Тред: Как кот Шрёдингера оказался не объяснением, а попыткой опровергнуть интерпретацию квантовой механики
Наука
Дамир Камалетдинов
А ещё он не кот, а кошка.
16 марта программист и блогер под псевдонимом Вастрик опубликовал на своём сайте лонгрид, в котором попытался максимально простым языком объяснить, как устроены квантовые компьютеры.
Квантовый Компьютер
Как устроен? Как программировать? Уже?
Он начал материал с азов квантовой механики и в том числе упомянул популярный пример с котом Шрёдингера, который часто используют для объяснения явления суперпозиции, когда частица может находится сразу в двух состояниях. Правда, больше автор решил этот пример не использовать из-за того, что тот устарел и «не даёт читателю никакого понимания как всё это реально можно использовать на практике».
Однако пользователь твиттера и ведущий разработчик Jet Infosystems Влад Зайцев напомнил, что пример с котом Шрёдингера никогда не был предназначен для объяснения явления суперпозиции.
Как пояснил Зайцев, Эрвину Шрёдингеру не нравилась интерпретация квантовой механики, в которой квантовая механика становилась вероятностной и непредсказуемой. В качестве примера он привёл фотон, который пролетает через одну из двух щелей: пока его никто не видит, он попадает в обе щели в виде кучи равновероятностных фотонов в разных позициях и «интерферирует» сам с собой.
Зайцев напомнил о первоначальной сути эксперимента Шрёдингера. В 1935 году учёный написал статью в журнал Naturwissenschaften («Естественные науки») в ответ на парадокс Эйнштейна, Подольского и Розена. В своём материале Шрёдингер рассуждал над вероятностной интерпретацией квантовой механики.
Учёный попытался довести до абсурда модель волновой функции, предложенную Гейзенбергом и Бором, чтобы показать её неполноту и указать на пробелы. Для этого он решил вывести состояние суперпозиции в большую вселенную и связать распад ядра атома с более крупным и совсем безумным примером — смертью кота.
Шрёдингер предложил мысленный эксперимент — посадить кота в стальной сейф, в котором размещён механизм, способный его убить. По задумке учёного, в счётчик Гейгера нужно положить крошечную частичку радиоактивного вещества, чтобы за час мог распасться только один из атомов, либо ни одного.
Если атом распадётся, то счётчик это фиксирует и приводит в действие молоток, разбивающий колбу с ядом. В противном случае кот выживает. Если бы это выражали через волновую функцию, то живой и мёртвый кот существовали бы одновременно с одинаковыми вероятностями, отмечал Шрёдингер.
Иллюстрация эксперимента с котом Шрёдингера Изображение пользователя «Википедии» под псевдонимом Dhatfield, лицензия Creative Commons CC BY-SA 3.0
В результате учёный пришёл к выводу, что кот не может быть одновременно и живым, и мёртвым. Таким образом, реальность не подчиняется волновой функции, подытожил Шрёдингер.
С ним согласился Эйнштейн, который тоже не принимал вероятностную интерпретацию Гейзенберга и Бора, также называемую копенгагенской.
Как отметил Зайцев, несмотря на то, что многим пытались объяснить вероятностную интерпретацию именно через пример кота Шрёдингера, на самом деле учёный спроектировал эксперимент для опровержения концепции. Поэтому использовать подобный пример было бы бессмысленно.
Эйнштейн критиковал вероятностную интерпретацию квантовой механики из-за её противоречия его теории относительности. Для этого он даже разработал мысленный эксперимент, который прозвали ЭПР-парадоксом по первым буквам имён тех, кто над ним работал — Эйнштейна, Подольского и Розена.
Суть парадокса заключается в том, что вероятностная интерпретация приводит к «дальнодействию» — то есть можно моментально узнать состояние одного микрообъекта, измерив состояние другого. Таким образом информация передаётся быстрее скорости света, а это невозможно по теории относительности.
Позже учёные только выяснили, что квантовая механика верна, проверив ЭПР-парадокс опытным путём. Выяснилось, что состояние суперпозиции у частиц нестабильно и существует только пока они не взаимодействуют с чем-то макроскопическим. А сложные системы всегда будут находиться только в каком-то одном состоянии, поэтому в примере с котом он не мог бы оказаться в суперпозиции.
