Физики из Йеля выяснили, как можно “спасти” кота Шредингера
https://ria.ru/20190603/1555227523.html
Физики из Йеля выяснили, как можно “спасти” кота Шредингера
Физики из Йеля выяснили, как можно “спасти” кота Шредингера – РИА Новости, 03.06.2019
Физики из Йеля выяснили, как можно “спасти” кота Шредингера
Американские ученые выяснили, как можно предвидеть “непредсказуемые” квантовые переходы внутри атомов и использовать эти данные для того, чтобы обращать их… РИА Новости, 03.06.2019
2019-06-03T19:32
2019-06-03T19:32
2019-06-03T19:32
эрвин шредингер
физика
альберт эйнштейн
открытия – риа наука
йельский университет
сша
наука
/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content
/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content
https://cdn24.img.ria.ru/images/155522/41/1555224127_0:321:830:787_1920x0_80_0_0_769f2fc6b6ab2b8511d50cf9ca8e4239.jpg
МОСКВА, 3 июн – РИА Новости. Американские ученые выяснили, как можно предвидеть “непредсказуемые” квантовые переходы внутри атомов и использовать эти данные для того, чтобы обращать их вспять. Подобным образом можно “спасти” знаменитого кота Шредингера от мучительной смерти, пишут ученые в журнале Nature.Кот Шредингера — “участник” мысленного эксперимента, который был предложен австрийским физиком Эрвином Шредингером в 1935 году для демонстрации абсурдности квантовой механики. В его ходе в закрытый ящик помещается кот и механизм, открывающий емкость с ядом в случае распада радиоактивного атома. Это может произойти в любой момент времени, однако точный момент распада не известен.В соответствии с принципами квантовой физики, кот одновременно и жив, и мертв. Отсюда берет свое начало термин “квантовая суперпозиция” – совокупность всех состояний, в которых может одновременно находиться кот или другой объект квантового мира. Сегодня физики активно пытаются создать такую кошку Шредингера, которого можно было бы увидеть невооруженным глазом.В реальности осуществить подобный эксперимент не так-то просто, если даже это в принципе возможно, так как на работу “ящика Шредингера” будет влиять его “классическая” часть, гравитационное замедление времени и целый ряд других факторов.Отсутствие инструментов, позволяющих “увидеть” кота Шредингера, заставляет ученых активно спорить о том, где находится граница между квантовой и ньютоновско-эйнштейновской физикой, существует ли она вообще и влияет ли первая на поведение окружающих нас объектов.Минев и его коллеги заинтересовались не самим четвероногим добровольцем или его коробкой, а более фундаментальной частью этого мысленного эксперимента – тем, как “суперпозиция” живого и мертвого кота совершает так называемый квантовый переход и становится одним из двух “классических” состояний.Дело в том, что до недавнего времени ученые не знали, как именно происходит этот процесс. Многие физики, такие как Нильс Бор, считали, что квантовые переходы в принципе нельзя предсказать и что они происходят фактически мгновенно.Грубо говоря, если один из электронов атома получает дополнительную порцию энергии и “перепрыгивает” на более высокую позицию, он фактически “телепортируется” с одного уровня на другой, не двигаясь через пространство. Другие теоретики, в том числе сам Шредингер и Альберт Эйнштейн, не соглашались с этим и считали, что их можно детерминистически просчитать и увидеть.Только в 1980 годах ученые смогли впервые проследить за реальными переходами внутри атомов и подтвердить, что Бор и его сподвижники были ближе к истине, чем сторонники альтернативных концепций. Это, как отмечает Минев, однако не закрыло вопроса о том, как именно происходят подобные “квантовые прыжки”, можно ли их предсказать и манипулировать ими.Йельские физики и их коллеги из Франции и Новой Зеландии получили ответы на все эти вопросы и одновременно поставили под сомнение теорию Бора, экспериментируя с котами Шредингера, построенными на базе сверхпроводящих кубитов. Они представляют собой искусственные аналоги атома или другие квантовые конструкции, способные хранить в себе одновременно и ноль, и единицу.Эти “синтетические” атомы, собранные из особых сверхпроводниковых структур, были устроены таким образом, что они могли находиться в двух возбужденных состояниях, одно из которых, “светлое”, ученые могли увидеть, а второе оставалось скрытым от наблюдателей.Кубиты накачивались таким образом, что атом постоянно переходил в “темное” состояние и затем возвращался в изначальную позицию. Одновременно с этим, ученые дополнительно манипулировали их работой таким образом, что в кубитах возникали аналогичные переходы между “светлым” и основным состоянием.Наблюдая за работой этой системы, ученые натолкнулись на необычный феномен – перед тем, как атом готовился перейти в “темное” состояние, частота вспышек света, вырабатываемых атомом в “светлом” состоянии, резко снижалась. Подобные “затмения” были очень короткими – их длина составляла всего 45 микросекунд, однако этого времени вполне хватит, чтобы поменять программу “накачки” атома и предотвратить переход электрона в новое состояние.Это, как показали дальнейшие опыты, можно сделать не просто до начала квантового перехода, а во время него. Подобный результат эксперимента, как считает Минев, говорит о том, что, по крайней мере, часть теории Бора не верна – на самом деле, квантовые переходы не мгновенны и их можно предсказать в краткосрочной перспективе.Иными словами, жизнь кота Шредингера не обязательно должна всецело зависеть от случая – при определенной сноровке и обстоятельствах, его можно спасти, заключают ученые.
https://ria.ru/20190409/1552521750.html
https://ria.ru/20181213/1547930177.html
https://ria.ru/20170501/1493352186.html
сша
РИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
2019
РИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
Новости
ru-RU
https://ria.ru/docs/about/copyright.html
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/
РИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
https://cdn23.img.ria.ru/images/155522/41/1555224127_0:243:830:865_1920x0_80_0_0_2067c6b7baeff0f44ab9497c425dbba8.jpgРИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
РИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
эрвин шредингер, физика, альберт эйнштейн, открытия – риа наука, йельский университет, сша
МОСКВА, 3 июн – РИА Новости. Американские ученые выяснили, как можно предвидеть “непредсказуемые” квантовые переходы внутри атомов и использовать эти данные для того, чтобы обращать их вспять. Подобным образом можно “спасти” знаменитого кота Шредингера от мучительной смерти, пишут ученые в журнале Nature.“Квантовые переходы в атомах в чем-то похожи на извержения вулканов. Их нельзя предсказать в долгосрочном плане, однако, если правильно следить за подобным объектом, то мы можем получить достаточно точное предупреждение о грядущей катастрофе и начать действовать еще до того, как она произойдет”, — рассказывает Златко Минев из Йельского университета (США).
Кот Шредингера — “участник” мысленного эксперимента, который был предложен австрийским физиком Эрвином Шредингером в 1935 году для демонстрации абсурдности квантовой механики. В его ходе в закрытый ящик помещается кот и механизм, открывающий емкость с ядом в случае распада радиоактивного атома. Это может произойти в любой момент времени, однако точный момент распада не известен.
