Кот в коробке живой и мертвый: простыми словами о сути опыта с котом

Что такое кот Шредингера простыми словами — суть эксперимента / НВ

Автор: Константин Ценцура

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.

Видео дня

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?

Фото: CC

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.

Фото: Holger F. Hofmann, Emma Buchet/Hiroshima University

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?

Фото: Quanta Magazine

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?

Фото: Google

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.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях Facebook, Telegram и Instagram.

Теги IBM Квантовая физика Научные исследования Квантовые компьютеры

Делитесь материалом

Facebook

Twitter

Telegram

Кот одновременно живой и мертвый — КиберПедия

Навигация: Главная Случайная страница Обратная связь ТОП Интересно знать Избранные Топ: Выпускная квалификационная работа: Основная часть ВКР, как правило, состоит из двух-трех глав, каждая из которых, в свою очередь. .. Основы обеспечения единства измерений: Обеспечение единства измерений – деятельность метрологических служб, направленная на достижение… Интересное: Отражение на счетах бухгалтерского учета процесса приобретения: Процесс заготовления представляет систему экономических событий, включающих приобретение организацией у поставщиков сырья… Распространение рака на другие отдаленные от желудка органы: Характерных симптомов рака желудка не существует. Выраженные симптомы появляются, когда опухоль… Лечение прогрессирующих форм рака: Одним из наиболее важных достижений экспериментальной химиотерапии опухолей, начатой в 60-х и реализованной в 70-х годах, является… Дисциплины: Автоматизация Антропология Археология Архитектура Аудит Биология Бухгалтерия Военная наука Генетика География Геология Демография Журналистика Зоология Иностранные языки Информатика Искусство История Кинематография Компьютеризация Кораблестроение Кулинария Культура Лексикология Лингвистика Литература Логика Маркетинг Математика Машиностроение Медицина Менеджмент Металлургия Метрология Механика Музыкология Науковедение Образование Охрана Труда Педагогика Политология Правоотношение Предпринимательство Приборостроение Программирование Производство Промышленность Психология Радиосвязь Религия Риторика Социология Спорт Стандартизация Статистика Строительство Теология Технологии Торговля Транспорт Фармакология Физика Физиология Философия Финансы Химия Хозяйство Черчение Экология Экономика Электроника Энергетика Юриспруденция

Начинаем представление квантовой физики с самого абсурдного примера…   Я не могу описать [это]… но я узнаю это, когда увижу. Судья Верховного суда США Поттер Стюарт (не по вопросу измерений)   Как будто головоломные концепции теории относительности оказались недостаточно разрушительными для XX века, сразу после их появления произошла еще одна мучительная, но вместе с тем значимая революция – рождение квантовой физики. Одним из ее основателей был Альберт Эйнштейн; именно ему принадлежит вывод о том, что энергия света квантована и ее можно регистрировать только своеобразными пакетами, которые мы сегодня называем фотонами [172]. Но квантовая физика завоевала себе место под солнцем не так быстро, как теория относительности. Она отличалась такими странными и загадочными чертами, что даже сами ее изобретатели не прекращали споров и дебатов о том, что она означает, как ее следует интерпретировать и не окажется ли она всего лишь временной аппроксимацией[173], притом что более полное описание скрытой под ней реальности еще предстоит открыть. Эти дебаты не утихают до сего дня. Проблемы этой теории вытекают из самой ее формулировки. Квантовая физика постулирует, что окружающий нас реальный мир описывается чем-то расплывчатым и эфемерным, к тому же принципиально неизмеримым, называемым амплитудой . Амплитуда может выражаться обычным числом; комплексным числом, имеющим и действительную, и мнимую составляющие; или набором чисел, называемым волновой функцией . Квантовая физика постулирует, что амплитуда призрачна, недостижима и напоминает маячащий на заднем плане дух, который воплощает в себе всю реальность. Однако даже если амплитуда точно известна, вы не сумеете предсказать результат измерения, а можете лишь назвать вероятность того, что измерение даст какой-то конкретный результат. Все это звучит загадочно и неопределенно, хотя именно эти принципы используются сегодня при разработке электроники, которая оживляет наши смартфоны, планшеты, телевизоры, цифровые камеры и компьютеры. Буквально каждый физик сталкивается с призрачными амплитудами и волновыми функциями. Большинство ученых просто игнорируют не поддающиеся измерению аспекты квантовой теории и продолжают делать свое дело. Большинство, но не Эйнштейн. Все его прорывные открытия в физике сделаны в результате того, что он сосредоточивал внимание на парадоксальных результатах, необъясненных явлениях и вообще на вещах, которые для него лично не имели физического смысла. Новая квантовая физика точно укладывалась в эти категории – она была более загадочной, чем замедление времени и уменьшение длины; более странной, чем черные дыры; более невообразимой, чем обратный ход времени. Ее, возможно, даже сейчас самый огорчительный аспект можно проиллюстрировать историей, сочиненной Эрвином Шрёдингером[174] – физиком, имя которого известно каждому студенту по важнейшему уравнению Шрёдингера . Он был коллегой и союзником Эйнштейна и разделял его обеспокоенность в связи с квантовой физикой[175].   Кот Шрёдингера   Шрёдингер придумал яркий пример в поддержку эйнштейновского утверждения о том, что квантовая физика фундаментально несостоятельна. Ситуация проста, хотя и намеренно жестока; скорее всего, это сделано для того, чтобы привлечь ваше внимание и заставить как следует оценить когнитивный диссонанс, который порождает эта история. Шрёдингер предлагает представить кота в коробке. Кроме кота, там имеется один радиоактивный атом, распад которого с вероятностью 50 % должен произойти в течение ближайшего часа. Если он распадется, то запустит механизм, убивающий кота. Для наглядности Шрёдингер предлагает молоток, разбивающий ампулу с синильной кислотой. Хотите увидеть изображение? Поищите в сети словосочетание «кот Шрёдингера». Если вы откроете коробку ровно через час, то с вероятностью 50 % увидите мертвого кота и с вероятностью 50 % – живого. Кажется, все довольно просто, хотя и негуманно. (Не пытайтесь проделать это дома.) Что здесь представляет загадку и что, собственно, беспокоило Эйнштейна и Шрёдингера, так это то, как ситуация описывается на языке квантовой физики. Согласно стандартному подходу, которым пользуются практически все физики, амплитуда[176], описывающая атом и кота, эволюционирует на протяжении всего часа. Первоначально она описывает живого кота и целый, нераспавшийся атом. Но с течением времени амплитуда меняется. В конце часа она состоит из двух равных частей: та, что описывает мертвого кота и фрагменты распавшегося атома, накладывается на ту, в которой кот жив, а атом цел. Пока кто-нибудь не заглянет в коробку, кот одновременно и мертв, и жив, то есть находится в суперпозиции (наложении) двух состояний. Согласно этим правилам, акт открывания коробки и заглядывания внутрь представляет собой измерение , а при измерении волновая функция сразу же коллапсирует , и у вас остается только одна реальность вместо суперпозиции двух. Кот, когда на него смотрят, либо совершенно жив, либо совершенно мертв, он больше не может пребывать в двух состояниях одновременно. Но упрощение ситуации происходит только в тот момент, когда вы заглядываете в коробку. Я попросил мою жену Розмари (она архитектор) прочесть эту главу. Часть текста, посвященная коту Шрёдингера, аккурат до этого места, показалась ей совершенно невероятной. Она наотрез отказалась поверить, что какой бы то ни было ученый мог всерьез постулировать кота, который был бы одновременно живым и мертвым. Сама концепция настолько абсурдна, настолько нелепа, что она остановилась на этом месте и отказалась читать дальше, пока я не исправлю это глупое описание, из которого у читателя может сложиться впечатление, что в квантовой механике в самом деле содержится такая чепуха. Спросите об этом любого физика. Именно так все и обстоит. Можете утешиться: вас беспокоит то же самое, что мучило Эйнштейна и Шрёдингера и что заставило последнего придумать этот безумный пример. Вот что я сказал Розмари, и она согласилась продолжить чтение, хотя, может, и против собственного желания. (А еще она разрешила описать ее впечатления, в утешение другим читателям.) Шрёдингер и Эйнштейн считали историю про кота типичным образцом reductio ad absurdum – полемического приема, известного как «доведение до абсурда»; они были уверены, что в этом случае нелепый вывод наглядно продемонстрирует: квантовая физика противоречит здравому смыслу, а потому неверна. Пока кто-нибудь не посмотрит – кот одновременно и жив, и мертв? Да ладно вам! По мнению ученых, этот пример должен был окончательно решить дело, прекратить все споры и продемонстрировать, что квантовая физика фундаментально ущербна. Макс Борн[177]и Вернер Гейзенберг[178], зачинатели и активные сторонники вероятностной интерпретации, отказались признать ошибку. Да, история кота Шрёдингера звучит нелепо, но точно так же звучали и рассказы о замедлении времени и сжатии пространства, когда их впервые предложил Эйнштейн. Даже теория о том, что обычное вещество состоит из атомов, когда-то не укладывалась в рамки здравого смысла. В истории с котом нет никаких противоречий – просто сама ситуация идет вразрез с нашими интуитивными представлениями. Описанный здесь спор произошел около 80 лет назад. И как же обстоит дело сегодня? Вот замечательный ответ: практически все физики согласны с точкой зрения Борна−Гейзенберга. Тем не менее абсурдность ситуации с котом Шрёдингера так и не получила удовлетворительного объяснения. Как же современные физики реагируют на reductio ad absurdum – этот нелепый пример? Никак. Кот Шрёдингера и сегодня не дает им покоя, если вдруг о нем вспоминают, но чаще физики предпочитают игнорировать эту проблему и двигаться дальше.   Папиллярные узоры пальцев рук – маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни… Кормораздатчик мобильный электрифицированный: схема и процесс работы устройства… Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций… Индивидуальные и групповые автопоилки: для животных. Схемы и конструкции… 

Кот Шрёдингера в массовой культуре

Обновлено: 12.09.2022

Кот Шрёдингера — герой мысленного эксперимента, предложенного впервые австрийским физиком Эрвином Шрёднигером в 1935 году. Эксперимент призван продемонстрировать проблемы копенгагенской интерпретации квантовой механики.

Образность персонажа, а также парадоксальность ситуации, в которой он находится, сделало кота Шрёдингера объектом многих аллюзий.

Содержание

• «Террористы Шрёдингера» — так иногда называют террористов, про которых неизвестно, живы они или убиты, или об этом ходят противоречивые слухи. Из известных личностей в таком состоянии пребывал (и до сих пор пребывает), например, Усама бин Ладен (см. Смерть Усамы бен Ладена).

• Говорят, что в базе данных Сервера мертвецов [1] , на котором отслеживается, кто из знаменитостей жив, а кто уже умер, про кота Шрёдингера однажды было написано, что он «не мёртв», причём частица «не» была отмечена тегом HTML для мигания, в результате чего фраза выглядела то как «кот Шрёдингера мёртв», то как «кот Шрёдингера не мёртв». Сейчас же информация о коте Шрёдингера выглядит как: «Schrödinger’s Cat (thought experiment) — Not Alive» («Кот Шрёдингера (мысленный эксперимент) — не жив»), в отличие от состояния «Dead» (мёртв), присваиваемого умершим.
• В одной из серий научно-фантастического сериала «Звездные врата SG-1» появляется кот с кличкой Шрёдингер, тоже названный так в шутку.
• У главного героя научно-фантастического сериала «Скользящие» тоже есть кот по имени Шрёдингер.
• Кот Шрёдингера является одним из главных героев комикса-манги «Полный пока», и, по сюжету, имеет способность исполнять любые желания, потому что, как говорит сам кот, «испытав жизнь и смерть одновременно, нельзя остаться просто человеком. Ну, или котом».
• В научно-фантастических романах Дэна Симмонса «Эндимион» и «Восход Эндимиона» один из главных героев, Рауль Эндимион, будучи приговорённым к смертной казни, проводит 13 месяцев в «кошачьем ящике» Шрёдингера в качестве кота.