Зайцев также указал, что котом всё время была кошка. Это действительно так: Шрёдингер в своей статье использовал слово Katze, которое переводится как кошка, перед ним также стоял артикль Eine, который в немецком языке указывает на женский пол. Таким образом, кот Шрёдингера — это на самом деле кошка.
#треды #физика #соцсети
Кот Шрёдингера и парадокс близнецов. Семь интеллектуальных мемов, которые сделают вас в разы умнее
Если вы думаете, что мемы — это только глупые картинки в интернете, над которыми смеются подростки, спешим изменить ваше мнение. Мысленные эксперименты, странные аналогии и яркие примеры из научных статей и споров вполне можно назвать интеллектуальными мемами, о которых мы и расскажем.
1. «Кот Шрёдингера» (сложный мем о двойственности)
Физико-математический парадокс с котом в мешке, ящике, комнате или камере появился, когда австрийский физик-теоретик Эрвин Шрёдингер в статье о принципах квантовой механики описал мысленный эксперимент: кот заперт в стальной камере вместе с машиной для убийства, управляемой счетчиком Гейгера, — атом может распасться или не распасться, адская машина может сработать или не сработать в течение часа. Кот будет жив по истечении этого времени, если распада атома не произойдёт. Поэтому в течение часа мы не можем назвать кота ни живым, ни мёртвым, он с равной вероятностью может быть сочтен и живым, и мёртвым одновременно. Сложно? Вот так и с квантовой механикой.
Иллюстрация: Shutterstock (Tanistaja)2. «Кочерга Витгенштейна» (философский мем о непознаваемости истины)
Кембридж, 1946 год. Три главных философа современности — Поппер, Витгенштейн, Рассел, специалисты по эпистемологии (наука о понимании, истине и знании), встречаются на заседании Клуба моральных наук.
Выступает доктор Карл Поппер. Название его доклада — «Существуют ли философские проблемы?» — не предвещает скандала. Однако между Поппером и Витгенштейном разгорается пылкий спор: действительно ли существуют философские проблемы (Поппер) или только головоломки (Витгенштейн). Этот спор мгновенно стал легендой.
По версии Поппера, он привёл примеры «действительно философских проблем». Витгенштейн отверг их все. Поппер вспоминает, что Витгенштейн «нервно поигрывал кочергой», которой, как указкой, подтверждал аргументы. А когда дело дошло до этики и моральных принципов, Поппер нашёлся и привел такой: «Не угрожать приглашенным докладчикам кочергой». В ответ Витгенштейн в ярости отшвырнул кочергу и выбежал из зала, громко хлопнув дверью. По версии Витгенштейна, «докладчик Поппер нёс какую-то муть».
Однако кочерга оказалась не так проста. Очевидцы и исследователи расходятся во взглядах на события того вечера. Все излагают историю по-разному, и проблема кочерги (а на самом деле того, что случилось в тот вечер и как по-разному все всё запомнили) продолжает занимать умы.
Витгенштейн, вспоминая заседание философского клуба, вообще не упоминает кочергу! Поппер и Витгенштейн бились на кочергах, кочерга была раскалённой, ею угрожали, поднося к лицу, использовали как аргумент в споре и отшвыривали в угол — все запомнили вечер по-разному.
Все участники спора профессионально занимались вопросами истинности и были очевидцами произошедшего, но так и не сумели прийти к согласию. А вы говорите, истина существует.
3. «Жук в коробке» (аналитико-философский мем о несовершенстве сигнальной системы)
От кочерги — к жукам: еще один мысленный эксперимент, на этот раз из книги «Философские исследования» Людвига Витгенштейна.
Представьте себе, что у нескольких человек есть по одной закрытой коробочке. Внутри — объект, который каждый из обладателей коробки считает «жуком», причём содержимое может увидеть только владелец и никогда не показывает никому. Если человек объявит, что у него в коробке жук, что там на самом деле, будет знать только он. Объяснить друг другу, какой именно жук (да жук ли это) в коробках, практически невозможно.
Но с жуками ещё более-менее. Мы можем договориться, что значит «большой», «блестящий», формализовать описание длины усиков и, в конце концов, нарисовать или сфотографировать «жуков». Но что делать с внутренними субъективными ощущениями? Как объяснить, что такое «боль» и «мне так больно» (как именно?), дать почувствовать «ужасно», «страшно» и «восхитительно»? Кажется, объективно воспринять их нельзя, сообщает аналитическая философия, и тут есть только личный опыт каждого, личная боль и личный «жук» в коробке.