В соответствии с принципами квантовой физики, кот одновременно и жив, и мертв. Отсюда берет свое начало термин “квантовая суперпозиция” – совокупность всех состояний, в которых может одновременно находиться кот или другой объект квантового мира. Сегодня физики активно пытаются создать такую кошку Шредингера, которого можно было бы увидеть невооруженным глазом.
9 апреля 2019, 16:44НаукаФизики создали квантовый “предсказатель” непредсказуемого будущегоВ реальности осуществить подобный эксперимент не так-то просто, если даже это в принципе возможно, так как на работу “ящика Шредингера” будет влиять его “классическая” часть, гравитационное замедление времени и целый ряд других факторов.
Отсутствие инструментов, позволяющих “увидеть” кота Шредингера, заставляет ученых активно спорить о том, где находится граница между квантовой и ньютоновско-эйнштейновской физикой, существует ли она вообще и влияет ли первая на поведение окружающих нас объектов.
Минев и его коллеги заинтересовались не самим четвероногим добровольцем или его коробкой, а более фундаментальной частью этого мысленного эксперимента – тем, как “суперпозиция” живого и мертвого кота совершает так называемый квантовый переход и становится одним из двух “классических” состояний.
Дело в том, что до недавнего времени ученые не знали, как именно происходит этот процесс. Многие физики, такие как Нильс Бор, считали, что квантовые переходы в принципе нельзя предсказать и что они происходят фактически мгновенно.
Грубо говоря, если один из электронов атома получает дополнительную порцию энергии и “перепрыгивает” на более высокую позицию, он фактически “телепортируется” с одного уровня на другой, не двигаясь через пространство. Другие теоретики, в том числе сам Шредингер и Альберт Эйнштейн, не соглашались с этим и считали, что их можно детерминистически просчитать и увидеть.
Только в 1980 годах ученые смогли впервые проследить за реальными переходами внутри атомов и подтвердить, что Бор и его сподвижники были ближе к истине, чем сторонники альтернативных концепций. Это, как отмечает Минев, однако не закрыло вопроса о том, как именно происходят подобные “квантовые прыжки”, можно ли их предсказать и манипулировать ими.
13 декабря 2018, 14:30НаукаФизики создали прозрачную “клетку” для кота ШредингераЙельские физики и их коллеги из Франции и Новой Зеландии получили ответы на все эти вопросы и одновременно поставили под сомнение теорию Бора, экспериментируя с котами Шредингера, построенными на базе сверхпроводящих кубитов. Они представляют собой искусственные аналоги атома или другие квантовые конструкции, способные хранить в себе одновременно и ноль, и единицу.
Эти “синтетические” атомы, собранные из особых сверхпроводниковых структур, были устроены таким образом, что они могли находиться в двух возбужденных состояниях, одно из которых, “светлое”, ученые могли увидеть, а второе оставалось скрытым от наблюдателей.
Кубиты накачивались таким образом, что атом постоянно переходил в “темное” состояние и затем возвращался в изначальную позицию. Одновременно с этим, ученые дополнительно манипулировали их работой таким образом, что в кубитах возникали аналогичные переходы между “светлым” и основным состоянием.
Наблюдая за работой этой системы, ученые натолкнулись на необычный феномен – перед тем, как атом готовился перейти в “темное” состояние, частота вспышек света, вырабатываемых атомом в “светлом” состоянии, резко снижалась. Подобные “затмения” были очень короткими – их длина составляла всего 45 микросекунд, однако этого времени вполне хватит, чтобы поменять программу “накачки” атома и предотвратить переход электрона в новое состояние.
Это, как показали дальнейшие опыты, можно сделать не просто до начала квантового перехода, а во время него. Подобный результат эксперимента, как считает Минев, говорит о том, что, по крайней мере, часть теории Бора не верна – на самом деле, квантовые переходы не мгновенны и их можно предсказать в краткосрочной перспективе.
Иными словами, жизнь кота Шредингера не обязательно должна всецело зависеть от случая – при определенной сноровке и обстоятельствах, его можно спасти, заключают ученые.
1 мая 2017, 18:09НаукаРоссийские физики научились “откармливать” котов ШредингераКот Шрёдингера | Наука и жизнь
Кот Шрёдингера не жив и не мёртв.‹
›
С именем австрийского учёного Эрвина Шрёдингера связан негуманный, но, к счастью, оставшийся мысленным эксперимент, с помощью которого учёный хотел показать неполноту квантовой механики, то есть её неспособность объяснить некоторые явления. В оригинальной статье Шрёдингера этот эксперимент описан так:
«Некий кот заперт в стальной камере вместе со следующей адской машиной (которая должна быть защищена от прямого вмешательства кота): внутри счётчика Гейгера находится крохотное количество радиоактивного вещества, столь небольшое, что в течение часа может распасться только один атом, но с такой же вероятностью может и не распасться; если же это случится, считывающая трубка разряжается и срабатывает реле, спускающее молот, который разбивает колбочку с синильной кислотой. Если на час предоставить всю эту систему самой себе, то можно сказать, что кот будет жив по истечении этого времени, коль скоро распада атома не произойдёт. Первый же распад атома отравил бы кота. Пси-функция системы (уравнение, описывающее квантовое состояние системы. — Прим. ред.) в целом будет выражать это, смешивая в себе или размазывая живого и мёртвого кота (простите за выражение) в равных долях…
В подобных случаях неопределённость, первоначально ограниченная атомным миром, преобразуется в макроскопическую неопределённость, которая может быть устранена путём прямого наблюдения. Это мешает нам наивно принять “модель размытия” как отражающую действительность. Само по себе это не означает ничего неясного или противоречивого. Есть разница между нечётким или расфокусированным фото и снимком облаков или тумана».
Состояние радиоактивного атома описывается суперпозицией, то есть смешением двух состояний — распавшегося и не распавшегося. Следовательно, кот и жив, и мёртв одновременно. Но если кто-то откроет крышку (осуществит наблюдение), то квантовое состояние суперпозиции разрушится и наблюдатель увидит либо живого, либо мёртвого кота.
В копенгагенской интерпретации этот парадокс объясняется достаточно просто: волновая функция при наложении на макрообъекты разрушается, поэтому кот не может находиться в состоянии суперпозиции по определению. А многомировая теория предполагает, что в момент наблюдения образуются два состояния наблюдателя, в одном из которых он видит живого кота, а в другом — мёртвого. Как уже говорилось в статье, квантовая механика не поддаётся объяснению с точки зрения обыденной логики и опыта, поэтому придётся поверить учёным на слово и подождать, пока в этом вопросе появится больше ясности.
В любом случае от опытов с живыми котами следует воздержаться.
суть эксперимента, теория простыми словами
Кот Шредингера — один из самых доступных и понятных экспериментов, имеющих отношение к квантовой механике. Как обычно, расскажем просто о сложном, дадим понятное объяснение этому научному феномену.
Кратко об авторе эксперимента
Автором этого эксперимента стал австриец Эрвин Шредингер. Известный ученый, физик-теоретик, создатель квантовой механики получил Нобелевскую премию в 1933 году.