Я пишу эти строки в «кошачьем ящике» Шрёдингера, который вывели на орбиту вокруг Армагаста, где объявлен карантин. Ящик представляет собой гладкостенный эллипсоид, шесть на три метра в поперечнике, который я при всем желании не покину до самой смерти. Обстановка моего крохотного спартанского мирка такова: система рециркуляции воздуха и воды, койка, синтезатор пищи, узкая стойка, которая служит одновременно обеденным и письменным столом, а также туалет, раковина и душ, почему-то отделённые от всего остального пластиковой перегородкой. Учитывая, что меня никто не навещает, подобная забота о соблюдении приличий кажется насмешкой. Я располагаю палетой и пером; дописав очередную страницу, переношу текст на микровелен, который производит система рециркуляции. Единственное, что меняется с течением времени в моём мирке, — толщина стопки веленевых листов. В корпусе «ящика» спрятана капсула с отравляющим газом. Она вмонтирована в воздушный фильтр, и всякая попытка добраться до неё или проделать дыру в корпусе приведет к тому, что внутрь начнет поступать цианид. Кроме того, в статико-динамическом поле «ящика» находятся счетчик радиации, изотопный элемент и таймер. Мне не суждено узнать, когда именно таймер включит счетчик, когда крохотный изотоп лишится свинцовой оболочки, когда в камеру устремится поток частиц… Но в ту секунду, когда это случится, я пойму, что счетчик заработал, и успею ещё ощутить перед смертью запах горького миндаля. Надеюсь, всё произойдет быстро. С технической точки зрения, если вспомнить древние загадки квантовой механики, я сейчас не жив и не мёртв. Пребываю в подвешенном состоянии, плещусь в волнах вероятности, которые предназначались когда-то для кошки в мысленном эксперименте Шрёдингера.

• Аналогичным образом казнят одного из героев книги «Хранитель времени» Дэвида Зинделла.
• В рассказе Грега Бира «Чума Шрёдингера» эксперимент построен таким образом, что с квантовым событием оказывается запутана гибель всего человечества в глобальной пандемии, и всем осведомлённым об эксперименте людям приходится покончить с собой, чтобы исключить возможность наблюдения фатального для человечества исхода.
• В японском комиксе (манге) Hellsing, а также в одноимённом аниме (Hellsing OVA) действует персонаж по имени Шрёдингер (мальчик в форме гитлерюгенда с кошачьими ушами), который является наполовину человеком, наполовину котом. Персонаж обладает способностью телепортироваться («быть везде и нигде») и абсолютно неубиваем, так как является, подобно классическому коту Шрёдингера, ни живым и ни мёртвым.
• В книге Лукьяненко «Последний дозор» главному герою накидывают на шею удавку под названием «кот Шрёдингера», особенность которой в том, что маги не понимают, живая эта тварь или нет. Создание существует на всех слоях сумрака и агрессивно реагирует на любые проявления сверхъестественных способностей, в силу чего используется для усмирения конвоируемого мага.
• В романе Лукьяненко «Недотёпа» также проводится аналогия Шрёдингерова кота:

…- Если ты знаешь, что какая-то вещь уже произошла — ты ее не изменишь! Как бы ты ни пытался поверить, это не получится! Только когда ситуация неопределенна — только тогда возможно чудо. Вот представь, я беру ящик и бросаю туда… допустим, кота. А потом бросаю туда колбу с отравой. Есть шанс, что колба разбилась и кот сдох. Но возможно, что колба уцелела и кот жив. Так ответь, жив кот или нет? — А нельзя посмотреть? Или послушать, мяукает он или нет… — Нельзя! Это мысленный эксперимент. И вообще, ящик закрыт, у кота завязан рот… Так жив кот или нет? — Не знаю, — ответил Трикс. — И жив, и мертв. — Правильно. Это неопределенно живой или мертвый кот. Именно в таких ситуациях магия способна творить настоящие чудеса — если волшебник очень и очень хочет в них поверить…

• В романе Алексея Андреева «2048» упоминается про этот мысленный эксперимент:

Один тип с фамилией, напоминающей напильник, сажал какого-то несчастного биорга в железный ящик, где не было ничего, кроме ампулы с ядом. А потом запускал в тот же ящик некую элементарную частицу. Частица могла включить механизм открывания ядовитой капсулы. А могла и не включить, прикинувшись волной. И якобы получалось, что после этого биорг в ящике — ни жив, ни мёртв. Чего только не выдумают багнутые сектанты! Самих бы их в железные ящики!

• В книге Роберта Хайнлайна «Кот, проходящий сквозь стены» в последней трети книги появляется кот Пиксель, умеющий проходить сквозь стены и называющийся в шутку Котом Шрёдингера.
• В книге Терри Пратчетта «Кот без дураков» в юмористической форме описывается порода т. н. «Шрёдингеровских котов», произошедших от того самого кота Шрёдингера. Также этот мысленный эксперимент не раз упоминается в других произведениях Пратчетта, например, в романе «Дамы и господа».

• В рассказе Ф. Гвинплейна Макинтайра «В няньках у котика Шрёдингера» одним из персонажей оказывается домашний любимец самого Шрёдингера, кот Тибблс. Вокруг этого кота, собственно, и разворачивается действие юмористического рассказа, щедро приправленного подробностями из разных областей физики.

В современном научном фольклоре бытуют две кошки Шрёдингера: релятивистская и квантово-механическая. Типичная квантово-механическая кошка сидит в закрытом непрозрачном ящике, где наличествуют также баллончик с ядовитым газом, счётчик Гейгера и ампула с радиоактивным изотопом, период полураспада которого достаточно велик. Когда счётчик Гейгера зарегистрирует распад атома, вентиль баллончика автоматически откроется, и ящик заполнится отравляющим газом.
Но так как предсказать, в какой конкретный момент распадётся этот атом, невозможно, наблюдатель, видя перед собой закрытую систему (непрозрачный ящик), не имеет (и не может иметь!) представления, что там внутри произошло (или не произошло). Кошка внутри ящика в каждый данный момент может находиться лишь в одном из двух состояний: либо она жива, либо мертва. Однако, с точки зрения внешнего наблюдателя, эта кошка одновременно и ни жива и ни мертва (то есть находится в суперпозиции по отношению к двум различным квантовым состояниям).
Что касается релятивистского парадокса, то он основан на изменении линейных размеров кошки и ящика относительно друг друга (большую кошку, скажем, приходится разгонять до околосветовых скоростей, чтобы та укоротилась и уместилась в маленьком ящике).
Внимательный читатель, конечно, уже догадался, что в квантово-механический парадокс кота Тибблса искусно вплетены элементы релятивизма.
«Если», № 11 (2002), перевод Людмилы Щёкотовой.

• В философско-сатирической миниатюре Николая Байтова «Кошка Шрёдингера» [2] парадокс Шрёдингера вывернут наизнанку: организация под названием «Лига Обратимого Времени» ведёт за находящейся в ящике живой кошкой ни на мгновение не прерывающееся (на протяжении 50 лет) наблюдение, полагая, что пока наблюдение ведётся — состояние, в котором пребывает кошка, не должно измениться.
• В ролевой системе «Эра Водолея» некий студент провёл опыт Шрёдингера. В ходе эксперимента кот пропал из ящика, научился ходить в эфире, уклоняться от пуль (поскольку его положение в пространстве подчиняется принципу неопределенности Гейзенберга), срывать ритуалы и виртуозно воровать бутерброды с колбасой.
• В американском сериале «Место преступления: Лас-Вегас» (CSI: Las Vegas) в 15-й серии восьмого сезона «Теория всего» (The Theory of Everything) криминалисты обнаруживают могилу кота Шрёдингера во дворе дома, где найдены трупы его престарелых хозяев.
• Герой книги Дугласа Адамса «Детективное агентство Дирка Джентли» («Dirk Gently’s Holistic Detective Agency», 1987 г. использует кошку Шрёдингера как пример для объяснения термина «холистический» в названии агентства.

• Упоминание о коте Шрёдингера также присутствует в 17 эпизоде первого сезона сериала «Теория большого взрыва» («The Big Bang Theory»), где один из главных героев Шелдон Купер на базе «кот одновременно и жив, и мёртв» даёт совет своей соседке Пенни, которая боится идти на свидание с другим героем сериала — Леонардом.

— Для того, чтобы узнать, жив кот или мёртв, надо открыть коробку.

Имеется в виду, что чтобы понять, нужны ли ей эти отношения, надо сначала попробовать их начать.

• Кот Шрёдингера также упоминается в телесериале «Вспомни, что будет».
• Кот Шрёдингера также упоминается в восьмой серии телесериала «Притяжению вопреки» («Love, Honor, Obey» (Любовь, честь, повиновение)).
• Кот Шрёдингера упоминается в 10 серии аниме To Aru Majutsu no Index.

-«Черного кота будут звать Гав», — заявляет МИСАКА.
— «Кот, но Гав… Ха-ха…»
— Нет, давай серьёзно… давай назовём как-то более величественно…
— “Тогда «Токугава Иэясу», — меняет решение МИСАКА.
— Это слишком величественно, не находишь?!
— Тогда «Шредингер».
— Это имя табу для кошек.

• Кот Шрёдингера упоминается в 8 серии аниме «Научный рейлган»
• Кот Шрёдингера упоминается в 12 серии третьего сезона аниме «Прощай, унылый учитель», где обыгрывается: некий предмет лежит в коробке и пока коробка не открыта, предмет в ней может находиться в любом состоянии, например:

— А это? — Это шрёдингеров обед: пока мы не открыли коробку, есть вероятность, что содержимое всё еще съедобно и вероятность, что там уже зародились новые формы жизни!

— А, депутат… — Шрёдингерова урна для голосования. Пока её не открыли, остаётся вероятность, что я всё ещё занимаю свой пост.

• Кот Шрёдингера упоминается в фильме братьев Коэнов «Серьёзный человек».
• Кот Шрёдингера упоминается в аниме «Когда плачут чайки» в качестве подтверждения теории о существовании двух истин одновременно.
• В 5-й серии аниме Сигофуми: Письма с того света письма должны доставить коту по имени Шрёдингер
• Кот Шредингера встречается в игре BioShock 2. Если разморозить «плазмидом» замерзшую воду, то можно найти в ней кота по имени «Шредингер», который, судя по его виду, то ли замерз насмерть, то ли просто находится в криогенном состоянии.(Видео) 27:55-28:09
• Кот Шрёдингера упоминается в фильме «Потрошители».
• Кот Шрёдингера упоминается также в книге Эрленда Лу «Допплер».
• В испанском мистическом триллере «Детская комната» (Películas para no dormir: La habitación del niño) главный герой, столкнувшись с параллельной реальностью, отправляется к специалисту по паранормальным явлениям, который рассказывает ему об эксперименте с котом Шрёдингера.
• В манге «Первый отряд», для объяснения действия специального аппарата, для перемещения в мир мертвых.
• Эпизод, с попыткой использования на практическом опыте с реальным животным этого эксперимента, присутствует в игре «Возвращение квантового кота», созданная для игровой платформы INSTEAD.

Фредерик Пол написал научно-фантастический роман «Нашествие Квантовых Котов» [3] («The Coming of the Quantum Cats», 1986 г. сюжет которого построен на идее взаимодействия «соседних» Вселенных, в том числе политического и оккупационного.

Повесть «Карантин» Грега Игана также основана на интерпретации множественности миров, коллапса волновой функции и иллюстрирует квантовый компьютинг.

Хотя Шрёдингер в «Erwin Schrödinger, Naturwissenschaften, 48, 807; 49, 823; 50, 844, November 1935.» упоминает кошку, прообразом для неё послужил реально живший у Шрёдингера кот Тибблс. Шрёдингер намеренно изменил пол подопытного зверя, чтобы не пугать усатого и когтистого любимца семьи.

Чума Шредингера (Бир)

Микропересказ : Учёный-психопат устраивает смертельный эксперимент над собой и своими коллегами. Их охватывает страх и паранойя.