4. «Чайник Рассела» (логический мем о бремени доказательств)
Бертран Рассел, философ и математик, который участвовал в споре с участием «кочерги Витгенштейна», привёл чайник как логическую аналогию в статье «Существует ли Бог?» как пример того, что ученый не обязан доказывать, что чего-то не существует. И, наоборот, любое утверждение о существовании предмета или явления должно быть чем-то подкреплено.
«Если бы я стал утверждать, что между Землей и Марсом вокруг Солнца по эллиптической орбите вращается фарфоровый чайник, никто не смог бы опровергнуть моё утверждение, добавь я предусмотрительно, что чайник слишком мал, чтобы обнаружить его даже при помощи самых мощных телескопов».
«Но заяви я далее, что, поскольку моё утверждение невозможно опровергнуть, разумный человек не имеет права сомневаться в его истинности, то мне справедливо указали бы, что я несу чушь. Однако если бы существование такого чайника утверждалось в древних книгах, о его подлинности твердили каждое воскресенье и мысль эту вдалбливали с детства в головы школьников, то неверие в его существование казалось бы странным, а сомневающийся — достойным внимания психиатра в просвещённую эпоху, а ранее — внимания инквизитора».
Потомок «чайника Рассела» — Летающий Макаронный Монстр, приверженцы культа которого утверждают, что он существует, пока не доказано обратное. Теперь вы знаете, откуда у него растут ноги. Из космоса.
Иллюстрация: Wikimedia Commons (Niklas Jansson)5. «Парадокс близнецов» (эйнштейновский мем про космические путешествия)
Ещё один мысленный эксперимент для демонстрации принципов общей и специальной теории относительности Эйнштейна и релятивистского замедления времени.
Представьте себе братьев-близнецов. Пусть один отправляется в межзвёздное путешествие (это брат-путешественник) со сверхсветовой скоростью до звезды, до которой пять световых лет, а второй (домосед) остаётся на Земле.
С точки зрения домоседа, путешественник остался моложе: он двигался относительно Земли со скоростью света, и, согласно специальной теории относительности, у него замедлилось время и 10 лет, которые прошли на Земле, пролетели на борту корабля за меньшее время. Значит, путешественник становится моложе, а домосед старше.
Иллюстрации: Shutterstock (Ron and Joe)На самом деле этот знаменитый парадокс — творческая иллюстрация того, что специальная теория относительности позволяет разную трактовку релятивистских эффектов, а время относительно. Всё относительно.
Для рассмотрения различных эффектов теории относительности в парадокс вводят еще близнецов: третьего, который на другом звездолёте движется противоположно первому звездолёту. Оба двигаются относительно друг друга.
Оба должны относительно друг друга быть моложе. Четвертого… В общем, есть над чем подумать. Парадокс близнецов — довольно частый мем; так пишут путешественники оставшимся дома, намекая, что они-то всё моложе и моложе.
6. «Квантовый Чеширский Кот» (современный мем — и снова про котиков)
«Видала я котов без улыбки. Но улыбку без кота!..»
Недавно новый парадокс квантовой механики — «Квантовый Чеширский Кот» — был продемонстрирован экспериментально. Суть его заключается в том, что при определённых условиях квантовой системы частицы могут существовать отдельно от своих свойств, а свойства — от частиц. Как и улыбка без котов, и коты без улыбки. Относится ли ваш кот к квантовым системам и умеет ли он улыбаться, редакции неизвестно. Но видите, так бывает!
7. «Демон Максвелла» (физический мем про вахтеров)
В 1867 году физик и математик Джеймс Максвелл придумал мысленный эксперимент для иллюстрации парадокса второго закона термодинамики (тепло переходит от горячего тела к холодному).
Представьте себе стеклянную емкость с газом, которая разделена перегородкой на две одинаковые части. В перегородке есть микроотверстие, которым управляет микроскопическое существо, строгий вахтёр молекул — демон Максвелла. Он позволяет проходить быстрым горячим молекулам в правую часть емкости из левой части, а холодные медленные частицы пропускает только в левую часть из правой.