Эрвину Шредингеру принадлежат несколько фундаментальных работ в области квантовой теории, которые лежат в основе волновой механики. Также он сформулировал 2 вида волновых уравнений:
- стационарное;
- временное.
Ученый разработал волновую механическую теорию возмущений, смог получить решение для ряда конкретных физических задач. Шредингер предложил свое описание физического смысла волновой функции, также он подвергал критике общепринятую копенгагенскую интерпретацию квантовой механики. Кроме этого он является автором множества значительных работ в различных областях физики:
- статической механики;
- термодинамики;
- физике диэлектриков;
- теории цвета;
- электродинамики;
- общей теории относительности и космологии.
Эксперимент Шредингера
Чтобы понять суть эксперимента с котом, объясним, для чего этот опыт был придуман ученым.
Теория о поведении атомов
Эксперимент Шредингера вырос из критики ученым некоторых аспектов квантовой теории.
Основной постулат теории гласит, что система находится в суперпозиции, пока за ней не производится наблюдение.
Суперпозиция — это парадокс, который предполагает наличие двух или более состояний, которые взаимоисключают друг друга. В научном мире суперпозицией называют способность кванта (электрона, фотона или ядра атома) быть одновременно в двух состояниях и находиться в двух разных точках пространства тогда, когда за ним никто не наблюдает.
Науке XIX века было известно, что в квантовом мире действуют одни физические законы, в макромире — совершенно другие. Но не было концепции, объясняющей переход от одного мира к другому. Шредингер создал свой эксперимент, чтобы показать пробелы в знаниях в квантовой физике. Во многом благодаря деятельности и работе ученого в научном мире произошло разделение физической науки на две части: классическую и квантовую.
Суть эксперимента
О мысленном эксперименте, получившем название «Кот Шредингера» ученый рассказал в 1935 году. В основе опыта лежит принцип суперпозиции. Ученый акцентировал внимание на том, что пока за фотоном не установлено наблюдение, он может быть:
- частицей или волной;
- красным или зеленым;
- круглым или квадратным.
Из теории квантового дуализма сам собой вытекает принцип неопределенности, который и лег в основу опыта про кота.
Суть эксперимента следующая:
- В закрытом ящике находятся кот, емкость с синильной кислотой и радиоактивное вещество.
- В течение часа ядро может распасться с вероятностью 50%.
- В случае распада атомного ядра, счетчик Гейгера зафиксирует это событие. Произойдет срабатывание механизма, будет разбита емкость с отравой, и кот умрет.
- Соответственно, если ядро не распадается, кот остается живым.
Эксперимент говорит о том, что пока за котом и ядром нет наблюдения, они одновременно находится в двух, исключающих друг друга состояниях: кот одновременно живой и мертвый, ядро атома — распавшееся и не распавшееся. Ученый доказал, что то, что возможно в квантовом мире, невозможно в макромире. Кот не может одновременно умереть и остаться в живых.
Копенгагенская интерпретация теории
Копенгагенской интерпретацией называют современное толкование эксперимента Шредингера. Оно звучит так: пока в системе нет наблюдателя за ядром атома, оно одновременно является распавшимся и нераспавшимся. Но утверждение о живом и мертвом коте одновременно, ошибочно, потому что в макромире нет явлений, подобных тем, что происходят в микромире. В данном эксперименте следует рассматривать ядро атома и счетчик Гейгера.
Считается, что Шредингер описал систему своего опыта недостаточно полно. Ядро атома может выбрать одно из двух состояний в тот момент, когда производят измерения. Но этот выбор имеет значение не тогда, когда открывают коробку с котом. Открытие ящика актуально в макромире, далеком от атомного. Ядро же выбирает свое состояние в тот момент, когда его состояние фиксирует счетчик Гейгера.
Многомировая интерпретация Эверетта
В интерпретации квантовой механики, нет дилеммы взаимоисключающих друг друга состояний. Оба состояния кота — живого и мертвого — существуют, но декогерируют. Т.е., когда ящик открывают, происходит расщепление или распараллеливание Вселенной на две, в одной из них наблюдатель видит мертвого кота, в другой — живого.
Практическое применение теории
Теория Шредингера получила практическое применение:
- в квантовых вычислениях;
- в квантовой криптографии.
Приведем пример:
Световой сигнал передается по оптическому волокну, которое находится в суперпозиции двух состояний. В случае подключения злоумышленников к кабелю и отвода сигнала для прослушивания передаваемой информации произойдет схлопывание волновой функции (по копенгагенской интерпретации появится наблюдатель) и свет перейдет в одно из двух состояний. Произведя измерения света на приемном конце оптического волокна, можно установить, будет ли свет находиться в суперпозиции состояний, вычислить произведенное над ним наблюдение и передачу в другой пункт. Таким образом можно создать средства связи, исключающие незаметный для передающего перехват сигнала и подслушивание информации третьими лицами.
Как видите, эксперимент с котом Шредингера не самое сложное понятие в физике. Разобраться с ним достаточно легко. Так же просто специалисты Феникс.Хелп могут объяснить более сложные опыты, понятия и формулы. Смело обращайтесь за помощью!
парадокс, теория, смысл. Жив он или нет?
Все мы слышали про знаменитого кота Шредингера, но знаем ли мы, что это за кот такой на самом деле? Давайте разберемся и попытаемся рассказать о знаменитом коте Шредингера простыми словами.
Кот Шредингера – это эксперимент, проведенный Эрвином Шредингером, одним из отцов-основателей квантовой механики. Причем это не обычный физический эксперимент, а мысленный.
Надо признать, что Эрвин Шредингер был человеком с очень богатым воображением.
Итак, что у нас есть в качестве воображаемой основы для проведения эксперимента? Есть кот, помещенный в коробку. В коробке также находится счетчик Гейгера с некоторым очень маленьким количеством радиоактивного вещества. Количество вещества таково, что вероятность распада и нераспада одного атома в течение часа – одинакова. Если атом распадется, запустится специальный механизм, который разобьёт колбу с синильной кислотой, и бедный кот умрет. Если же распада не произойдет, то кот продолжит тихонько сидеть себе в коробке и мечтать о сосисках.
Кот Шредингера одновременно жив и мертв
В чем же суть кота Шредингера? Зачем вообще было придумывать такой сюрреалистический опыт?
Согласно результатам эксперимента мы узнаем, жив кот или нет, только когда открываем коробку. С точки зрения квантовой механики кот одновременно (как и атом вещества) находится сразу в двух состояниях – и жив, и мертв одновременно. Это и есть знаменитый парадокс кота Шредингера.
Естественно, такого быть не может. Эрвин Шредингер поставил этот мысленный эксперимент, чтобы показать несовершенство квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим.
Кот Шредингера – мысленный эксперимент
Приведем формулировку самого Шредингера:
Можно построить и случаи, в которых довольно бурлеска. Пусть какой-нибудь кот заперт в стальной камере вместе со следующей дьявольской машиной (которая должна быть независимо от вмешательства кота): внутри счётчика Гейгера находится крохотное количество радиоактивного вещества – столь небольшое, что в течение часа может распасться только один атом, но с такой же вероятностью может и не распасться; если же это случится, считывающая трубка разряжается и срабатывает реле, спускающее молот, который разбивает колбочку с синильной кислотой.