Служебная переписка [ ред. ]

Переписываются двое учёных, Дейтрих и Кранц. Они обеспокоены, что дневник учёного Ричарда Ламберта ходит по рукам в научном сообществе, а в нём отражены совершенно невероятные вещи: заражения, эпидемия, убийства и самоубийства. Учёные договариваются изучить записи и потом передать дневник полиции или адвокатам Ламберта.

Дневник Ламберта [ ред. ]

15.04.1981 г. [ ред. ]

Ламберт, университетский преподаватель, сотрудник научного института, пишет, что «Марти организовал неформальное совещание Гидроксиловых радикалов (группа учёных). Присутствовали физики: Мартин Гоа, Фредерик Ньюмен, Кай Паркс, биологи: Оскар Бернард и социолог Томас Фош». Автор дневника замечает, что биолог Бернард расстроен.

14.05.1981 г. [ ред. ]

При следующей встрече Марти сообщает, что уничтожил результаты одного из экспериментов и уволился из института. Для коллег это новость, они просят его разъяснить, что происходит. Марти просит Фредерика рассказать, что такое «кошка Шредингера». Тот объясняет, что это такой эксперимент, результат которого становится понятен только опытным путём, причем, желательно личным участием в опыте.

Об исходе некоего квантового события, речь идёт о микрокосмическом уровне, можно говорить лишь после того, как он зафиксирован наблюдателем. То есть исход не определён, пока не выполнены замеры.

Марти сообщает, что провёл эксперимент на себе и на них, своих коллегах, чтобы подтвердить или опровергнуть научные принципы. Он говорит, что украл ампулу с экспериментальным риновирусом ЭРВ-74 у биолога Оскара, который исследовал его по заказу правительства. Биолог ужасается этому факту и подтверждает опасность вируса — «для заражённых смерть наступает в девяносто восьми случаях из ста. Он передается как контактным, так и воздушно-капельным путём».

Далее Марти признаётся, что месяц назад заразил этим вирусом себя и своих коллег ради научного эксперимента. Сразу после этого он уничтожил оборудование, которое использовал. Теперь результаты станут известны почти через год, когда закончится инкубационный период. А так как учёные много путешествовали по всему миру, то, возможно, заражено уже всё человечество.

Друзья знают, что Марти психически нестабилен и наблюдался у психотерапевта. Тот так объясняет причины своего ужасного деяния: «Если человечество, объясняя сущность Вселенной, не может предложить ничего другого, кроме этой, выводящей из себя теории (невозможность точно определить заражение), у нас не может быть иного желания, кроме желания жить или умереть, согласно её постулатам».

Учёные приходят к выводу, что неизвестно, точно ли произошло заражение. Коллеги обвиняют Марти в жестокости, ипохондрик Паркс набрасывается на него с кулаками.

17.05.1981 г. [ ред. ]

Учёные собираются без Мартина Гоа и обдумывают, как им прожить этот год. Физики разъясняют остальным квантовую теорию. В последние дни все очень подавлены, «полностью убеждены, что атомное ядро Мартина находится, или находилось, в неопределённом состоянии, а цепь событий, ведущая к потенциальному распространению риновируса, ещё не зафиксирована. То есть вопрос жизни и смерти рода человеческого остаётся открытым».

Физик Фредерик делает друзьям невероятное предложение, чем пугает Ламберта.

23.05.1981 г. [ ред. ]

Предложение Фредерика состоит в следующем: они все должны покончить жизнь самоубийством и уничтожить оставшиеся материалы о риновирусе, чтобы никто из них не смог «зафиксировать событие, закрепить существующее положение вещей», следуя теории Шредингера.

30.05.1981 г. [ ред. ]

Ламберт фиксирует в дневнике всё напряжение последних дней. Ему звонит Фредерик и сообщает, что они убили Мартина, уничтожили лабораторию и направляются к нему, чтоб покончить с ним и его дневником. У героя есть несколько минут, чтоб бросить дневник в университетский почтовый ящик. Он понимает, что ему не спастись.

На этом записи в дневнике обрываются.

Дейтрих и Кранц в ужасе от прочитанного. Они пытаются выяснить, что же произошло в мае 1981 года. Информации очень мало, документация по опытам Бернарда пропала, в университете проводится проверка спецслужбами. Учёные опасаются, что, судя по дневнику, они тоже заражены. Дейтрих и Кранц боятся всеобщей паники, а сами понемногу впадают в паранойю.

Грег Бир «Чума Шрёдингера»

«Кошка Шрёдингера» — знаменитый мысленный эксперимент из квантовой физики. Напомним — суть в том, что об исходе некоего события можно говорить лишь после того, как оно зафиксировано наблюдателем. В данном случае, кошка, помещённая в закрытый ящик со смертельной ампулой, — и жива и мертва одновременно, пока ящик не вскрыл наблюдатель. Знаменитый физик Мартин Гоа решил несколько изменить этот эксперимент, чтобы раз и навсегда доказать его состоятельность. Или ошибочность. А что если, вместо кошки использовать себя, да ещё и в качестве как раз наблюдателя.

«Analog Science Fiction», март 1982

Номинации на премии:

номинант

AnLab / AnLab award (Analog), 1983 // Рассказ

Похожие произведения:

Самиздат и фэнзины:

Издания на иностранных языках:

vam-1970, 27 декабря 2020 г.

Кот Шрёдингера — мысленный эксперимент, предложенный австрийским физиком-теоретиком, одним из создателей квантовой механики, Эрвином Шрёдингером. Автор эксперимента хотел показать неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим.

Грег Бир же сделал иронию вместе с юмором, обыграв эту теорию. Мне она и ранее казалась как бред ученых. Несогласие с ней -это невозможность решать теории микрокосма , ведя отсчет с макрокосма .Представьте , что наше Солнце это квант или даже кварк, находится во вселенной микрокосмоса, её движение может быть определено с учетом гравитации ? Может, вполне определенно, но точка отсчета должна находится в этой же вселенной.

Бир поиздевался над учеными да еще и подначил их — если некоторые уж слишком безответственны и тупы как личности, то надо проводить эксперимент над всем населением планеты. Перебрал, скажете? Нет, яркий пример -академик Сахаров с его водородной бомбой. Благо опомнился к концу жизни.

bakunian, 17 мая 2016 г.

Однажды Лем заметил, что нельзя точно познать Вселенную, поскольку сам экспериментатор-измеритель находится в ней самой и влияет на Вселенную, вызывая погрешность в эксперименте. Бир пошел дальше — погрузил экспериментатора не просто в пространство, а в неопределенность.

god54, 27 августа 2009 г.

Казалось бы чисто «техническая» фантастика. Есть идея и есть способ её проверки.

Но тем и хороша фантастика, что она позволяет через фантастический приём показать сущность человека. Если уж ставить эксперимент, так над всем человечеством, даже если ты не будешь знать результат. Абсолютно в духе современных учёных. А каково подопытному кролику.

mindCreatOr, 6 июля 2007 г.

Бир пишет действительно твердую-НФ, в которой часть «Н» играет очень большую роль. За что я его очень люблю.

Рассказ замечательный, причем весьма реалистичный (в том плане, что на людях очень просто проводить подобные эксперименты, причем они об этом знать не будут) . Ждем рассказа про демона Максвелла или мышь Эйнштейна=)

Pupsjara, 26 июля 2007 г.

Жаль, что Марти, который затеял этот эксперимент, так и не узнает о результатах. На месте людей, которые читали этот дневник, надо было сразу же начать на всякий случай разрабатывать противоядие, благо время у них пока еще есть.

Чума шредингера что это

Карлу Кранцу от Вернера Дейтриха:

Не знаю, что и делать с дневником Ламберта. Хотя нам практически ничего не известно об этой истории, я считаю, что мы должны передать дневник полиции. Записи напрямую связаны с убийствами и самоубийствами, в них есть намеки на уничтожение лаборатории. Меня не устраивает читка журнала в твоем кабинете: мне нужна своя копия. Как ты думаешь, многие ознакомились с дневником до тебя?”

Дейтриху от Кранца:

Я думаю, что он ходит по рукам никак не меньше месяца. Началось это за день-два до известных событий. Копии тех записей, что имеют отношение к вышеуказанным событиям, прилагаю. Остальное, как мне кажется, личное. Я бы хотел вернуть дневник адвокатам, ведающим наследством Ричарда. А уж те ознакомят с ним полицию. Но у меня есть причины оставить дневник у нас. По крайней мере на какое-то время. Внимательно изучи эти материалы. Если заметишь что-то совершенно невероятное с точки зрения физика, скажи мне. Если нет, придется крепко подумать.

P.S. Я как раз заверяю перечень оборудования, уничтоженного в лаборатории Бернарда. Тут много чего непонятного. Несомненно одно Бернард работал по договорам с правительством, вероятно, без ведома руководства университета. И как мог Гоа иметь доступ к этим материалам? Там же все засекречено”.

Приложение: пять страниц.

“15 апреля 1981 г.

Странный выдался денек. Марти организовал неформальное совещание Гидроксиловых радикалов. Присутствовали физики: Мартин Гоа, собственной персоной, Фредерик Ньюмен, новый сотрудник Кай Паркс, биологи, Оскар Бернард и ваш покорный слуга, социолог Томас Фош. Встретились мы у кафетерия, Марти отвел нас в лабораторный корпус, рассказал нам о проводимом эксперименте. Потом мы вернулись в кафетерий. Не пойму, с чего он решил потратить на прогулку наше время. Бернард немного расстроен. Причина или причины мне неизвестны.

Радикалы совещались вновь, за ленчем. Такой абсурдной галиматьи я в жизни не слышал. Как всегда, верховодил Марти. Здесь важны детали.

– Господа, – начал Марти после того, как мы все поели. Сидели мы в отдельном зале. – Я только что уничтожил результаты важного эксперимента. И ушел в отставку с занимаемой должности. В течение месяца я должен вывезти из кампуса все мои бумаги и документы.

– На то есть причины. Я собираюсь их изложить.

– Что все это значит, Марти? – раздраженно воскликнул Фредерик. Никто из нас не одобрял театральных жестов.

– Я переправляю деньги налогоплательщиков поближе к нашему рту. Нашему коллективному научному рту. Фредерик, ты поможешь мне все объяснить. Мы все знаем, что Фредерик – один из лучших наших физиков. У него и гранты, и статьи в специализированных журналах. Мне до него не дотянуться. Фредерик, какая теория считается наиболее общепризнанной среди физиков?

– Специальная теория относительности, – без запинки ответил Фредерик.

– А следом за ней?

– А теперь скажи нам, что такое кошка Шредингера.

Фредерик оглядел сидящих за столом, похоже, ожидая подвоха, потом пожал плечами. Об исходе некоего квантового события, речь идет о микрокосмическом уровне, можно говорить лишь после того, как он зафиксирован наблюдателем. То есть исход не определен, пока не выполнены замеры. А значит, возможны варианты. Шредингер попытался связать квантовые события с событиями на макроуровне. Он предложил посадить кошку в закрытый ящик с устройством, которое может регистрировать распад одного нестабильного атомного ядра. Допустим, вероятность полураспада атомного ядра за определенный промежуток времени равна 0,5. При распаде ядра сработает устройство, молоток разобьет ампулу с цианидом, ядовитый газ попадет в ящик и убьет кошку. Ученый, проводящий эксперимент, может узнать, произошел ли процесс распада ядра или нет, только одним способом: открыв ящик. Поскольку окончательное состояние нестабильного атомного ядра невозможно определить без замеров, а замер в данном случае – открытие ящика с последующим определением, жива кошка или мертва, Шредингер предположил, что кошка может зависнуть в неопределенности, не живая и не мертвая, а где-то посередине. И судьба ее останется невыясненной, пока квалифицированный наблюдатель не откроет ящик.

– Не пояснишь ли теперь, как и о чем могут сказать результаты этого мысленного эксперимента? – Марти в этот момент сам напоминал кошку, ту самую, которая только что слопала канарейку.

– Если исключить вариант, когда кошка – квалифицированный наблюдатель, то до открытия ящика нет никакой возможности определить, жива кошка или мертва.