Через некоторое время правая половина будет теплее левой. Система упорядочится по сравнению с исходным состоянием, и второе начало термодинамики будет нарушено, энтропия системы из двух равных частей в конце эксперимента будет меньше, чем в начале. Даже больше: разницу температур можно будет использовать для работы, а если вахтёр будет работать вечно, не требуя оплаты (без совершения энергии), получится вечный двигатель.
Иллюстрация: Wikimedia Commons (Htkym)Несколько лет назад международная группа ученых экспериментально воспроизвела «демона Максвелла» для изучения поведения квантовых систем — за «демона Максвелла» в этих системах играет кубит, наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере.
Кстати, в повести «Понедельник начинается в субботу» Стругацких именно «демоны Максвелла» открывали и закрывали двери в НИИЧАВО. Некоторые вообще считают, что это просто мем про охранников и вахтёров, забывая о втором законе термодинамики, оплате труда и потоке информации. Но мы не будем.
Что такое Кот Шредингера? – ХимияПросмотры
Артикул
Кот Шредингера — главный герой знаменитого мысленного эксперимента австрийского физика Эрвина Шредингера. Он использовал его, чтобы проиллюстрировать возможный парадокс, возникающий, когда копенгагенская интерпретация квантовой механики применяется к повседневным объектам.
Копенгагенская интерпретация была разработана между 1925 и 1927 годами Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом.
В нем говорится, что физические системы, управляемые квантовой механикой, обычно не обладают определенными свойствами до того, как они будут измерены. Вместо этого объект может существовать в суперпозиции нескольких состояний, т. е. иметь разные свойства одновременно. Квантовый объект может, например, находиться в двух местах одновременно или иметь две разные скорости одновременно. Эти состояния имеют разные вероятности, описываемые волновой функцией объекта. При выполнении измерения множество возможных состояний сводятся к одному значению; говорят, что волновая функция «коллапсирует».
Мысленный эксперимент Шредингера связывает свойства такой маленькой квантово-механической системы (радиоактивного вещества) с повседневным большим объектом (кошкой).
Эксперимент устроен так (на фото справа): Кошка заперта в камере с радиоактивным веществом. Счетчик Гейгера измеряет, распадается ли атом радиоактивного вещества и испускает ли излучение. При обнаружении радиации колба, наполненная ядовитым цианистым водородом в камере, разбивается, и кошка умирает.
Если ни один атом не распался, излучение не обнаружено, и кошка живет. Пока не заглянешь в коробку, т. е. не измеришь состояние системы, нельзя узнать, жив кот или мертв.
Если вероятность радиоактивного распада в течение определенного времени составляет, например, 50 %, волновая функция кошки после этого времени будет описывать ее как равные части живой и мертвой. Шредингер считал это невозможным и пришел к выводу, что копенгагенская интерпретация ошибочна.
Были предложены и другие интерпретации квантовой механики, такие как многомировая интерпретация, в которой реальность разделяется на разные ветви для всех возможных состояний. Философский вопрос, поставленный парадоксом, обсуждается и по сей день.
Кот Шрёдингера — ответ на вопрос «Угадай персонажа» (2).
- Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik (на немецком языке),
E. Schrödinger,
Naturwissenschaften 1935 , 23 –18.8.
Также представляет интерес
- Кот Шредингера одновременно в двух коробках,
ChemistryViews.
org 2016 .
американских исследователей экспериментально реализовали квантово-физический аналог этого состояния
org 2016 .
Поделиться
Что такое Кот Шрёдингера? | Наука обо мне
Кот Шрёдингера — гипотетический мысленный эксперимент, созданный в 1935 человеком, который любил физику и ненавидел кошек.
Блестящий ученый Эрвин Шредингер был лауреатом Нобелевской премии, прославившимся созданием квантовой модели атомов. Он также навязал биологам физику в своей весьма влиятельной книге «Что такое жизнь?».
Но ты здесь из-за кота. Итак, давайте посмотрим, как работает этот странный мысленный эксперимент и что он на самом деле говорит о квантовой теории.
Классическая физика против квантовой
Ньютона
Например, орбита Луны детерминирована. Классические факторы, такие как гравитация и инерция, определяют его будущее положение. Имея все соответствующие данные, мы можем заранее точно знать, где будет находиться Луна.