Если на час предоставить всю эту систему самой себе, то можно сказать, что кот будет жив по истечении этого времени, коль скоро распада атома не произойдёт. Первый же распад атома отравил бы кота. Пси-функция системы в целом будет выражать это, смешивая в себе или размазывая живого и мёртвого кота (простите за выражение) в равных долях. Типичным в подобных случаях является то, что неопределённость, первоначально ограниченная атомным миром, преобразуется в макроскопическую неопределённость, которая может быть устранена путём прямого наблюдения. Это мешает нам наивно принять «модель размытия» как отражающую действительность. Само по себе это не означает ничего неясного или противоречивого. Есть разница между нечётким или расфокусированным фото и снимком облаков или тумана.
Определенно положительным моментом в данном эксперименте является тот факт, что не одно животное в его ходе не пострадало.
Кот Шредингера. Юмор
Напоследок, для закрепления материала предлагаем Вам посмотреть видео из старого доброго сериала «Теория Большого Взрыва».
А если у Вас вдруг остались вопросы или преподаватель задал задачку по квантовой механике, обращайтесь к нашим авторам. Вместе мы решим все вопросы гораздо быстрее!
Автор: Иван
Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.
Как переосмысление кота Шредингера ломает квантовую механику
Пожалуй, мысленный эксперимент физика Эрвина Шредингера, который известен как эксперимент с котом Шредингера — один из самых популярных в своем роде. Представьте себе коробку, в которой находится кот и ампула с ядом, открытие которой случайно — к примеру, зависит от того, распадется ли определенная частица или нет. Разумеется, коробка от нас закрыта (а кот не мяукает). Можем ли мы сказать, жив он или нет, пока не откроем коробку? В общем-то нет, так что пока коробка закрыта, кот в прямом смысле находится в состоянии «ни жив, ни мертв». И теперь физики пошли еще дальше, заменив кота в коробке… физиком, проводящим эксперименты, с шокирующими последствиями для науки.
Квантовая теория имеет долгую историю мысленных экспериментов, и в большинстве случаев они используются, чтобы указать на слабые стороны различных интерпретаций квантовой механики. Но последняя версия эксперимента, с физиком вместо кота, необычна: она показывает, что если стандартная интерпретация квантовой механики правильна, то разные экспериментаторы могут прийти к противоположным выводам о том, что измерил физик в ящике. Это означает, что квантовая теория противоречит самой себе.
Этот концептуальный эксперимент с большим удовольствием обсуждался в кругах физиков более двух лет, и оставил большинство исследователей в тупике — даже с учетом того, в этой области физики к парадоксам уже все привыкли. «Я думаю, что это совершенно новый уровень странности», — говорит Мэтью Лейфер, физик-теоретик из Университета Чепмена в Оранге, штат Калифорния.
Авторы эксперимента, Даниэль Фраучигер и Ренато Реннер, оба из Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе, опубликовали его первую версию в Интернете в апреле 2016 года. Заключительный документ был опубликован 18 сентября этого года.
Странный новый мир
Квантовая механика лежит в основе почти всей современной физики, объясняя все от структуры атомов и до того, почему магниты притягиваются друг к другу. Но ее концептуальные основы продолжают оставлять исследователей в поисках ответов. Ее уравнения не могут предсказать точный результат измерения — например, положение электрона в любой момент времени — только вероятности того, что он будет находиться в определенной области.
Таким образом, квантовые объекты, такие как электроны, живут в облаке неопределенности, математически закодированном в волновой функции, которая меняет форму плавно, подобно обычным волнам в море. Но когда измеряется свойство, такое как положение электрона в определенный момент времени, функция всегда дает одно точное значение (и снова дает то же значение, если измерить еще раз сразу же).
Наиболее распространенный способ понять это был сформулирован в 1920-х годах пионерами квантовой теории — Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом, и называется он копенгагенской интерпретацией — в честь города, в котором жил Бор. В ней говорится, что акт наблюдения за квантовой системы заставляет волновую функцию «коллапсировать» от кривой распределения в единую точку данных.
Копенгагенская интерпретация оставила открытым вопрос о том, почему к квантовому атомному миру и классическому миру лабораторных измерений (и повседневного опыта) должны применяться различные правила. Но это было хотя бы обнадеживающе: хотя квантовые объекты живут в неопределенных состояниях, экспериментальное наблюдение происходит в классической области и дает однозначные результаты.
Теперь Фраучигер и Реннер вытряхивают физиков из этой «зоны комфорта». Их теоретические рассуждения говорят о том, что основная картина копенгагенской интерпретации, а также другие интерпретации, которые объясняют некоторые из основных предположений квантовой механики, не являются внутренне согласованными.
Что в коробке?
В 1967 году венгерский физик Евгений Вигнер предложил свою версию парадокса, в которой он заменил кошку и яд на друга-физика, который занял место кота в коробке вместе с прибором, который мог случайно вернуть один из двух результатов: к примеру, подкинуть монетку и сказать, что выпало — «орел» или «решка». Разрушается ли волновая функция, когда друг Вигнера в коробке узнает о результате? С одной стороны — да, ведь состояние системы теперь известно. Но если мы применим законы квантовой механики к самому Вигнеру, то неопределенность сохраняется — значит, волновая функция продолжает работать, по крайней мере до тех пор, пока Вигнер не выпустит друга из коробки.
Фраучигер и Реннер пошли еще дальше. У них есть два Вигнера, каждый из которых проводит эксперимент с другом-физиком, которые сидят в коробках и имеют одну из двух квантовых запутанных монет (то есть их состояния связаны — грубо говоря, если на одной монетке выпадет решка, то на другой обязан выпасть орел). Один из двух друзей (назовем ее, разумеется, Алиса) может бросить монету — соответственно, друг в соседней коробке (которого зовут, конечно же, Боб) тут же узнает результат этого броска. Допустим, у Алисы выпала «решка», тогда у Боба — «орел». Теперь Вигнеры открывают коробки, и в части случаев они действительно увидят у Алисы «решку», а у Боба — «орла», но может быть так, что они увидят обратное, то есть у Алисы будет «орел». Как так? Все просто — при броске волновая функция разрушается случайным образом, но так как Вигнеры результаты броска не знают, то… у них случайность своя! Поэтому для Алисы и ее Вигнера монетка вполне может упасть разными сторонами, что и дает нам парадокс.
Увы — эксперимент пока так и остается мысленным, ибо наша техника до такого уровня еще не развилась. Тем не менее, вполне возможно, что два квантовых компьютера сыграют роль Алисы и Боба: логика эксперимента требует только того, чтобы они знали правила квантовой физики и принимали решения на их основе — но, увы, опять же пока что квантовых компьютеров с такой мощностью не существует.
Дуэльные интерпретации
Споры насчет этого парадокса ведутся до сих пор. Так, некоторые исследователи полагают, что квантовая механика не может давать правильные результаты для макрообъектов (таких, как, например, люди). У Лейфера на этот счет другое мнение. Некоторые интерпретации квантовой механики уже допускают представления о реальности, зависящие от перспективы. Это может быть менее неприятно, чем признать, что квантовая теория не применима к сложным вещам, таким как люди, говорит он.