– Как же так? – спросил Фош, социолог. – Я хочу сказать, совершенно очевидно, что кошка может быть или живой, или мертвой.

– Вроде бы вы и правы. – Фредерик оживился. – Но мы связали квантовое событие с макрообъектом, а квантовые события – штука хитрая. Накопленный экспериментальный опыт показывает, что квантовые события не определены до момента регистрации и на самом деле они неустойчивы, взаимодействуют между собой, при этом возможно несколько исходов, пока физик не переводит это взаимодействие в финальную стадию посредством наблюдения за событиями. И измерением того, что он зафиксировал.

– Получается, что в физических экспериментах разум приобретает огромную важность?

– Совершенно верно, – кивнул Фредерик. – Современная физика требует невероятных затрат психической энергии.

– Все это не более чем теория, не так ли? – спросил я. Дискуссия мне порядком наскучила.

– Отнюдь, – покачал головой Фредерик. – Она подтверждена экспериментом.

– Разве не может машина. или кошка. провести эти измерения? спросил Оскар, мой коллега-биолог.

– Это зависит от того, полагаете вы кошку разумной или нет. А машина. нет, потому что ее показания остаются неопределенными до тех пор, пока на них не взглянет физик.

– Попросту говоря, – вмешался юный Паркс, – мы заменяем кошкой приятеля Уингера. Уингер – физик, который предложил посадить в ящик человека. Приятель Уингера достаточно разумен, чтобы определить, жив он или мертв, и способен правильно истолковать падение молотка на ампулу с цианидом, означающее распад атомного ядра.

– Прекрасно, – воскликнул Гоа. – Значит, эта байка полностью характеризует научный подход тех, кто развивает одно из самых перспективных направлений физики.

– С некоторыми уточнениями, – вставил Фредерик.

– Разумеется, я как раз собирался внести еще одно. То, что я сейчас вам скажу, вы, возможно, воспримите как шутку. Напрасно. Я не шучу. Я занимаюсь квантовой механикой уже двадцать лет, и меня всегда мучили сомнения: а так ли справедливы фундаментальные положения науки, которая кормила и одевала меня. Эта двойственность очень мне мешала. Вызывала бессонницу, нервные срывы, я даже обращался к психоаналитику. Не помогали и те “уточнения”, о которых упомянул Фредерик. В итоге я решил воспользоваться моим авторитетом и связями. Начал эксперимент. И задействовал в нем всех нас, включая себя. И многих, многих других, которые тоже могут считаться разумными наблюдателями.

Оскар улыбнулся, с трудом сдержав смешок.

– Марти, ты, должно быть, спятил.

– Неужели? Неужели я спятил, мой дорогой Оскар? Я ведь ставил под сомнение научные принципы, тогда как ты попирал принципы моральные.

– Что? – Оскар нахмурился.

– Ты, наверное, пытался найти ампулу с биркой ЭРВ-74.

– Потому что я украл эту ампулу, пока знакомился с твоей лабораторией. И скопировал некоторые из твоих записей. Чего ты так задергался? Ты же среди друзей, Оскар. Расскажи нам о ЭРВ-74. Расскажи сам, или расскажу я.

Грег Бир: Чума Шредингера

Выбрав категорию по душе Вы сможете найти действительно стоящие книги и насладиться погружением в мир воображения, прочувствовать переживания героев или узнать для себя что-то новое, совершить внутреннее открытие. Подробная информация для ознакомления по текущему запросу представлена ниже:

Чума Шредингера: краткое содержание, описание и аннотация

Предлагаем к чтению аннотацию, описание, краткое содержание или предисловие (зависит от того, что написал сам автор книги «Чума Шредингера»). Если вы не нашли необходимую информацию о книге — напишите в комментариях, мы постараемся отыскать её.

Грег Бир: другие книги автора

Кто написал Чума Шредингера? Узнайте фамилию, как зовут автора книги и список всех его произведений по сериям.

В течение 24 часов мы закроем доступ к нелегально размещенному контенту.

Чума Шредингера — читать онлайн бесплатно полную книгу (весь текст) целиком

Ниже представлен текст книги, разбитый по страницам. Система сохранения места последней прочитанной страницы, позволяет с удобством читать онлайн бесплатно книгу «Чума Шредингера», без необходимости каждый раз заново искать на чём Вы остановились. Поставьте закладку, и сможете в любой момент перейти на страницу, на которой закончили чтение.

Пожалуйста, не занимайтесь самолечением!При симпотмах заболевания – обратитесь к врачу.

Читайте также:

  
• Натоптыши. Удаление натоптышей
  
• Вульвиты и вульвовагиниты у девочек
  
• Могут ли средства на основе парацетамола избавить от ОРВИ › Статьи и новости ›
  
• Какой должна быть диета при псориазе?
  
• Вакцина Пентаксим на страже детского здоровья!

Может ли кот быть живым и мёртвым одновременно? | Мир вокруг нас

Квантовые частицы ведут себя так, будто они находятся в нескольких местах одновременно. А ведь и яблоко, и кот, и все остальные макроскопические тела состоят из квантовых частиц. Это один из ярких парадоксов наиболее точной современной теории — квантовой механики.

Квантовая механика великолепно объясняла те явления, которые происходят на уровне элементарных частиц, но при этом была неэффективна в отношении описания систем макроскопического масштаба, в которых хорошо действовала классическая механика. В свою очередь, классическая механика не могла адекватно объяснить то, что наблюдается в мире атомов, адронов, электронов и протонов. Теоретическая физика разделилась на два пласта, которые никак не желали согласовываться между собой.

Теория, которую трудно представить

В истории науки часто бывает так, что математический аппарат теории разрабатывается раньше, чем приходит понимание его физического смысла. Так произошло и на этот раз. Несмотря на изящность математических конструкций квантовой механики, возникла острая необходимость в её интерпретации с точки зрения реальности и даже философии. Проще говоря, требовалось сделать так, чтобы квантовый мир можно было не только просчитать и расписать в формулах, но ещё и вообразить.

А это, надо сказать, весьма трудное занятие. Взять хотя бы фундаментальное положение квантовой физики — принцип неопределённости Гейзенберга. Он гласит, что чем максимально точнее будет измерена скорость квантовой частицы, тем труднее будет предсказать её местоположение, и наоборот. Если бы этот принцип наблюдался в повседневной жизни, то получилось бы весьма необычная ситуация. Допустим, имеется правонарушитель на автомобиле. Этот горе-гонщик может ничего не бояться и на полной скорости ехать туда, куда ему вздумается — ведь стоит только зафиксировать скорость машины радаром, как её положение тут же станет неопределённым. И наоборот, если сфотографировать автомобиль, то есть установить его местоположение, то проявится ужасная погрешность, которая помешает вычислить скорость. Такие вот курьёзы.

Элементарные частицы в квантовой механике не имеют скоростей и координат, к которым мы так привыкли. Вместо них есть волновая функция, описывающая так называемое чистое состояние системы и определяющая вероятности характеристик частицы. При этом сам квантовый объект не расположен в каком-то конкретном месте и не перемещается туда-сюда. Он будто размазан в пространстве и находится сразу везде и во всех возможных состояниях одновременно. Это называется суперпозицией. При взаимодействии таких частиц образуются «запутанные» состояния с единой системой и общей волновой функцией.

Перед физиками стал ряд вопросов: что представляют собой квантовые частицы в реальности? Что будет с волновой функцией при регистрации квантов в определённой точке? И самое главное, какую роль во всём этом играет наблюдатель?

Копенгагенская интерпретация

В 1927 году в Копенгагене совместными усилиями Нильса Бора и Вернера Гейзенберга было сформулировано толкование квантовой теории. В частности, оно касалось таких важнейших вопросов, как корпускулярно-волновой дуализм и, особенно, измерение (наблюдение).

Согласно копенгагенской интерпретации, волновая функция содержит абсолютно все данные о состоянии квантовых объектов. Однако она описывает не сами по себе элементарные частицы, а их свойства, проявляющиеся на макроуровне. Внутри частиц нет скрытых характеристик, которые определяют, когда им распадаться или где появляться при регистрации. На волновую функцию влияют лишь такие процессы, как унитарное преобразование (исходит из уравнения Шрёдингера) и процесс наблюдения.

Краеугольным камнем копенгагенской интерпретации является именно процесс квантового измерения. Когда экспериментатор наблюдает частицу в конкретном месте, то вероятность её нахождения в стороне — практически нулевая. То есть волновая функция молниеносно концентрируется в весьма маленькой области. Это событие называют коллапсом волновой функции.

В качестве наглядного примера коллапса можно привести следующий простой эксперимент. Допустим, у нас есть посеребренная стеклянная пластина, отражающая и пропускающая ровно половину исходного светового потока, который на неё падает. Пусть на эту пластину падает всего лишь один фотон. Его волновая функция разделится на отраженную и пройденную волны. Если на этом волновом пути поставить два фотодатчика, то активизируется только один из них, ибо фотон окажется либо слева, либо справа от посеребренной пластинки, то есть либо отразится, либо пройдет через неё. Вероятность такой регистрации — 50%, и это совершенно случайный процесс.

К сожалению, даже копенгагенская интерпретация не даёт ответа на вопрос, что же такое волновая функция — реальная сущность или математический инструмент для просчета вероятностей? Но все же данная интерпретация снискала наибольшую популярность у физиков, и её монополия длилась достаточно долго. Да и сейчас её поддерживают большинство учёных. Как бы там ни было, Нильс Бор считал, что главное — просчитать и предсказать результаты, а остальное — размышления — относится уже не к науке, а к философии.

Кот Шрёдингера

Недостатки квантовой механики по отношению к макромиру очень беспокоили Эрвина Шрёдингера, одного из создателей этой теории. Для того чтобы продемонстрировать её неполноту, он придумал мысленный эксперимент. Если попытаться объяснить простыми словами суть эксперимента, то получится следующее.

В стальной камере заперт кот. Камера содержит механизм со счётчиком Гейгера, в котором есть радиоактивное вещество. Его количество настолько мизерное, что за один час может распасться только один атом, но с такой же вероятностью может и не распасться. Если ядро распадётся, то считывающий детектор передаст сигнал на реле, активирующее молот, который ударяет по колбе с синильной кислотой. Следовательно, при распаде ядра кот погибнет, а если распада не будет, то он останется жив-здоров.

Квантовая механика показывает, что если над атомным ядром (а соответственно, и над котом) не производится наблюдение, то оно пребывает в суперпозиции. Устранить эту неопределённость может только наблюдение. Но до того как наблюдатель откроет камеру, система «кот-радиоактивный элемент» находится в «размазанном» состоянии с одинаковой вероятностью 50%. Получается, что кот и жив, и мёртв одновременно. Разумеется, в действительности такого не может быть, ибо нет промежуточного состояния между жизнью и смертью, а значит, квантовая механика имеет изъян.

Копенгагенская интерпретация «выкручивается» из этого парадокса таким образом: если наложить макроскопическую волновую функцию на квантовое состояние, то суперпозиция разрушается и экспериментатор увидит либо живого, либо мёртвого кота. Выбор состояния распада ядра (и состояния животного) происходит не в момент открытия камеры, а именно тогда, когда ядро попадает в детектор.

Критикуя квантовую механику, великий Альберт Эйнштейн как-то сказал: «Бог не играет в кости». Нильс Бор ему отвечал: «Эйнштейн, не указывайте Богу, что делать». Споры на этот счёт продолжаются. Для простого обывателя квантовая теория пусть и удачная, но невообразимая. Как бы там ни было, на сегодняшний день в физике нет другой концепции, которая могла бы описать удивительный мир элементарных частиц более точно. Не правда ли?

Теги: исследования, физика, наука, кот Шредингера

О 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:

1. 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.
2. 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 ,
тогда систему можно приготовить и в суперпозиционном состоянии где . В этом состоянии при измерении наблюдаемой s значение будет наблюдаться с вероятностью . Говорят, по-другому, что значение будет наблюдаться с амплитудой .