Каузальный детерминизм говорит, что существует непрерывная цепь событий, которая восходит к Большому Взрыву и продолжается до конца Вселенной. Все связано.
Но когда квантовых физиков начали исследовать вселенную в гораздо меньших масштабах, они пришли к другому выводу. Они обнаружили, что будущие события непознаваемы и могут быть предсказаны только с точки зрения вероятностей .
Если бы этот квантовый закон действовал на классическом уровне, у нас были бы большие проблемы…
Наш классический мир причинно детерминирован, а это означает, что будущее предрешено. А как же квантовая случайность?
Как это возможно, если классический мир, подчиненный правилам, буквально состоит из квантовых частиц? Все, что сказал Ньютон, вдруг оказалось неверным?
Нет, классическая механика не ошибается. Спутники не упадут с орбиты. Мост Золотые Ворота не рухнет внезапно. Ремни безопасности не выйдут из строя по необъяснимым причинам.
Но это также не означает, что квантовая механика неверна. Квантовые технологии идут очень хорошо, от атомных часов до квантовой криптографии и микроскопов с улучшенной запутанностью.
Очевидный конфликт между этими двумя доменами просто означает, что масштаб имеет значение — и есть неизвестные факторы, которые мы пока не понимаем.
Весы физики.
Таким образом, «Кот Шрёдингера» — это просто мысленный эксперимент, выражающий это в конкретном сценарии.
Дело в том, что мы не можем навязывать квантовые интерпретации классическому миру и надеяться, что все это имеет смысл. Это не так. На самом деле, это чертовски нарушает классическую чувствительность.
Вместо этого мы должны признать, что квантовый мир (размером с атомы и ниже) действует согласно вероятностным законам. Между тем классический мир (при размерах молекул и выше) подчиняется детерминистским законам.
Квантовая теория описывает материю и энергию на атомном и субатомном уровне; около 10 90 116 –8 90 117 см или 10 морских миль.
А теперь еще больше запутаем. Потому что квантовые частицы не всегда случайны в своем поведении. Иногда они совершенно предсказуемы. И все, похоже, зависит от того, измеряем мы их или нет.
Эксперимент с двумя щелями
Вот конкретный пример, где мы можем видеть, что свет ведет себя предсказуемо или случайным образом в зависимости от того, что происходит в его окружении. Вот что вы делаете:
- Выстрел отдельными фотонами света в барьер с двумя щелями
- Измерьте фотоны, когда они проходят через щели
- Видите две линии на детекторе по мере накопления фотонов
Эксперимент с двойной щелью показывает, что популяции фотонов ведут себя как частицы.
Это интуитивный результат, если мы думаем о фотонах как о дискретных единицах. Если бы вы увеличили все в масштабе и бросили дротики в прорези, вы бы ожидали, что появится тот же узор с двумя прорезями.
Теперь вы настраиваете только одну переменную: прекратите измерять фотоны в пути. Вы только обнаружите, где заканчиваются фотоны.
Итак, вы включаете свою фотонную пушку, выходите из комнаты и берете чашку кофе. Это то, что вы увидите, когда вернетесь.
Интерференционная картина.
Что это? Кто, черт возьми, помешал вашему эксперименту?
Квантовые повелители, вот кто. Без измерения в реальном времени фотоны света переключаются с частицеподобного на волнообразное. Это называется корпускулярно-волновым дуализмом .
Когда пути фотонов не измеряются в режиме реального времени, они начинают вести себя как волны, а не как частицы, что приводит к интерференционной картине.
Квантовая теория утверждает, что каждый фотон движется как волна вероятностей , воплощающая все возможные пути к экрану детектора.
В пути волны взаимодействуют. Они могут комбинироваться, образуя пики, или компенсировать друг друга, в конечном итоге создавая интерференционную картину .
Квантовая случайность создает интерференционные картины.
Пока что так с ума. Но почему свет играет сам с собой только тогда, когда никто не смотрит?
Принцип неопределенности
Лучшее объяснение эксперимента с двойной щелью — влияние помех измерения .
Существуют различные способы измерения одиночных фотонов в режиме реального времени, такие как фотодетекторы, фотоумножители или детекторы одиночных фотонов. Однако любое измерительное устройство по своей природе возмущает проходящие фотоны.