Роберт Спеккенс, физик-теоретик из Института теоретической физики в Ватерлоо, говорит, что выход из парадокса может скрываться в том, что Боб узнал состояние монеты Алисы. По его словам, возможно, что несоответствие возникает из-за того, что Боб не интерпретировал результат Алисы должным образом. Но он признает, что пока не нашел решения.
На данный момент физики, вероятно, продолжат обсуждение. «Я не думаю, что мы это поняли», — говорит Лейфер.
Не котом единым. Чем еще занимался Эрвин Шрёдингер, кроме мысленных экспериментов с кошками
Первая мировая застала Шрёдингера в самом начале его научной карьеры: в 1910 году он закончил Венский университет, потом несколько лет работал экспериментатором в группе своего наставника Франца Экснера и в 1914 году только получил должность приват-доцента в университете. Шрёдингеру повезло: его определили в артиллеристы и отправили на относительно спокойный участок Юго-Западного фронта Австро-Венгрии, где физику даже удавалось заниматься наукой.
Как это у него получалось — загадка. Работал ли он по ночам или днем — в тревожном мареве неопределенности ждущих боя солдат — об этом нет никаких точных свидетельств, но зато кое-что мы знаем наверняка: за годы войны Шрёдингер так хорошо изучил свежие работы Альберта Эйнштейна по общей теории относительности, что уже в 1918 году опубликовал две собственные статьи по этой теме — кажется, Шрёдингер мог работать почти в любых условиях, и дальше ему это очень пригодилось.
В полной неопределенности
После войны жизнь австрийского физика не стала многим спокойнее. Во-первых, переезды и смены работы — вещь обычная для многих ученых, но все-таки аномально частая в случае Шрёдингера. Вена, Йена, Штутгарт, Бреслау, Цюрих, Берлин, Оксфорд, Грац, Гент, Дублин и наконец снова Вена — вот список основных локаций. В одних местах Шрёдингер проводит всего несколько месяцев, в других — несколько лет, а потом срывается и едет дальше.
Вторая неопределенность — на личном фронте. Ни Эрвин Шрёдингер, ни его жена Аннемари Бертель никогда об этом открыто не говорили, но они скорей были полиаморами, чем строили традиционные моногамные отношения. У каждого из них было немало открытых любовников, а у Эрвина — даже несколько внебрачных детей. Кажется, что оба супруга воспринимали такой брак абсолютно естественным — во всяком случае, они оставались в браке до самой смерти Шредингера.
Окружающим все это нравилось куда меньше. Например, из Оксфорда (туда, кстати, австрийский физик пристроил своего коллегу Артура Маха, жена которого была любовницей Шрёдингера) Эрвин в конечном счете уехал под давлением Клайва Стейплза Льюиса и других местных ученых, возмущенных его личной жизнью.
И наконец, неопределенность третья, общая для всех европейцев того времени — предчувствие следующей войны. Шрёдингера тоже это коснулось: в 1927 году он получил чрезвычайно престижное место профессора в Берлинском университете, где, наверное, мог бы проработать всю жизнь, но уже в 1933 году — вскоре после прихода к власти Гитлера — Шрёдингер, не желавший сотрудничать с режимом, эмигрировал в Оксфорд.
А через несколько лет история повторилась в зеркальном отражении. В 1936 году Шрёдингер уезжает из Оксфорда в австрийский Грац, через два года Австрия становится частью гитлеровской Германии и Эрвин идет на сделку. Он публикует публичное покаянное письмо, которое, впрочем, не помогает ему удержать новое место — через несколько месяцев Шрёдингера увольняют.
За волной волна
Постоянство и гармонию Шрёдингер искал в науке, и поэтому неудивительно, что квантовая физика начала 20-х годов прошлого века сильна его смущала. Тогда там все было очень смутно: становилось понятно, что на микроскопическом уровне материя описывается совершенно другими, незнакомыми законами физики, но какими именно — никто окончательно объяснить не мог.
Типичный пример — атом водорода. Данные экспериментов показывали, что электрон в нем может находиться только строго в определенных состояниях, то есть обладать строго определенными энергиями, и разные ученые объясняли такую дискретность по-разному. Одни шли от законов классической механики — вводили искусственные ограничения, например, на импульсы микрочастиц, другие — использовали сложный математический аппарат матричных вычислений, а Шрёдингер выбрал третий путь.
В 1923 году французский физик Луи де Бройль показал, что все частицы могут быть одновременно волнами, а волны, наоборот, — частицами, и Эрвин зацепился за эту идею, но, если можно так сказать, только частично. От самого ключевого, то есть дуализма, он в своей теории как раз хотел избавиться. Шрёдингер считал, что вся материя — волны, которые, с одной стороны, при взаимодействии друг с другом «сгущаются» в отдельные частицы, а с другой — колеблются таким образом, что из этих движений автоматически получается дискретный характер состояний микрочастиц.
Портрет Шрёдингера на австрийской банкноте в 1000 шиллингов, бывшей в употреблении до прихода евро. Это была вторая по номиналу банкнота Австрии — больше только 5000 шиллингов, на которых был изображен Моцарт. Фото: Wikimedia Commons / Public DomainВ поисках математической начинки такого гармоничного мира (ведь как все красиво и стройно: никакой двойственности материи или искусственных ограничений на свойства частиц) Шрёдингер сначала удалился в швейцарскую Арозу, а потом, по возвращению в Цюрих, долгие часы проводил в купальнях на Цюрихском озере. Идиллия волн материи и волн озера сработала: в 1926 году Шрёдингер разразился серией статей, в которой сформулировал свою волновую квантовую механику.
Главные результаты этой теории — волновые уравнения (теперь они известны как стационарное и нестационарное уравнения Шрёдингера). По форме они напоминали уравнения гидродинамики или других волновых процессов, но из них можно было сравнительно простыми вычислениями получить, например, те самые энергетические уровни электронов в атоме водорода. А сами уравнения описывали, как во времени и пространстве меняется волновая функция — некоторая величина, описывающая состояние микроскопической системы.
И хотя сам Шрёдингер так и не нашел четкой физической интерпретации для волновой функции, с этими работами он стал настоящей звездой квантового мира. Новый математический аппарат был гораздо удобнее матричных вычислений (позже Шрёдингер покажет, что эти описания идентичны) и давал настолько точные результаты, что уже в 1933 году австрийский физик получил Нобелевскую премию по физике, а уравнения Шредингера для квантовой механики стали такими же важными, как законы Ньютона для механики классической.
Квантовый Леонардо
Шрёдингер был разносторонним человеком: он говорил на шести языках, занимался теорией цвета, писал стихи (в 1949 году даже опубликовал сборник) и любил философию — настолько, что одно время мечтал ради философии бросить занятия физикой.