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. Интерференция состояний — вот что отличает квантовую механику от классической. Интерференцию не всегда можно наблюдать. Ведь визуальная картина интерференции может меняться так быстро, что визуализирующий прибор с большим временем реакции отобразит усредненную картину, смазывающую или вообще ликвидирующую эффект интерференции. Но это уже дело техники. А вот при отсутствии суперпозиции никакая техника не обнаружит 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. А для физики это просто суперпозиция плоских волн с различными импульсами.

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, но я 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

Обратимся к Фейнману. Он рассматривает эксперимент по рассеянию нейтронов на кристалле.

Я резюмирую текст Фейнмана так.

После рассеяния нейтронов на кристалле на выходе есть две системы нейтронов:

1. Упруго рассеянные нейтроны
2. 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. Более того, обнаружен эффект безумный с точки зрения здравого смысла. Если во втором пучке нейтроны имеют спин, повернутый на 360 градусов по сравнению со спином первого пучка, то наблюдается максимальная интерференция. Это не лезет ни в какие ворота. Поворот на 360 градусов не привел к первоначальному состоянию. Объяснить это невозможно. Однако с формальной точки зрения здесь все понятно. Нейтрон описывается спинором, а не скаляром как скалярный мезон, или вектором как фотон. Квантовая механика допускает амплитуды, описываемые спинорами — величинами, совпадающие с собой только при двойном обороте — повороте на 720 градусов. А поворот на один оборот может сопровождаться умножением амплитуды на комплексное число с модулем 1. Физика спинора при этом не изменится – средние не изменятся. Но при наложении пучков возможны эффекты интерференции. Отсюда и происходит указанный интерференционный эффект.

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.

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

1. Нейтрон с перевернутым спином и не перевернутым при рассеянии нейтронов на кристалле не суперпозируют
2. 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.
3. Протон и электрон не могут суперпозировать
4. 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.

Квантовая психология. Часть IV. Кот Шрёдингера и Мышь Эйнштейна. Глава XXI. Друг Вигнера, или Детективная история – Гуманитарный портал

Другой Нобелевский лауреат, доктор Юджин Вигнер, привнёс новый, более сложный поворот в проблему Кота Шрёдингера, получив при этом выводы, одновременно и схожие с созданной наблюдателем антропной вселенной Уилера, и поразительно отличающиеся от неё. Пожалуйста, не забывайте, что мы всегда имеем дело с вероятностями, а не определённостями, поэтому не стоит так волноваться, когда мы достигаем очередного поворота извилистой желтой кирпичной дороги квантовой психологии. В первичной постановке проблемы Кота мы имели физика в лаборатории, коробку, кота внутри коробки, шарик, наполненный ядовитым газом, и некоторый процесс радиоактивного распада, который рано или поздно приведёт к взрыву шарика и смерти кота. Мы обнаружили, что, пока коробка закрыта, уравнения, описывающие квантовый распад, имеют решение, в котором утверждения «кот мертв» и «кот ещё жив» являются в равной мере «истинными», или в равной мере «ложными», или, наконец, имеют вероятность 50 процентов. Пользуясь логикой фон Неймана, мы могли бы сказать, что оба утверждения находятся в состоянии «может быть», как монетка, подброшенная в воздух. Когда мы открываем коробку, мы обнаруживаем либо живого, либо мёртвого кота, и «может быть» исчезает, как и в случае с монеткой, которая приземляется орлом или решкой вверх. Таким образом, мы разрушили вектор состояния, открыв коробку. Отлично, но давайте теперь взглянем на ситуацию глазами другого физика, находящегося за пределами лаборатории. Вигнер назвал второго наблюдателя Другом физика из лаборатории, поэтому новая проблема получила название Парадокс Друга Вигнера. По прошествии десяти минут, как и в нашем первоначальном примере, физик в лаборатории, Эрнест, открывает коробку и обнаруживает, что кот жив. (Мне больше нравится счастливый исход.) Для Эрнеста, таким образом, вектор состояния «разрушился». Вероятности теперь описываются не как «на 50 процентов живой и на 50 процентов мёртвый», а как «на 100 процентов живой и на 0 процентов мёртвый». Однако Юджин — Друг, находящийся в коридоре, — ещё об этом не знает. С его точки зрения, Эрнест в лаборатории находится, как и вся экспериментальная система, в состоянии «может быть». На более конкретном уровне, Эрнест состоит из молекул, которые состоят из атомов, которые состоят из «частиц» и (или) «волн», которые подчиняются квантовым законам, поэтому ему будет соответствовать некий вектор состояния… пока он не откроет дверь лаборатории, не просунет в неё голову и не объявит: «Тэбби ещё не умер». Тогда для Юджина вектор состояния будет разрушен сообщением о результате. Безусловно, все мы состоим из молекул, которые состоят из атомов, которые состоят из «частиц» и (или) «волн», и все мы пребываем в различных состояниях «может быть», пока не сделаем выбор в экзистенциальном смысле. В промежутках между выборами мы, очевидно, возвращаемся в состояние «может быть». «Существование предшествует сущности», помните? Итак, с точки зрения Юджина в коридоре, мы все содержим квантовую неопределённость. Только когда Юджин непосредственно нас наблюдает, эта квантовая неопределённость «коллапсирует», превращаясь в определённое «он это сделал» или «он этого не делал». На другом берегу океана другой физик, Элизабет, нетерпеливо ждёт результата этого смертоносного эксперимента. С её точки зрения, вектор состояния не коллапсирует, когда Эрнест сообщает Юджину: «Кот жив». В мире Элизабет вектор состояния коллапсирует, только когда Юджин бежит к телефону, факсу, компьютеру или чему-либо ещё и передаёт сигнал: «На этот раз кот жив». Для Элизабет вектор состояния коллапсирует с приходом этого сигнала. Таким образом, в её вселенной именно этот сигнал разрушает вектор состояния. Четвёртый физик, Робин, беспокойно ждёт вестей от Элизабет… и в мире Робина вектор состояния все ещё не коллапсировал… И так далее… для любого числа наблюдателей. Кажется, мы вернулись к фоннеймановской катастрофе бесконечного регресса, только в другой форме. Некоторые попытаются избежать очевидных следствий при помощи заявления, что вектор состояния существует только как математическая формула в головах людей, причём не всех, а только физиков. В этом случае проблема Друга Вигнера не имеет такого радикального значения, как открытая Эйнштейном относительность показаний приборов. Ведь относительность здесь (того, когда вектор состояния коллапсирует) существует лишь в наших понятиях, тогда как эйнштейновская относительность существует в показаниях измерителей. Это возражение игнорирует фундаментальное открытие квантовой механики, добрую дюжину формулировок которого я уже привёл ранее в этой книге, но которое до сих пор остаётся настолько «чуждым» аристотелевской культуре, что мы постоянно о нём забываем. Данное открытие заключается в следующем: Мы не можем делать осмысленных утверждений о некотором предполагаемом «реальном мире» или некоторой «глубокой реальности», лежащей в основе «этого мира», или некоторой «истинной реальности», и так далее, не учитывая самих себя, наших нервных систем и других инструментов. Любое утверждение, которое мы делаем относительно подобной «глубокой» реальности, существующей отдельно от нас, никогда не может стать объектом доказательства или опровержения и поэтому «не имеет смысла» (является «шумом»). Любое бессмысленное научное, экзистенциальное или феноменологическое утверждение сообщает о том, каким образом наши нервные системы или другие инструменты восприняли то или иное событие (события) в пространстве-времени. Читатель уже познакомился с несколькими вариациями этой идеи и выполнил упражнения, помогающие (как я надеюсь) прояснить её экспериментально. Тем не менее аргумент Вигнера некоторым из вас, вероятно, все ещё кажется немного «странным». Но ведь он касается только вероятностей, как я уже отметил в начале этой главы, и 1) не описывает «глубокую» реальность, отдельную от нас, а также 2) не описывает тип «реальности», который мы воспринимаем посредством нашей нервной системы и других инструментов, поэтому аргумент Вигнера можно расценивать как имеющее смысл научное высказывание. Попробуем в обратном порядке. Вердикт «здравого смысла» гласил бы: «Чертов кот либо жив, либо мёртв, даже если никто и никогда не откроет коробку». Так как, по определению, это утверждение невозможно проверить, оно бессмысленно. Как только мы начинаем его проверять и кто-либо заглядывает в коробку, «здравый смысл» и аристотелевская «реальность» исчезают и появляется операциональная неаристотелевская «реальность». Короче говоря, как только имеет место проверка, мы вступаем в область науки, экзистенциализма и высказываний, имеющих смысл. Без проверки мы остаёмся в области шума — «много слов и страсти, нет лишь смысла», как сказал Бард 41. Утверждение «кот является или живым, или мёртвым, даже если никто не смотрит», если подумать, сверхъестественным образом напоминает другое известное «идентификационное» утверждение — «хлеб является телом Иисуса, даже если любой прибор показывает, что это просто хлеб». Подобные не-инструментальные, не-экзистенциональные «истины» хороши в сюрреалистической живописи или поэзии — они могут стимулировать творчество, воображение и так далее, — однако они не содержат информации или смысла ни в каком феноменологическом контексте. Но до сих пор остаётся неопределённым понятие «мы». Если определить «нас» как людей в лаборатории, тогда имеющая смысл речь начинается с открытием коробки. Если определить «нас» как людей, толкущихся в коридоре вместе с Другом Вигнера, имеющая смысл речь начинается, когда Эрнест открывает дверь лаборатории и сообщает: «Кот жив». Если определить «мы» как физиков, находящихся за океаном, имеющая смысл речь начинается с приходом к ним электронного сигнала… Знаю, знаю: всё это звучит слишком странно… Именно поэтому Эйнштейн напоминал нам: «Здравый смысл говорит нам о том, что Земля плоская». Заметьте, пожалуйста, что, хотя утверждение «кот либо жив, либо мёртв, даже если никто не смотрит» можно отнести к категории бессмысленных, утверждения «кот мертв» и «кот жив» в неё не попадают. Они относятся к категории неопределённых. Помните разницу между неопределённостью и бессмыслицей? Таким образом, утверждение «Кто-то положил под стол бомбу с часовым механизмом» не является бессмысленным, даже если никто и не заглядывал под стол. Весьма велики шансы, что кто-нибудь туда заглянет, если произнести это утверждение вслух. Вероятно, заглянул бы каждый… Это утверждение остаётся «неопределённым» в отрезок времени между моментами его произнесения и тщательной проверки под столом. Затем оно становится либо «истинным», либо «ложным». Поняли? Неаристотелевская логика имеет дело с экзистенциально-операциональными вероятностями. Аристотелевская логика имеет дело с определённостями, и, ввиду того что на протяжении всей нашей жизни этих определённостей нам не хватает, аристотелевская логика подсознательно программирует нас на выдумывание фиктивных определённостей. Эта погоня за фиктивными определённостями, по моему мнению, лежит в основе большинства идеологий и почти всех религий нашей планеты. Классифицируйте следующие утверждения как истинные, ложные, бессмысленные или просто на данный момент неопределённые. А. Несколько мёртвых инопланетян спрятаны в ангаре на базе ВВС США в Эдвардсе. Б. В этом упражнении содержится тринадцать утверждений. В. Все утверждения в этом упражнении ложны. Г. Хороший полицейский никогда не берет взяток. Д. Функция образования — убивать любопытство, поощрять покорность и готовить безмозглых лентяев для работы в корпорациях. Е. Горбачёв имеет преимущество над всеми остальными членами Политбюро, так как остаётся трезвым, когда все они напиваются. Ж. Утверждение Б ложно. З. Утверждение Ж ложно. И. Бог любит всех, даже серийных убийц, насильников и агентов ЦРУ. К. Все утверждения в некотором смысле истинны, в некотором смысле ложны, в некотором смысле бессмысленны, в некотором смысле истинны и ложны, в некотором смысле истинны и бессмысленны, в некотором смысле ложны и бессмысленны, в некотором смысле ложны, истинны и бессмысленны. Попробуйте прожить один день с таким (вероятно) самоосуществляющимся ожиданием: «Я глуп, непривлекателен и никому не нравлюсь». Попробуйте прожить один день с такой программой: «Я великолепен, привлекателен и всем нравлюсь». Решите, какое из этих двух упражнений понравилось вам больше, и попробуйте прожить с этой программой целый месяц. Понаблюдайте за старыми программами, которые пытаются вернуться, вмешиваясь в упражнение.

