коробке действительно был бы теоретически живым и мертвым одновременно.
Однако не так ясно, что именно означают такие термины, как «измеренный» или «эксперимент», поэтому трудно сказать, где на самом деле начинается и заканчивается ящик Шредингера и его мертвый, а не мертвый кот.
Все тематические статьи определяются проверкой фактов как правильные и актуальные на момент публикации.Текст и изображения могут быть изменены, удалены или добавлены по решению редакции, чтобы информация оставалась актуальной.
Причудливый «кот Шредингера» оживает в новых экспериментах
Странность мира очень маленьких, позволяющая частице находиться в двух состояниях одновременно, может распространяться на более крупные масштабы, показывают два новых исследования. Если исследование подтвердится, это подтвердит обоснованность мысленного эксперимента, предполагающего, что кошка может быть и живой, и мертвой одновременно.
Идея, названная Котом Шредингера в честь физика Эрвина Шредингера, который предложил ее в 1935 году, звучит так: поместить кошку в ящик с пузырьком с ядовитым газом. Флакон открывается, когда крошечный кусок радиоактивного металла испускает альфа-частицу (ядро атома гелия) при распаде. Испускание альфа-частицы – это квантово-механический процесс, а это означает, что происходит ли это в любой заданный промежуток времени, по сути, случайно.
Квантовая механика утверждает, что невозможно узнать, произошел ли радиоактивный распад (и кошка мертва), если его не измерить, то есть, если альфа-частица не взаимодействует с окружающей средой каким-либо образом, который может видеть наблюдатель.Пока это не произойдет, можно думать, что альфа-частица испускается и не испускается одновременно. Кошка одновременно мертва и жива, это состояние называется суперпозицией.
Открытие коробки – это измерение: эффект альфа-частицы воспринимается как мертвая кошка, а отсутствие альфа-частицы – как живая. [9 величайших неразгаданных тайн физики]
В двух новых исследованиях, подробно описанных в выпуске журнала Nature Physics от 21 июля, исследователи использовали частицы света или фотоны, чтобы проверить пределы такой суперпозиции.Если нет предела тому, сколько частиц или фотонов вы можете поместить в квантовую систему, это означает, что кошка действительно одновременно мертва и жива, и измерение ее состояния приводит к математической формулировке, описывающей ее (называемой волной функция) “коллапс” в определенное состояние, живое или мертвое.
Другая возможность, называемая интерпретацией многих миров, была бы еще более странной: эта интерпретация предполагает, что все возможные состояния реальны, и когда волновая функция коллапсирует до одного состояния, мы просто переживаем одну из многих вселенных, которые существуют одновременно. , в котором случаются все возможные исходы.Когда волновая функция коллапсирует, мы (и кошка) помним одну историю – мертвую кошку – но есть другая вселенная, где кошка жива.
Запутывающие фотоны
В двух экспериментах, один из которых был проведен в Канадском университете Калгари, а другой в Женевском университете в Швейцарии, было задействовано достаточно фотонов, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом, что показывает, что их квантовые свойства можно сделать макроскопическими. , говорят исследователи.
В каждом эксперименте исследователи измеряли квантовые состояния – группу физических свойств, включая поляризацию и фазу – света, используя поляризацию или угол, на который вращается фотон.Поляризацию можно увидеть, надев поляризованные солнцезащитные очки и наклонив голову, чтобы посмотреть на экран смартфона или компьютера. Экран будет выглядеть черным, пока голова не будет наклонена под определенным углом.
Flash Interactive: наука о квантовых вычислениях
Хотя точная техника в двух экспериментах немного отличалась, обе команды усиливали состояния одного фотона, запутывая его со многими другими фотонами, а затем восстанавливали его до исходного государственный.