Из этой затеи ничего не вышло: физика осталась с австрийцем на всю жизнь, но и здесь отразилось его непостоянство, волновые колебания интересов и любовей. Кроме квантовой теории Шрёдингер вложился во множество разных областей: он занимался вопросами общей теории относительности, гравитации, космологии, нежно любил статистическую физику. «Круг этих идей, — вспоминал Шрёдингер свою учебу в Венском университете, — стал для меня как бы первой любовью в науке, ничто другое меня так не захватывало и, пожалуй, уже никогда не захватит».
С такой коллекцией интересов он мечтал построить «теорию всего» — единую теорию поля, которая бы в одних уравнениях описывала все известные тогда физические взаимодействия и включала бы общую теорию относительности как частный случай.
Форзац книги Шредингера «Что такое жизнь с точки зрения физики». Изображение: Wikimedia CommonsНад этой идеей Шрёдингер работал в Дублине, но несколько лет труда не увенчались успехом. Что неудивительно — такая теория не создана до сих пор. Вместо этого Дублинский период Шрёдингера украсила одна небольшая, но очень важная для многих последующих ученых книжка почти научно-популярного содержания — «Что такое жизнь с точки зрения физики».
К тому времени у биологов было уже очень много информации о наследственности, но генетика находилось в зачаточном положении. Были строгие законы Менделя, которые описывали, как наследуются гены, а вместе с ними и фенотип. Были экспериментальные работы, показывавшие, что мутации в генах можно спровоцировать рентгеновским или гамма-излучением. Наконец, было понимание, что гены собраны в хромосомах — неких структурах в ядрах клеток, но что именно хранит наследственную информацию и составляет эти гены и как она передается от организма к организму, никто не знал.
Гены были для многих биологов такими априорными объектами, внутрь которых заглядывать казалось абсолютно бесполезным, — нечто вроде неделимых электронов для физиков. Шрёдингер очень заинтересовался этой областью, неуловимо похожей на квантовый мир (например, все та же дискретность: у гороха в экспериментах Менделя были только белые или пурпурные цветы и никаких промежуточных состояний) и обобщил все имеющиеся данные в своей книге, а потом сделал смелое предположение. Генетическая информация, по его мысли, должна была храниться в молекулярном апериодическом кристалле — некой материальной структуре, не подверженной тепловым флуктуациям (и поэтому способной передавать генетическую информацию из поколения в поколение), в которой одни и те же части повторяются в пространстве.
Да, формулировка достаточно пространная и неясная — почти на уровне той же волновой функции, и некоторые критики говорят, что уже тогда эта мысль была не нова. Но есть и другие голоса: Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик, первооткрыватели структуры ДНК, вспоминают, что маленькая книга Шрёдингера стала для них важной отправной точкой. Волной из мира физики, сгустившейся в нечто совершенно новое — молекулярную биологию.
Михаил Петров
Кот Шрёдингера. Сериал «Теория Большого взрыва» от А до Я
Кот Шрёдингера
«Кот Шрёдингера» – название одного из важнейших экспериментов квантовой физики. Он назван так в честь австрийского физика Эрвина Шрёдингера, который сформулировал его в 1935 году. Заметим в скобках, что это был исключительно «мыслительный» эксперимент, и ученый никогда не пытался повторить его на практике. Шрёдингер хотел понять один из главных парадоксов квантовой физики. В те годы ученые считали, что на квантовом уровне (самый минимальный, податомный, из достигнутых наукой уровней материи) одна и та же материя (например, электрон) может находиться более чем в одном состоянии в один и тот же отрезок времени. Это гипотетическое явление получило название «суперпозиция». Однако никто из ученых не допускал, что более крупные объекты (такие, как, например, кот) могут находиться в двух разных состояниях одновременно. Шрёдингер считал, что два этих противоречивых убеждения не должны существовать в науке, и он взялся с помощью эксперимента доказать, что и крупные объекты могут пребывать одновременно в двух разных состояниях.
Эксперимент состоял в том, чтобы поместить кота в коробку, спрятав его от наблюдателя, вместе с радиоактивными частицами, счетчиком Гейгера и бутылкой цианида. Существует ровно 50-процентная вероятность, что радиоактивные частицы разрушатся в течение часа. Если произойдет разрушение, то счетчик Гейгера взорвется, бутылка цианистого калия откроется и кот умрет. Если этого не случится, кот останется жив. Следовательно, в течение этого часа кот будет одновременно и жив, и мертв (не либо жив, либо мертв, а именно в двух разных состояниях одновременно) для наблюдателя, который не будет видеть, что происходит в коробке. Это и есть суперпозиция.
Разумеется, когда Пенни пришла к Шелдону, чтобы попросить у него совета, встречаться ли ей с Леонардом, она отнюдь не ожидала, что нарвется на пространные и нудные объяснения одной из самых сложных для понимания концепций физики. Хотя, может быть, ей следовало бы быть к этому готовой, – в конце концов, это же Шелдон!
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
Продолжение на ЛитРесНовый взгляд на кошку Шредингера ломает квантовую механику и ставит физиков в тупик
Кредит: Алексей Исаченко / Алами
В самом известном в мире мысленном эксперименте физик Эрвин Шредингер описал, как кошка в коробке может оказаться в неопределенном затруднительном положении. Своеобразные правила квантовой теории означают, что кошка может быть как мертвой, так и живой, пока коробка не будет открыта и не будет измерено состояние кошки. Теперь два физика изобрели современную версию парадокса, заменив кошку физиком, проводящим эксперименты – с шокирующими последствиями.
Квантовая теория имеет долгую историю мысленных экспериментов, и в большинстве случаев они используются, чтобы указать на слабые места в различных интерпретациях квантовой механики. Но последняя версия, в которой участвуют несколько игроков, необычна: она показывает, что если стандартная интерпретация квантовой механики верна, то разные экспериментаторы могут прийти к противоположным выводам о том, что измерил физик в коробке. Это означает, что квантовая теория противоречит сама себе.
Концептуальный эксперимент с энтузиазмом обсуждался в физических кругах более двух лет – и оставил большинство исследователей в тупике даже в области, привыкшей к странным концепциям.«Я думаю, что это совершенно новый уровень странностей», – говорит Мэтью Лейфер, физик-теоретик из Университета Чепмена в Ориндж, Калифорния.
Авторы, Даниэла Фраучигер и Ренато Реннер из Швейцарского федерального технологического института (ETH) в Цюрихе, опубликовали свою первую версию аргументации в Интернете в апреле 2016 года. Заключительный документ опубликован в журнале Nature Communications 18 сентября. . (Фраучигер покинула академию.)
Странный мир
Квантовая механика лежит в основе почти всей современной физики, объясняя все, от структуры атомов до того, почему магниты прилипают друг к другу.Но его концептуальные основы по-прежнему заставляют исследователей искать ответы. Его уравнения не могут предсказать точный результат измерения – например, положения электрона – только вероятности того, что он может дать определенные значения.
Квантовые объекты, такие как электроны, поэтому живут в облаке неопределенности, математически закодированной в «волновой функции», которая плавно меняет форму, подобно обычным волнам в море. Но когда измеряется такое свойство, как положение электрона, оно всегда дает одно точное значение (и дает то же значение снова, если измеряется сразу после этого).