Знаменитый кот-физик теперь жив, мертв и находится в двух коробках сразу

Кот физика Эрвина Шредингера, кажется, никак не может передохнуть. Вымышленное животное из семейства кошачьих известно тем, что оно одновременно и живое, и мертвое, пока оно остается спрятанным внутри коробки. Ученые думают о коте Шрёдингера таким образом, чтобы они могли изучать квантовую механику . Это наука об очень малом — и о том, как материя ведет себя и взаимодействует с энергией. Теперь в новом исследовании ученые разделили кота Шредингера на две коробки.

Любители животных могут расслабиться — в экспериментах не участвуют настоящие кошки. Вместо этого физики использовали микроволны, чтобы имитировать квантовое поведение кошки. О новом прогрессе было сообщено 26 мая в Science . Это приближает ученых на один шаг к созданию квантовых компьютеров из микроволн.

Педагоги и родители, подпишитесь на шпаргалку

Еженедельные обновления, которые помогут вам использовать Science News Explores в учебной среде

Спасибо за регистрацию!

При регистрации возникла проблема.

Шредингер придумал своего знаменитого кота в 1935 году. Он сделал его несчастным участником гипотетического эксперимента . Это то, что ученые называют мысленным экспериментом. В нем Шредингер представил кота в закрытом ящике со смертельным ядом. Яд высвободится, если некоторые радиоактивные атомы распадутся . Этот распад происходит естественным образом, когда физически нестабильная форма элемента (такая как уран) теряет 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.

Итак, с квантовой точки зрения, можно предположить, что кошка одновременно мертва и все еще жива. Ученые назвали это двойственное состояние суперпозицией. И кот остается в подвешенном состоянии до тех пор, пока ящик не будет открыт. Только тогда мы узнаем, мурлыкающий ли это котенок или безжизненный труп.

Объяснитель: Понимание света и электромагнитного излучения

Ученые создали настоящую лабораторную версию эксперимента. Они создали коробку — на самом деле две — из сверхпроводящий алюминий. Сверхпроводящий материал — это материал, который не оказывает сопротивления потоку электричества. Место кошки занимают микроволн , тип электромагнитного излучения.

Электрические поля, связанные с микроволнами, могут указывать в двух противоположных направлениях одновременно — точно так же, как кот Шредингера может быть жив и мертв одновременно. Эти состояния известны как «кошачьи состояния». В новом эксперименте физики создали такие кошачьи состояния в двух связанных коробках или полостях. По сути, они разделили микроволновую «кошку» сразу на две «коробки».

Идея поместить одного кота 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. Кошачье состояние находится не только в одном ящике или другом, но растягивается, чтобы занять 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 ящиков связаны, или в квантовых терминах, запутался . То есть, если кот оказался живым в одном ящике, он жив и в другом. Чен сравнивает его с кошкой, у которой два признака жизни: открытый глаз в первом ящике и сердцебиение во втором ящике. Измерения из двух ящиков всегда будут соответствовать статусу кошки. Для микроволн это означает, что электрическое поле всегда будет синхронизировано в обеих полостях.

Ученые превратили микроволны в причудливые квантовые состояния, которые имитируют способность знаменитого кота Шредингера (показанного в этой анимации) быть мертвым и живым одновременно. В новом эксперименте ученые разделили этого призрачного кота на две коробки. Ивонн Гао, Йельский университет

Ученые измерили, насколько близко кошачьи состояния были к идеальному кошачьему состоянию, которое они хотели создать. И измеренные состояния находились в пределах примерно 20 процентов от этого идеального состояния. Исследователи говорят, что примерно этого они и ожидали, учитывая сложность системы.

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 кубита . Кубиты — это основные единицы информации в квантовом компьютере.

Одним из камней преткновения для квантовых компьютеров было то, что в расчеты неизбежно попадали ошибки. Они проскальзывают из-за взаимодействий с внешней средой, которые искажают квантовые свойства кубитов. По словам исследователей, состояния кошки более устойчивы к ошибкам, чем другие типы кубитов. По их словам, их система должна в конечном итоге привести к более отказоустойчивым квантовым компьютерам.

«Я думаю, что они добились действительно больших успехов, — говорит Герхард Кирхмайр. Он работает физиком 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 двухрезонаторной системе очень важна. Поляков — физик из Национального института стандартов и технологий в Гейтерсберге, штат Мэриленд. Следующим шагом, по его словам, «будет продемонстрировать, что этот подход действительно масштабируем». Под этим он имеет в виду, что это все еще будет работать, если они добавят больше полостей в смесь для создания более крупного квантового компьютера.

Силовые слова

Подробнее о сильных словах

(чтобы узнать больше о Power Words, нажмите здесь )

атом     Основная единица химического элемента. Атомы состоят из плотного ядра, содержащего положительно заряженные протоны и нейтрально заряженные нейтроны. Вокруг ядра вращается облако отрицательно заряженных электронов.

электрическое поле    Область вокруг заряженной частицы или объекта, в пределах которой сила может действовать на другие заряженные частицы или объекты.

электромагнитное излучение   Энергия, распространяющаяся в виде волны, включая формы света. Электромагнитное излучение обычно классифицируют по длине волны. Спектр электромагнитного излучения колеблется от радиоволн до гамма-лучей. Он также включает микроволны и видимый свет.

элемент     (в химии) Каждое из более чем ста веществ, для которых наименьшая единица каждого из них – один атом. Примеры включают водород, кислород, углерод, литий и уран.

распад    (в физике) Процесс, при котором радиоактивный изотоп — что означает физически нестабильную форму некоторого элемента — испускает энергию и субатомные частицы. Со временем это отщепление превратит нестабильный элемент в немного другой, но стабильный элемент. Например, уран-238 (который является радиоактивным или нестабильным изотопом) распадается на радий-222 (тоже радиоактивный изотоп), который распадается на радон-222 (тоже радиоактивный), который распадается на полоний-210 (тоже радиоактивный) , который распадается на свинец-206, который стабилен. Дальнейшего распада не происходит. Скорость распада одного изотопа на другой может варьироваться от временных рамок менее секунды до миллиардов лет.

гипотетический       Прилагательное, используемое для описания предложения или идеи, основанной на гипотезе (которая сама по себе является предлагаемым объяснением чего-либо).

микроволны   Электромагнитная волна с длиной волны короче, чем у обычных радиоволн, но длиннее, чем у инфракрасного излучения (тепла) и видимого света.

физика     Научное изучение природы и свойств материи и энергии. Классическая физика — это объяснение природы и свойств материи и энергии, основанное на таких описаниях, как законы движения Ньютона. Квантовая физика, область исследований, возникшая позже, является более точным способом объяснения движений и поведения материи. Ученый, который работает в этой области, известен как физик .

квант    (мн. кванты)  Термин, обозначающий наименьшее количество чего-либо, особенно энергии или субатомной массы.

квантовый компьютер       Компьютер, который использует квантовые состояния субатомных частиц для хранения информации.

квантовая запутанность      Физическое явление, возникающее, когда группы частиц (обычно пары) взаимодействуют таким образом, что все частицы имеют одинаковое квантовое состояние.

квантовая механика    Раздел физики, изучающий поведение материи в масштабе атомов или субатомных частиц.

квантовое состояние         Любое из возможных состояний системы, описываемой квантовой теорией.

квантовая теория      Способ описания работы материи и энергии на уровне атомов. Он основан на интерпретации, согласно которой в этом масштабе энергия и материя могут вести себя как частицы и волны. Идея состоит в том, что в этом очень маленьком масштабе материя и энергия состоят из того, что ученые называют квантами — крошечных количеств электромагнитной энергии.

квантовая физика     Раздел физики, использующий квантовую теорию для объяснения или предсказания того, как физическая система будет работать в масштабе атомов или субатомных частиц.

квантовая суперпозиция    Состояние, при котором квантовая система находится в нескольких различных состояниях одновременно.

кубит       Сокращение от квантового бита. Это основная единица информации, которая будет храниться в квантовом компьютере. Такие компьютеры используют квантовые состояния субатомных частиц для хранения информации.

радиоактивный     Прилагательное, описывающее нестабильные элементы, такие как определенные формы (изотопы) урана и плутония. О таких элементах говорят, что они нестабильны, потому что их ядро ​​теряет энергию, уносимую фотонами и/или часто одной или несколькими субатомными частицами. Это излучение энергии происходит в результате процесса, известного как радиоактивный распад.

Кот Шредингера       В 1935 году Эрвину Шрёдингеру пришла в голову идея создать кота, который одновременно жив и мертв. Это должно было показать двойственность условий, которые могут сосуществовать в квантовой физике. Шрёдингер представил кота в закрытом ящике со смертельным ядом. В конце концов, но не сразу, яд убьет кошку. Но никто не знает, произошло ли это, пока не откроется коробка. До тех пор кошка с одинаковой вероятностью может быть и живой, и мертвой, и с ней действительно обращаются так, как если бы она была и тем, и другим одновременно.

субатомный     Все, что меньше атома, то есть мельчайшей частички материи, обладающей всеми свойствами любого химического элемента (например, водорода, железа или кальция).

сверхпроводник     Материалы, не оказывающие сопротивления потоку электричества, обычно только при охлаждении ниже определенной температуры. Сверхпроводники также отталкивают все магнитные поля, что позволяет им парить в воздухе, когда они находятся внутри сильного магнитного поля.

уран    Самый крупный из известных природных элементов. Он называется элементом 92, что означает количество протонов в его ядре. Одна форма (изотоп) радиоактивна, что означает, что она распадается на более мелкие частицы. Другая форма стабильна.

Цитаты

К. Ван. Кот Шредингера, живущий в двух коробках. Наука . Том 352, 27 мая 2016 г., с. 1087. doi: 10.1126/science.aaf2941.

Л. Сандерс. Повседневная запутанность. Новости науки.   Том . 178, 20 ноября 2010 г., с. 22.

Т. Зигфрид. Битва квантовых титанов. Новости науки . Том. 178, 20 ноября 2010 г., с. 15.

С. Орнс. «Самый маленький холодильник в мире». Новости науки для студентов . 20 сентября 2010 г.

 

Новости науки Писатель-физик Эмили Коновер изучала физику в Чикагском университете. Она любит физику за ее способность раскрывать тайные правила работы вещей, от крошечных атомов до огромного космоса.

Кот Шредингера теперь жив – и мертв

Ученые только что подняли знаменитый мысленный эксперимент с котом Шредингера на ступеньку выше, разрезав этого бедного старого гипотетического кота пополам, засунув его в две коробки и подтвердив, что он все еще жив – и не ‘t – даже когда его двое.

Хотите узнать самое интересное об этом эксперименте? Команда взяла все это из области чистой теории и фактически выполнила это в лаборатории. Но не волнуйтесь, при этом ни одна кошка не пострадала.

Прежде чем мы на самом деле углубимся в детали нового эксперимента, давайте пробежимся по основам оригинального мысленного эксперимента с котом Шрёдингера.

Гипотетический сценарий: вы помещаете живого кота во взрывозащищенный ящик с бомбой. Пока вы не откроете коробку, вы не поймете, взорвалась ли бомба и кошка умерла, а может быть, бомба не взорвалась, а кошка все еще жива.

Пока коробка закрыта, кошка занимает две реальности – с нашей точки зрения. Он мертвый и живой, потому что мы не можем подтвердить, какой именно, но мы знаем, что это не может быть ни то, ни другое.

В квантовой физике нахождение в двух разных состояниях одновременно называется состоянием суперпозиции, и это вся основа квантовых вычислений, которые призваны произвести революцию в том, как мы обрабатываем данные в будущем.