На квантовом уровне измерение означает отражение других квантов от цели. Это дает вам данные о положении фотона, но при этом передает энергию, которая изменяет его импульс.
Принцип неопределенности Гейзенберга
Невозможно одновременно знать положение и импульс квантовой частицы. Измеряя одно свойство, мы непреднамеренно влияем на другое, и определение его становится бесполезной погоней.
Эффект наблюдателя часто ошибочно понимают как означающий, что сознательный наблюдатель может издалека изменять квантовые системы. Доказательств этому ноль. В физике наблюдатель — это измерительный инструмент квантового масштаба.
Таким образом, люди могут влиять на квантовый мир с помощью точных измерительных технологий, но не с помощью нашего мозга или наших глаз. Если только у вас нет лазерных глаз, потому что это все меняет.
Паника закончилась, да? Эффект наблюдателя — это всего лишь артефакт!
К сожалению, в науке все еще есть пробел. На сегодняшний день эксперименты показали, что эффект помех измерений объясняет только половину влияния, предсказанного принципом неопределенности.
Все еще существует загадочный фактор, управляющий квантовым миром.
Копенгагенская интерпретация
В 1920-х годах Бор, Гейзенберг и Борн представили нам Копенгагенскую интерпретацию квантовой механики.
Копенгагенская интерпретация
Квантовые частицы существуют не в том или ином состоянии, а в суперпозиции всех возможных состояний сразу. Математически это описывается волновой функцией . Квантовые частицы возникают только тогда, когда коллапсирует волновая функция.
Теории коллапса утверждают, что квантовые частицы по своей природе случайны, но существуют только математически, находясь в суперпозиции.
Копенгагенская интерпретация противоречит выделению того, что вызывает коллапс волновой функции. Гейзенберг настаивал на четкой грани между квантовой системой и наблюдателем. Бор сказал, что коллапс должен быть локальным; какой-то необратимый процесс внутри самой системы.
Эйнштейн согласился с тем, что лежащие в основе математические расчеты правильны, но отказался принять интерпретацию, согласно которой ничто не является реальным, пока оно не взаимодействует с чем-то другим — локально или иным образом.
Он предположил, что может существовать скрытых переменных для объяснения квантовых явлений; концепция, которая остается жизнеспособной и по сей день.
Как и Шредингер, Эйнштейн был возмущен неполнотой Копенгагенской интерпретации.
Потребность Гейзенберга во внешнем наблюдателе вызывает еще больше вопросов. Как образовалась Вселенная без всякого взгляда внутрь? Является ли объективным коллапс иногда возможно?
Какой бы угол вы ни выбрали, копенгагенская интерпретация завоевала огромную популярность в 1930-х годах, и, хотя опасения Эйнштейна так и не были полностью учтены, она остается наиболее распространенным взглядом на квантовую механику сегодня.
Многомировая интерпретация
Вдохновленный Шредингером, Эверетт формально отказался от альтернативного объяснения. И для этого ему нужно было только изобрести бесконечные вселенные.
Многомировая интерпретация
Квантовые суперпозиции объективно реальны.
Не существует коллапса волновой функции , потому что все квантовые вероятности проявляются в альтернативных вселенных, параллельных нашей в пространстве и времени.
Эверетт представил универсальную волновую функцию , управляющую всеми возможными реальностями. Когда суперпозиции разрушаются, они отделяются друг от друга и продолжают существовать в отдельных вселенных.
Если интерпретировать в классической шкале, интерпретация многих миров подразумевает, что вы уже умерли почти бесконечное количество раз до завтрака. Лучший и худший сценарий (и все, что между ними) разыгрывается в каждый момент вашей жизни. Ваш проктолог — известный музыкант в других материальных сферах — и наоборот.
Я понятия не имею, как это подписать.
Но давайте не будем смешивать правила между квантовыми и классическими областями без веской причины. Помните, масштаб имеет значение.
Хотя Интерпретация многих миров отказывается от проблемы коллапса волновой функции, она поднимает новую проблему почти бесконечных параллельных миров.
Однако MWI предлагает некоторую соблазнительную логику, которая излечивает нас от квантовой случайности, действия на расстоянии и эффекта наблюдателя. Это детерминистская теория физической вселенной, которая также объясняет, почему мир может кажутся недетерминированными.