Наиболее распространенный способ понимания этого был сформулирован в 1920-х годах пионерами квантовой теории Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом и получил название Копенгагенской интерпретации в честь города, в котором жил Бор. Он говорит, что акт наблюдения квантовой системы заставляет волновую функцию «схлопнуться» с кривой распространения до единственной точки данных.
Копенгагенская интерпретация оставила открытым вопрос, почему разные правила должны применяться к квантовому миру атома и классическому миру лабораторных измерений (и повседневного опыта).Но это также обнадеживает: хотя квантовые объекты живут в неопределенных состояниях, экспериментальное наблюдение происходит в классической сфере и дает однозначные результаты.
Теперь Фраухигер и Реннер вытряхивают физиков из этого успокаивающего положения. Их теоретические рассуждения говорят о том, что основная картина Копенгагена, а также другие интерпретации, которые разделяют некоторые из ее основных предположений, внутренне непоследовательны.
Что в коробке?
Их сценарий значительно более сложен, чем кот Шредингера, предложенный в 1935 году, в котором животное из семейства кошачьих живет в ящике с механизмом, который высвобождает яд на основе случайного явления, такого как распад атомного ядра.В этом случае состояние кошки было неопределенным, пока экспериментатор не открыл коробку и не проверил ее.
В 1967 году венгерский физик Юджин Вигнер предложил версию парадокса, в которой он заменил кошку и яд на друга-физика, который жил в коробке с измерительным прибором, который мог выдать один из двух результатов, например, монету. показывает орла или решку. Коллапсирует ли волновая функция, когда друг Вигнера узнает о результате? Одна школа мысли утверждает, что это так, предполагая, что сознание находится за пределами квантовой области.Но если к физику применима квантовая механика, то он должен находиться в неопределенном состоянии, объединяющем оба результата, пока Вигнер не откроет ящик.
У Фраухигера и Реннера есть еще более изощренная версия (см. «Новые кошки в городе»). У них есть два Вигнера, каждый из которых проводит эксперимент над своим другом-физиком, которого они держат в ящике. Один из двух друзей (назовите ее Алисой) может подбросить монетку и – используя свои знания квантовой физики – подготовить квантовое сообщение для отправки другому другу (назовите его Боб).Используя свои знания квантовой теории, Боб может обнаружить сообщение Алисы и угадать результат ее подбрасывания монеты. Когда два Вигнера открывают свои ящики, в некоторых ситуациях они могут с уверенностью сделать вывод, на какую сторону приземлилась монета, говорит Реннер, но иногда их выводы противоречивы. «Один говорит:« Я уверен, что это решка », а другой говорит:« Я уверен, что это решка », – говорит Реннер.
Эксперимент не может быть осуществлен на практике, потому что он потребовал бы от Вигнеров измерить все квантовые свойства своих друзей, включая чтение их мыслей, отмечает теоретик Лидия Дель Рио, коллега Реннера из ETH Zurich.
Тем не менее, можно было бы заставить два квантовых компьютера играть роли Алисы и Боба: логика аргументации требует только, чтобы они знали правила физики и принимали решения на их основе, и в принципе можно обнаружить полную квантовую систему. состояние квантового компьютера. (Квантовые компьютеры, достаточно сложные, чтобы делать это, еще не существуют, – отмечает Реннер.)
Дуэльные интерпретации
Физики все еще пытаются понять значение результата.Это вызвало бурную реакцию со стороны экспертов по основам квантовой теории, многие из которых склонны защищать свою любимую интерпретацию. «Некоторые становятся эмоциональными, – говорит Реннер. И разные исследователи склонны делать разные выводы. «Большинство людей утверждают, что эксперимент показывает, что их интерпретация является единственно верной».
По мнению Лейфера, получение противоречивых результатов не обязательно должно быть препятствием для сделки. Некоторые интерпретации квантовой механики уже допускают взгляды на реальность, зависящие от перспективы.По его словам, это может быть менее неприятно, чем признание того, что квантовая теория неприменима к таким сложным вещам, как люди.
Роберт Спеккенс, физик-теоретик из Института теоретической физики Периметра в Ватерлоо, Канада, говорит, что выход из парадокса может скрываться в некоторых тонких допущениях в аргументе, в частности, в общении между Алисой и Бобом.
«На мой взгляд, во многих ситуациях принятие чьих-либо знаний требует некоторого перевода их знаний.«Возможно, несоответствие возникает из-за того, что Боб неправильно интерпретирует сообщение Алисы», – говорит он. Но признает, что решения пока не нашел.
А пока физики, скорее всего, продолжат споры. «Я не думаю, что мы поняли это, – говорит Лейфер.
Что доказал эксперимент с котом Шредингера?
Категория: Физика Опубликовано: 30 июля 2013 г.
Образ общественного достояния, источник: CDC.
«Кот Шредингера» не был настоящим экспериментом и поэтому ничего научно не доказал.Кот Шредингера даже не является частью какой-либо научной теории. Кот Шредингера был просто учебным пособием, которое Шредингер использовал, чтобы проиллюстрировать, как некоторые люди неверно истолковывают квантовую теорию. Шредингер построил свой воображаемый эксперимент с кошкой, чтобы продемонстрировать, что простое неверное толкование квантовой теории может привести к абсурдным результатам, которые не соответствуют реальному миру. К сожалению, многие популяризаторы науки в наши дни осознали абсурдность Кота Шредингера и утверждают, что именно так устроен мир.
В квантовой теории квантовые частицы могут одновременно существовать в суперпозиции состояний и коллапсировать в одно состояние при взаимодействии с другими частицами. Некоторые ученые в то время, когда разрабатывалась квантовая теория (1930-е годы), перешли из науки в область философии и заявили, что квантовые частицы коллапсируют до единственного состояния только тогда, когда их видит сознательный наблюдатель. Шредингер нашел эту концепцию абсурдной и разработал свой мысленный эксперимент, чтобы прояснить абсурдный, но логичный результат таких утверждений.
В воображаемом эксперименте Шредингера вы помещаете кошку в ящик с крошечным кусочком радиоактивного вещества. Когда радиоактивное вещество распадается, оно запускает счетчик Гейгера, который вызывает выброс яда или взрыв, убивающий кошку. Теперь распад радиоактивного вещества регулируется законами квантовой механики. Это означает, что атом начинает в комбинированном состоянии «распадаться» и «не распадаться». Если мы применим к этому случаю идею, основанную на наблюдателе, сознательного наблюдателя нет (все находится в запечатанном ящике), поэтому вся система остается как комбинация двух возможностей.Кот оказывается живым и мертвым одновременно. Поскольку существование кошки, которая одновременно мертва и жива, абсурдно и не происходит в реальном мире, этот мысленный эксперимент показывает, что коллапс волновой функции осуществляется не только сознательными наблюдателями.