Конечно, открывая коробку, мы не можем изменить реальность того, что там на самом деле уже произошло – что мертво, то мертво, а то, что живо и реально взбесилось, что вы положили его в коробку с живой взрывчаткой, живо и действительно бесит, что ты положил его в ящик с боевой взрывчаткой.

Дело в том, что на самом деле есть только один реальный вариант, но пока мы не наблюдаем эту реальность, остаются два варианта. Для быстрого изложения всего этого посмотрите видео MinutePhysics ниже:

Итак, это основа эксперимента с котом Шредингера. Теперь исследователи вывели это из гипотетического царства и выполнили в лаборатории, но не с настоящими кошками, а с электромагнитными волнами в виде микроволновых фотонов.

Точно так же, как квантовые частицы могут существовать в суперпозиции — что дает целому кошачьему эксперименту некоторые практические применения, т. е. вычисление и понимание поведения мельчайших строительных блоков Вселенной — так же могут существовать и электромагнитные волны.

Фотоны могут быть поляризованы как по вертикали, так и по горизонтали одновременно, пока кто-нибудь не измерит их поляризацию, и микроволновые фотоны также могут быть переведены в это кошачье состояние.

«Обычно электромагнитные волны в коробке колеблются по силе, как маятник, раскачивающийся взад и вперед», — объясняет Джошуа Сокол для New Scientist . «Но можно ввести в коробку противоположную волну, создав кошачье состояние, которое одновременно делает два, казалось бы, противоречащих друг другу дела».

Это то, что сделала группа физиков во главе с Ченом Ваном из Йельского университета, чтобы продемонстрировать основы мысленного эксперимента с котом Шредингера в реальности. «Механическим аналогом этого был бы маятник, который одновременно колеблется влево и вправо», — сказал он Соколу.

Но как только они поняли это, команда пошла еще дальше, задав вопрос: «А что, если бы было две кошки?»

Они сделали это, соорудив две алюминиевые полости — коробки — и выпустив внутрь них микроволновые протоны. Полости были соединены сверхпроводящим сапфировым чипом и алюминиевой схемой, которая представляла собой своего рода «туннель», по которому могли проходить протоны.

Хитрость в том, что это можно включить или выключить, и в зависимости от этого состояния протоны будут колебаться на разных частотах. «Однако, поскольку это квантовый мир, связующий мост может быть и «включен», и «выключен» одновременно», — говорит Сокол.

«Как только это произойдет, обе полости будут иметь две частоты одновременно», — сказал ему Ван.

Когда связь между двумя ящиками была разорвана, команда обнаружила, что фотоны в двух ящиках все еще связаны – кошка, распиленная пополам, все еще ведет себя так, как будто она целая, как в трюке старого фокусника. По сути, «кошка» не в одной коробке или другой, она в обеих, потому что они неразрывно связаны.

«Ученые измерили полученные состояния кошек и обнаружили точность в 81 процент — меру того, насколько близко состояние было к идеальному состоянию кошки», — объясняет Эмили Коновер для Science News.

Как это возможно? Введите запутанность, центральную концепцию квантовой физики, которая позволяет локальному наблюдению мгновенно изменять состояние удаленного объекта, или, как однажды назвал это Эйнштейн, «призрачное действие на расстоянии».

Чтобы вернуть это к реальности, это означает, что электрическое поле всегда будет синхронизировано в обеих полостях, и это хорошая новость для ученых всего мира, которые изо всех сил пытаются построить настоящий квантовый компьютер.

«Две полости могут служить для двух квантовых битов или кубитов», — говорит Коновер. «Одним камнем преткновения для квантовых компьютеров является то, что ошибки неизбежно проскальзывают в вычисления из-за взаимодействий с внешней средой, которые искажают квантовые свойства кубитов. Состояния кошки более устойчивы к ошибкам, чем другие типы кубитов, говорят исследователи, поэтому система может в конечном итоге привести к созданию более отказоустойчивых квантовых компьютеров».

Следующим шагом для команды будет масштабирование эксперимента, чтобы его действительно можно было применить к реальному квантовому компьютеру. Это означает демонстрацию одинакового уровня точности в более чем двух «коробках». Мы понятия не имеем, как это будет выглядеть, но, черт возьми, это было бы круто.

Вы можете найти результаты этого эксперимента в сегодняшнем выпуске Science.

Живой или мертвый, кот Шредингера может быть в двух коробках одновременно

Живая наука поддерживается аудиторией. Когда вы покупаете по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот почему вы можете доверять нам.

Новое исследование с использованием световых частиц показало, что «кошка» Шредингера может находиться одновременно в двух коробках. (Изображение предоставлено Ивонн Гао, Йельский университет)

Причудливое поведение световых частиц показывает, что знаменитый мысленный эксперимент с котом Шредингера, призванный раскрыть странную природу субатомных частиц, может оказаться еще более странным, чем предполагали физики.

Квантовый кот может быть не только живым и мертвым одновременно, но и находиться в двух местах одновременно, как показывают новые исследования.

«Мы показываем аналогию с котом Шредингера, который состоит из электромагнитного поля, заключенного в двух полостях», — сказал ведущий автор исследования Чен Ван, физик из Йельского университета. «Интересно, что кот находится сразу в двух коробках». [Это что? Ответы на ваши вопросы по физике]

Полученные данные могут иметь значение для решения неразрешимых математических задач с использованием квантовых вычислений, основанных на способности субатомных частиц находиться в нескольких состояниях одновременно, сказал Ван.

Эксперимент с кошкой

Знаменитый парадокс был изложен физиком Эрвином Шредингером в 1935 году для объяснения понятия квантовой суперпозиции, явления, при котором крошечные субатомные частицы могут находиться в нескольких состояниях одновременно.

Парадоксально, но кот заперт в ящике со смертельным радиоактивным атомом. Если радиоактивный атом распался, кот был мертв, но если он еще не распался, кот остался жив. Поскольку, согласно доминирующей интерпретации квантовой механики, частицы могут существовать в нескольких состояниях, пока они не будут измерены, логика подсказывала, что кошка будет одновременно и живой, и мертвой, пока не будет измерен радиоактивный атом.

Кот в двух коробках

Установка для нового исследования была обманчиво проста: команда создала две алюминиевые полости диаметром около 1 дюйма (2,5 сантиметра), а затем использовала сапфировый чип для создания стоячей волны света в этих полостях. Они использовали специальный электронный элемент, называемый переходом Джозефсона, для наложения стоячей волны света двух разных длин волн в каждой полости. Конечным результатом было то, что кошка или группа примерно из 80 фотонов в полостях колебалась на двух разных длинах волн одновременно — в двух разных местах. Чтобы выяснить, жив кот или мертв, так сказать, нужно открыть оба ящика.

Знаменитый кот Шредингера может находиться в двух коробках одновременно, будучи одновременно живым и мертвым. Эту кошку можно увидеть целиком, только открыв обе коробки, но не одну из коробок. (Изображение предоставлено Ивонн Гао, Йельский университет)

Хотя концептуально простая, физическая установка требовала сверхчистого алюминия и высокоточных микросхем и электромагнитных устройств, чтобы фотоны были максимально изолированы от окружающей среды, сказал Ван.

Это потому, что в больших масштабах квантовая суперпозиция имеет тенденцию исчезать почти мгновенно, как только эти наложенные друг на друга субатомные частицы, чьи судьбы связаны, взаимодействуют с окружающей средой. По словам Вана, в большинстве случаев эта так называемая декогеренция происходила бы так быстро, что у исследователей не было бы времени наблюдать суперпозицию. Поэтому устройства, которые сохраняют когерентность (или удерживают частицы в суперпозиции) в течение длительных периодов времени, известные как фактор качества, чрезвычайно важны, добавил Ван.

«Качество этих вещей определяет, как долго вы помещаете одно возбуждение в систему, как долго оно живет или угасает», — сказал Ван Live Science.

Если возбуждение системы — создание электромагнитной стоячей волны — похоже на качание маятника, то «наш маятник качается, по существу, десятки миллиардов раз, прежде чем остановится».

Новые результаты могут упростить исправление ошибок в квантовых вычислениях, сказал Ван. В квантовых вычислениях биты информации кодируются в хрупких состояниях суперпозиции частиц, и как только эта суперпозиция теряется или искажается, данные также искажаются. Таким образом, большинство концепций квантовых вычислений предполагают большую избыточность.

«Хорошо известно, что 99 процентов вычислений или больше будет выполняться для исправления ошибок, а не для самих вычислений, — сказал Ван.

Их система могла бы обойти эту проблему, закодировав избыточность в размере самой полости, а не в отдельных вычисляемых битах, сказал Ван.

«Демонстрация этого кота в «состоянии двух коробок» — это, по сути, первый шаг в нашей архитектуре», — сказал Ван.

Подпишитесь на Tia Ghose на Twitter и Google+ .   Подписаться   Live Science @livescience , Facebook   и Google+ . Оригинальная статья о Live Science .

Тиа — главный редактор, а ранее — старший писатель журнала Live Science. Ее работы публиковались в журналах Scientific American, Wired.com и других изданиях. Она имеет степень магистра биоинженерии Вашингтонского университета, диплом о высшем образовании в области научного письма Калифорнийского университета в Санта-Круз и степень бакалавра машиностроения Техасского университета в Остине. Тиа была частью команды журнала Milwaukee Journal Sentinel, которая опубликовала серию «Пустые колыбели» о преждевременных родах, получившую множество наград, в том числе медаль Кейси 2012 года за заслуги перед журналистикой.

Кот Шрёдингера выживает и умирает, когда его разрезают пополам

Шаттерсток

Ученые только что подняли знаменитый мысленный эксперимент с котом Шредингера на новый уровень, разрезав этого бедного старого гипотетического кота пополам, засунув его в две коробки и подтвердив, что он все еще выживает — и не выживает — даже когда его двое.

Хотите узнать самое интересное об этом эксперименте? Команда взяла все это из области чистой теории и фактически выполнила это в лаборатории. Но не волнуйтесь, при этом ни одна кошка не пострадала.

Прежде чем мы на самом деле углубимся в детали нового эксперимента, давайте пробежимся по основам оригинального мысленного эксперимента с котом Шредингера.

Гипотетический сценарий: вы помещаете живого кота во взрывозащищенный ящик с бомбой. Пока не откроешь коробку, не поймешь, взорвалась ли бомба и кот умер, а может, бомба не взорвалась и кот еще жив.

Пока коробка закрыта, кошка занимает две реальности — с нашей точки зрения. Он мертвый и живой, потому что мы не можем подтвердить, какой именно, но мы знаем, что это не может быть ни то, ни другое.

В квантовой физике нахождение в двух разных состояниях одновременно называется состоянием суперпозиции, и это вся основа квантовых вычислений, которые призваны коренным образом изменить то, как мы обрабатываем данные в будущем.

Конечно, открывая коробку, мы не можем изменить реальность того, что там на самом деле уже произошло – что мертво, то мертво, а то, что живо и реально взбесилось, что вы положили его в коробку с живой взрывчаткой, живо и действительно бесит, что ты положил его в ящик с боевой взрывчаткой.

Дело в том, что на самом деле есть только один реальный вариант, но пока мы не наблюдаем эту реальность, остаются два варианта. Для быстрого изложения всего этого посмотрите видео MinutePhysics ниже:

Итак, это основа эксперимента с котом Шредингера. Теперь исследователи вывели это из гипотетического царства и выполнили в лаборатории, но не с настоящими кошками, а с электромагнитными волнами в виде микроволновых фотонов.

Точно так же, как квантовые частицы могут существовать в суперпозиции — что дает целому кошачьему эксперименту некоторые практические применения, т. е. вычисление и понимание поведения мельчайших строительных блоков Вселенной — так же могут существовать и электромагнитные волны.

Фотоны могут быть поляризованы как по вертикали, так и по горизонтали одновременно, пока кто-нибудь не измерит их поляризацию, и микроволновые фотоны также могут быть переведены в это кошачье состояние.

«Обычно электромагнитные волны в коробке колеблются по силе, как маятник, раскачивающийся взад и вперед», — объясняет Джошуа Сокол для New Scientist . «Но можно ввести в коробку противоположную волну, создав кошачье состояние, которое делает два, казалось бы, противоречащих друг другу дела одновременно».