Между прочим, теорию многих миров не следует путать с гипотезой мультивселенной, которая представляет собой идею о других вселенных, рожденных отдельными событиями Большого взрыва. Many Worlds намного, намного безумнее.
Квантовая запутанность
Я обещаю, что Кот Шредингера придет. Но есть еще один аспект квантовой теории, заставляющий физиков плакать перед сном по ночам. Это называется квантовая запутанность .
“Квантовая запутанность – это характерная черта квантовой механики, та, которая обеспечивает ее полный отход от классического направления мысли.” – Эрвин Шредингер
В разгар квантовой шумихи 1930-х Эйнштейн, Подольский и Розен опубликовали ЭПР-парадокс .
Их мысленный эксперимент был разработан, чтобы показать, что квантовая теория все еще ужасно глупа и поэтому должна быть неполной.
Парадокс ЭПР показывает, что, несмотря на принцип неопределенности, квантовая теория по-прежнему позволяет нам измерять состояние фотона, не воздействуя на него напрямую. Как? Снимая измерения со своего запутанного близнеца, который живет очень далеко.
Квантовая запутанность
Когда две или более квантовых частицы сближаются, они приобретают общую волновую функцию. Эта невидимая связь позволяет им обмениваться информацией об их положении , импульсе , вращении и поляризации — даже после разделения на огромные расстояния.
Эйнштейн ненавидел эту идею, потому что она нарушала точку зрения местного реализма на детерминизм. Он высмеивал это как «жуткое действие на расстоянии».
Квантовая запутанность нарушает идею Эйнштейна о том, что ничто не может двигаться быстрее скорости света, включая одновременный обмен планами обеда между фотонами с разных сторон планеты.
Когда Шредингер прочитал о парадоксе ЭПР, он написал Эйнштейну, предложив фразу квантовая запутанность . Оба согласились, что это безумное гипотетическое следствие квантовой теории. И все же это оказалось вполне реальным.
В 1964 году математика Белла показала, что квантовый мир является нелокальным , взаимодействия которого происходят слишком далеко друг от друга в пространстве и слишком близко друг к другу во времени, чтобы быть связанными сигналами, движущимися со скоростью света.
Белл вдохновил многих экспериментов, которые доказали квантовую запутанность между фотонами, нейтрино, электронами, фуллеренами и даже маленькими алмазами.
Действительно, запутанность теперь имеет практическое применение в криптографии и микроскопии, и ведутся работы по разработке сверхзащищенного квантового интернета.
Кот Шредингера
Я сказал, что будет кот. Не просто кошка, а та, которую создали и уничтожили, чтобы подорвать Копенгагенскую интерпретацию.
В своем мысленном эксперименте Шредингер создал замкнутую систему из:
- Радиоактивный атом с вероятностью распада 50:50 в течение часа
- Счетчик Гейгера для измерения излучения атома
- Молоток, подвешенный над колбой с кислотой
- Недовольный кот
Начальные условия кота Шредингера.
Будучи человеком строгого научного подхода, Шредингер хотел создать ряд обстоятельств, при которых судьба кошки полностью зависела бы от квантовой вероятности.
Через час кот Шредингера может находиться в двух состояниях:
- Он жив. Атом не распался, молот не упал, кислота не вышла.
- Он мертв. Распался атом, упал молот, высвободилась кислота. Грустное лицо.
Если радиоактивный атом распадется, кот Шредингера обречен.
Копенгагенская интерпретация Гейзенберга означает, что без отдельного наблюдателя жизнь кошки висит на волоске. Атом находится в состоянии квантовой суперпозиции, взяв с собой молоток, кислоту и кошку.
Если Гейзенберг прав, то Кот Шредингера ни мертв, ни жив. Все ее существование стало размытым и гипотетическим, пока за системой не наблюдают.
Кот Шредингера находится в экзистенциальной неопределенности Копенгагенской интерпретации.
Шредингер утверждал, что такая идея наивна и нелепа. Будучи частью классического мира, кошка не могла бы просто оказаться в подвешенном состоянии, пока наблюдатель не определит, умерла ли она.
Все мы знаем, что бессмысленно заявлять, что что-то стало мертвым . Это просто плохая грамматика. В этом вся проблема квантовой теории, не так ли? Это нарушает все наши удобные правила.
Но Шрёдингер подумал, что это уже слишком. Поэтому он позвал Гейзенберга.