Это то, что сделала группа физиков во главе с Ченом Ваном из Йельского университета, чтобы продемонстрировать основы мысленного эксперимента с котом Шредингера в реальности. «Механическим аналогом этого был бы маятник, который одновременно колеблется влево и вправо», — сказал он Соколу.

Но как только они поняли это, команда пошла еще дальше, задав вопрос: «А что, если бы было две кошки?»

Они сделали это, соорудив две алюминиевые полости — коробки — и выпустив внутрь них микроволновые протоны. Полости были соединены сверхпроводящим сапфировым чипом и алюминиевой схемой, которая представляла собой своего рода «туннель», по которому могли проходить протоны.

Хитрость в том, что это можно включить или выключить, и в зависимости от этого состояния протоны будут колебаться на разных частотах. «Однако, поскольку это квантовый мир, связующий мост может быть и «включен», и «выключен» одновременно», — говорит Сокол.

«Как только это произойдет, обе полости будут иметь две частоты одновременно», — сказал ему Ван.

Уильям Вей, Business Insider

Когда связь между двумя ящиками была разорвана, команда обнаружила, что фотоны в двух ящиках все еще связаны — кошка, распиленная пополам, все еще ведет себя так, как будто она целая, точно так же, как трюк старого фокусника. По сути, «кошка» не в одной коробке или другой, она в обеих, потому что они неразрывно связаны.

«Ученые измерили производимые состояния кошек и обнаружили точность в 81 процент — меру того, насколько близко состояние было к идеальному состоянию кошки», — объясняет Эмили Коновер для Новости науки.

Как это возможно? Введите запутанность, центральную концепцию квантовой физики, которая позволяет локальному наблюдению мгновенно изменять состояние удаленного объекта, или, как однажды назвал это Эйнштейн, «призрачное действие на расстоянии».

Чтобы вернуть это к реальности, это означает, что электрическое поле всегда будет синхронизировано в обеих полостях, и это хорошая новость для ученых всего мира, которые изо всех сил пытаются построить настоящий квантовый компьютер.

«Две полости могут служить для двух квантовых битов или кубитов», — говорит Коновер. «Одним камнем преткновения для квантовых компьютеров является то, что ошибки неизбежно проскальзывают в вычисления из-за взаимодействий с внешней средой, которые искажают квантовые свойства кубитов. Состояния кошки более устойчивы к ошибкам, чем другие типы кубитов, говорят исследователи, поэтому система может в конечном итоге привести к созданию более отказоустойчивых квантовых компьютеров».

Следующим шагом для команды будет масштабирование эксперимента, чтобы его действительно можно было применить к реальному квантовому компьютеру. Это означает демонстрацию одинакового уровня точности в более чем двух «коробках». Мы понятия не имеем, как это будет выглядеть, но, черт возьми, это было бы круто.

Вы можете найти результаты этого эксперимента в сегодняшнем выпуске Science.

Кот Шрёдингера жив и мёртв даже после того, как вы его разрезали пополам

Джошуа Сокол

Полезен в квантовых вычислениях

BlackCatPhotos/Getty

Как вам квантовый фокус? Умный эксперимент поддерживает жизнь кота Шредингера — и мертвого — после того, как его распилили пополам. Этот трюк может в конечном итоге помочь сетевым квантовым схемам превратиться в работающий компьютер.

К счастью, методика была проверена не на реальном коте, а на электромагнитных волнах, которые могут быть аналогичны коту в знаменитом мысленном эксперименте Эрвина Шредингера.

Квантовые частицы способны существовать в суперпозиции состояний или в двух режимах существования одновременно. Фотон, например, может быть одновременно поляризован вертикально и горизонтально. Эта суперпозиция сохраняется до тех пор, пока кто-то не проведет измерение, после чего фотон выбирает состояние.

Реклама

Шрёдингер утверждал, что если бы квантовые правила применялись в макроскопическом мире, кошка, застрявшая в закрытой коробке, могла бы быть и живой, и мертвой одновременно — по крайней мере, пока вы не откроете коробку.

Микроволновые фотоны, попавшие в коробку, могут быть переведены в так называемое «кошачье» состояние. Обычно электромагнитные волны в коробке колеблются по силе, как маятник, раскачивающийся взад и вперед. Но можно ввести в коробку противоположную волну, создав кошачье состояние, которое делает сразу два, казалось бы, противоречащих друг другу дела.

«Механическим аналогом этого может быть маятник, который одновременно колеблется влево и вправо», — говорит Чен Ван, тогда работавший в Йельском университете.

Помощник фокусника

Однако эксперимент Вана идет еще дальше. Его команда подготовила две полости из алюминия, в которых могли отражаться микроволновые фотоны. Затем они соединили полости каналом: сверхпроводящим сапфировым чипом и алюминиевой схемой, по которой могли проходить электрические сигналы.

Думайте об этом чипе как о выключателе. Когда переключатель «включен» и канал открыт, микроволны внутри резонатора, подключенного к нему, будут колебаться с другой частотой, чем если бы переключатель был «выключен».

Однако, поскольку это квантовый мир, связующий мост может быть и «включен», и «выключен» одновременно. «Как только это произойдет, обе полости будут иметь две частоты одновременно», — говорит Ван.

Затем росчерк фокусника состоит в том, чтобы разорвать связь и показать, что две стороны все еще связаны — с одной целой, функционирующей полуживой кошкой, разделенной между двумя коробками, как помощник фокусника, улыбающийся и машущий рукой после того, как ее распилили пополам.

Команда Вана полностью отключила чип и проверила, работают ли две полости вместе. Однако, чтобы узнать, было ли у него кошачье состояние, он не мог просто открыть коробку и посмотреть.

«Вы всегда можете задать вопрос, вы мертвы или живы?» Ван говорит. «Но этот вопрос не говорит вам, является ли это истинной квантовой суперпозицией, или вы подготовили половину шанса мертвого и половину шанса живого».

Вместо этого команда должна была задать вопрос, который раскрыл бы состояние кота, не тревожа его. Они измерили количество фотонов в каждом ящике, зная, что кошачьи состояния, созданные электромагнитными волнами, всегда должны появляться с четным числом фотонов.

При отдельном измерении два ящика иногда содержали четное количество фотонов, а иногда и нечетное. Но оба ящика, сложенные вместе, всегда получались ровными.

«Это показывает, что, когда вы объединяете две коробки, вы получаете состояние истинного кота Шредингера», — говорит Ван.

Настоящая отдача

Идее создания кошачьего государства всего в одном микроволновом резонаторе уже несколько десятилетий, и она помогла Сержу Арошу получить Нобелевскую премию, отмечает Мёншик Ким из Имперского колледжа Лондона.

«Вы можете подумать, что это небольшое продолжение того, что сделал Гарош», — говорит он. «Но это интересное расширение». Ким предполагает, что соединение двух полостей в состоянии кошки может помочь в метрологии, проблеме точного измерения фазы света.

Настоящая отдача от такого эксперимента, как надеется Ван, заключается в том, что запутанные полости могут стать строительными блоками компьютеров, использующих свойства квантовых суперпозиций для выполнения вычислений с молниеносной скоростью.

Нынешняя лаборатория Вана, которой руководит Роберт Шолкопф из Йельского университета, изучает использование кошачьих состояний в полостях в качестве кубитов, единиц, которые хранят информацию в квантовых вычислениях. Состояния Cat могут помочь исправить ошибки, которые быстро накапливаются в этих небольших, чувствительных системах. Связывание таких кубитов вместе будет иметь важное значение.

Ссылка на журнал: Science, DOI: 10.1126/science.aaf2941

Дополнительные сведения по этим темам:

• квантовая наука

Эксперимент с котом Шредингера для чайников (шаг за шагом)

Вот самое простое объяснение эксперимента с котом Шредингера:

Вероятность того, что кот Шредингера выживет, составляет 50 % после часа пребывания в экспериментальной коробке. .

Пока кошка в коробке, она и мертва, и жива (Копенгагенская интерпретация).

Вы не знаете, чего не можете наблюдать.

Если вы хотите, наконец, раз и навсегда понять эксперимент Шредингера с котом, то вы попали по адресу.

Начинаем!

Эксперимент с котом Шрёдингера стал проще

Природа Полдень редко погружается в физику, не говоря уже о базарном мире квантовой физики.

Тем не менее, некоторые квантовые концепции, безусловно, стоит знать, они необычайно увлекательны и просты для понимания.

Одним из самых известных квантовых экспериментов был кот Шредингера .

Без лишних слов, давайте углубимся в  Объяснение кота Шрёдингера:

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: не пытайтесь повторить этот эксперимент

Эксперимент с котом Шредингера — это то, что мы называем мысленным экспериментом .

Другими словами, мы не на самом деле  проводим эксперимент. Вместо этого мы используем только наше воображение и рассуждения.

На самом деле, как мы позже узнаем, физически невозможно провести эксперимент с котом Шредингера, даже если бы мы захотели. При этом ни при каких обстоятельствах не пытайтесь проводить этот эксперимент.

Эта статья предназначена исключительно для ознакомления с целью эксперимента, а не для его проведения.

Среди плодотворной карьеры Шредингера, получившей Нобелевскую премию, был его печально известный эксперимент с кошкой.

На самом деле, этот эталонный эксперимент был предметом шуток, рубашек, эпизодов телешоу и многого другого.

Однако эксперимент Шредингера с кошкой со временем неправильно истолковывался и понимался.

Таким образом, простой подход этой статьи помогает нам полностью понять, откуда взялся гениальный Эрвин.

Объяснение кота Шредингера: эксперимент

Сначала кошку помещают в запечатанный ящик на один час.

Кроме того, внутри коробки находятся:

• Контейнер с радиоактивным материалом
• Счетчик Гейгера (простой прибор для обнаружения радиоактивных частиц)
• Молоток
• Контейнер со смертельным цианидом

Использование правильного радиоактивного материала допускает точно 50/50 вероятность того, что одна радиоактивная частица будет испущена в течение одного часа.

Если вы не уверены, почему  радиоактивный материал может сделать это…

Повторный курс радиоактивного распада

Радиоактивные материалы содержат дополнительную энергию и кажутся нестабильными.

Следовательно, чтобы снова стать стабильными, они высвобождают или излучают  этой энергии в виде частиц.

Мы называем это радиоактивным распадом .

Далее наш счетчик Гейгера будет ожидать испускания радиоактивной частицы.

И если он зафиксирует частицу, то уронит молот.

В результате молоток разбивает контейнер со смертельным цианидом, убивая кошку.

Наконец, когда вы откроете коробку, кошка будет либо мертва, либо жива, в зависимости от исхода.

Однако, прежде чем открыть коробку, кошка мертва и жива.

На самом деле, это и есть цель эксперимента Шредингера с котом.

Но как же так?

Объяснение кота Шредингера: результаты

По сути, в этом вопросе нет ничего определенного, пока мы его не наблюдаем.

Фактически, этот мыслительный процесс известен как Копенгагенская интерпретация квантовой физики.

Другими словами, простое наблюдение за материей фактически меняет результат того, что с ней происходит.

Странно, да?

Действительно, именно поэтому мы заявляли ранее в этой статье, что физически нельзя провести этот эксперимент, даже если бы они этого захотели.

Видите ли, основное внимание в эксперименте уделяется тому, что до наблюдения кошка была и мертва, и жива одновременно.

Таким образом, визуальное наблюдение или наблюдение за кошкой в ​​течение ее часов в бою x времени может изменить и предотвратить результат.

Прикольно подумать, не так ли?

На самом деле, да, материя может находиться где угодно.

Но вероятность нахождения материи в одних местах намного выше, чем в других.

Например, атом углерода в вашем бриллиантовом кольце прямо сейчас может находиться на Луне.

Однако гораздо более вероятно, что атом углерода находится у вас на пальце.

Вы не можете знать, где что-то находится, пока не увидите это.

Пока не увидишь, Копенгагенская интерпретация говорит, что атом есть и его нет.