«Это чушь собачья», — заметил Шредингер. Вот только он был австрийцем, так что он бы сказал: «Das ist Kuhscheiße».
Хорошо, вот что он сказал на самом деле:
“Можно даже подстроить совсем нелепые случаи.
В стальной камере заперт кот вместе со следующим устройством (которое надо предохранить от прямого вмешательства кота): в счетчике Гейгера есть крохотная частица радиоактивное вещество, настолько малое, что в течение часа, может быть, один из атомов распадается, но также с равной вероятностью, может быть, и ни один; если это произойдет, счетная трубка разряжается и через реле выпускает молоток, который разбивает маленькую колбу синильной кислоты
Если всю эту систему оставить самой себе на час, можно сказать, что кошка все еще живет, если за это время не распался ни один атом. Первый атомный распад отравил бы его. Пси-функция всей системы выразила бы это тем, что в ней живая и мертвая кошка (извините за выражение) смешаны или размазаны в равных частях.
Для этих случаев характерно, что неопределенность, изначально ограниченная атомной областью, трансформируется в макроскопическую неопределенность, которая затем может быть разрешена непосредственным наблюдением. Это мешает нам так наивно принять за действительную «размытую модель» для представления реальности.
Само по себе оно не заключало бы в себе ничего неясного или противоречивого. Есть разница между дрожащей или расфокусированной фотографией и снимком облаков и гряд тумана».0005 – Эрвин Шредингер, 1935
Шрёдингер хотел показать, как легко прийти к абсурдным выводам, если мы будем следовать неполным или неточным интерпретациям квантовой механики. Это было иронично, когда он признал, что его собственное объяснение также «покажется безумным».
В 1952 году Шредингер сделал раннюю ссылку на тип мультивселенной . Он предположил, что квантовые суперпозиции «не являются альтернативами, но все действительно происходят одновременно», что вдохновило Эверетта на формальную интерпретацию многих миров несколько лет спустя.
Шредингер и Эверетт рассматривали волновую функцию как математическую теорию и физическую реальность.
Согласно Many Worlds, кошка жива в бесчисленном количестве вселенных и мертва в бесчисленном количестве других.
Все вероятности на самом деле происходят как реальные события.
Проявляется ли квантовая случайность в классическом масштабе, не говоря уже о форме параллельных вселенных? Это проблема, стоящая сегодня перед физиками и философами.
Кот Шрёдингера в многомировой интерпретации.
Запутался? Нарушенный? В ужасе? Большой. Добро пожаловать в мир квантовой теории.
Куда нас оставляет Кот Шредингера? На практике очень трудно поддерживать квантовую неопределенность в течение крошечных долей секунды, не говоря уже о часе, пока мы ждем, чтобы решить судьбу нашего гипотетического кота.
Если бы кот Шредингера был реальным, счетчик Гейгера вмешивался бы как измерительное устройство на квантовом уровне. По словам Бора, таким же будет любое взаимодействие между радиоактивным атомом и его квантовыми соседями.
Так что не зацикливайтесь на Коте Шредингера. Это гипотетический мысленный эксперимент, который мы не можем проверить. Физики, по-видимому, с этим справились, в то время как остальные из нас, смертных, используют его как странную и прекрасную точку входа в квантовую теорию.
Ребекка Казале — научный блогер и иллюстратор из Окленда. Если вам нравится ее контент, поделитесь им с друзьями. Если вам это не нравится, почему бы не наказать своих врагов, поделившись им с ними?
16 Гигантские скачки в эволюции животных
Эволюция — известный медленный процесс. Тем не менее, ключевые мутации дали нашим предкам-животным необычайно новые черты, позволив им повышать свой уровень, как никогда раньше.
Что такое Кот Шредингера?
Кот Шредингера — это гипотетический мысленный эксперимент, созданный в 1935 году человеком, который любил физику и ненавидел кошек.
Как работает генная терапия?
Генная терапия — это уникальная платформа, которая доставляет новую ДНК в наши клетки, восстанавливая нашу биологическую схему там, где она была повреждена мутацией.
Как медузы занимаются сексом?
Желейки — древние животные, освоившие половое размножение задолго до нас. Откровенно говоря, мы единственные, кто не в ладах со своими пенисами, вагинами и несчастными родами.