Эйнштейн увидел ту же проблему с идеей, управляемой наблюдателем, и поблагодарил Шредингера за его умную иллюстрацию, сказав: «Однако эта интерпретация наиболее элегантно опровергается вашей системой: радиоактивный атом + счетчик Гейгера + усилитель + заряд пороха +. кот в коробке, в которой пси-функция системы содержит кота как живого, так и разнесенного на куски.Разве состояние кошки может быть создано только тогда, когда физик исследует ситуацию в определенное время? »
С того времени появилось достаточно свидетельств того, что коллапс волновой функции не является результатом одних только сознательных наблюдателей. Фактически, каждое взаимодействие, совершаемое квантовой частицей, может разрушить ее состояние. Тщательный анализ показывает, что «эксперимент» с котом Шредингера будет разыгрываться в реальном мире следующим образом: как только радиоактивный атом взаимодействует со счетчиком Гейгера, он коллапсирует из своего неразложившегося / распавшегося состояния в одно определенное состояние.Счетчик Гейгера определенно срабатывает, и Кота точно убивают. Или счетчик Гейгера точно не срабатывает и кошка точно жива. Но и того и другого не бывает.
Таким образом, коллапс квантовых состояний осуществляется не только сознательными наблюдателями, и «Кот Шредингера» был просто обучающим инструментом, изобретенным, чтобы попытаться сделать этот факт более очевидным, сведя идею, управляемую наблюдателем, до абсурда. К сожалению, в наши дни многие научно-популярные писатели продолжают распространять неправильное представление о том, что квантовое состояние (и, следовательно, сама реальность) определяется сознательными наблюдателями.Они используют это ошибочное утверждение как трамплин для несущественных и ненаучных дискуссий о природе реальности, сознания и даже восточного мистицизма. Для них «Кот Шредингера» не является смущающим признаком того, что их утверждения ошибочны, но доказательством того, что мир настолько абсурден, как они утверждают. Такие авторы либо неправильно понимают кота Шредингера, либо намеренно искажают его, чтобы продавать книги.
Темы: Кот Шредингера, наблюдение, квант, суперпозиция, коллапс волновой функции
Что мы ошибаемся насчет кота Шредингера?
GettyОдна из самых причудливых идей о квантовой Вселенной – понятие неопределенных состояний. В нашей обычной макроскопической Вселенной мы привыкли к тому, что вещи просто существуют определенным, непротиворечивым образом. Смотрим мы на что-то или нет, оно просто существует, независимо от наших наблюдений.Но в квантовой Вселенной отдельные системы демонстрируют разное поведение в зависимости от того, измеряете вы их или нет. Возможно, самая известная популяризация этой идеи происходит в форме кота Шредингера, где система устроена так, что если радиоактивный атом распадается, кошка умирает, а если нет, то кошка живет. Но вокруг этого эксперимента больше мифов, чем правды, и Дэйв Вагнер хочет, чтобы мы распутали их, предлагая:
Я как раз читал один из ваших “главных мифов / недоразумений”… “штук, и я подумал, что хорошей идеей для одной будет” Топ n мифов / недоразумений о коте Шредингера “.
Давайте посмотрим, что на самом деле происходит за этим знаменитым мысленным экспериментом.
Тьерри Дуньоль / общественное достояниеПрежде всего, важно понять, откуда взялась идея кота Шредингера: настоящий физический эксперимент с однозначными, но очень неинтуитивными результатами. Все, что вам нужно сделать, это направить свет на две тонкие, близко расположенные щели и наблюдать, какой визуальный узор появляется на экране с другой стороны. Пока ваш свет имеет одинаковую длину волны и вы смотрите только на экран, вы получите интерференционную картину или альтернативный набор из множества светлых и темных полос.
Но если вы затем осознаете, «эй, свет состоит из фотонов, и каждый отдельный фотон должен пройти через одну или другую щель», вы начнете видеть странность в игре. Даже посылка фотонов по одному по-прежнему дает вам интерференционную картину. И тогда у вас появляется прекрасная идея измерить, через какую щель проходит каждый фотон. Как только вы это сделаете – а вы добьетесь успеха, интерференционная картина исчезнет.
Пользователь Wikimedia Commons InductiveloadКак нам понять это? Этот эксперимент во многих смыслах является наивысшей иллюстрацией того, как работает квантовая физика, и почему это так странно. Как будто отдельные кванты сами ведут себя как волны и интерферируют сами с собой, проходя через обе щели одновременно и создавая наблюдаемую картину.Но если вы осмелитесь пойти и измерить их – а значит, определить, через какую щель они проходят – они проходят только через одну или другую щель и больше не создают этих помех.
Это проясняет одну вещь: акт наблюдения квантовой системы на самом деле может очень сильно изменить результат. Но это, как и большинство открытий в физике, вызывает только больше вопросов. При каких условиях наблюдение меняет результат? Что составляет наблюдение? И должен ли человек быть «наблюдателем», или может хватить неорганического, неживого измерения?
Р. Бах и др., Новый журнал физики, том 15, март 2013 г.Это все хорошие вопросы, и именно размышления над этими проблемами привели Эрвина Шредингера к формулированию своего знаменитого кошачьего парадокса. Это выглядит примерно так:
- вы создали закрытую систему, т.е.е., ящик,
- , где внутри коробки находится квантовая система, подобная одиночному радиоактивному атому,
- и когда атом распадается, открывается дверь,
- за этой дверью отравлен корм для кошек,
- , а также в коробке кот, который съест еду, когда она станет доступной,
- , так что вы ждете один период полураспада,
- , а затем вы задаете ключевой вопрос: кошка жива или мертва?
Вот и все. Это полная идея мысленного эксперимента с кошкой Шредингера.
геральт / pixabayИтак, что происходит, когда вы открываете коробку?
Открытие коробки должно быть эквивалентно наблюдению, поэтому либо:
- вы найдете мертвую кошку, которая съела пищу, обнаруженную при распаде радиоактивного атома, или
- : вы найдете живую кошку, в которой не было обнаружено никакой пищи, а исходный радиоактивный атом еще не распался.
Но прежде чем вы откроете коробку – потому что так работают квантовые системы – система кошка / еда / атом должна находиться в суперпозиции обоих состояний. Существует лишь неопределенная вероятность того, что атом распался, и поэтому атом должен одновременно находиться в суперпозиции распавшегося и нераспавшегося состояний. Поскольку распад атома контролирует дверь, дверь контролирует пищу, а еда определяет, будет ли кошка жить или умирает, то и сама кошка должна находиться в суперпозиции квантовых состояний.Каким-то образом кошка одновременно и частично мертва, и частично жива, пока не будет проведено наблюдение.
Пользователь Wikimedia Commons DhatfieldИ это, вкратце, самый большой миф и заблуждение, связанное с кошкой Шредингера.
Фактически, сам Эрвин Шрёдингер не представил свою идею «кошки» как предполагаемый эксперимент. Он не придумал его, чтобы задавать глубокие вопросы о роли человека в процессе наблюдения. На самом деле он не утверждал, что сама кошка будет находиться в суперпозиции квантовых состояний, где она частично мертва и частично жива одновременно, так, как фотон, кажется, частично проходит через обе щели в эксперименте с двумя щелями.
Каждая идея в этом направлении сама по себе является мифом и заблуждением, которое противоречит первоначальной цели Шредингера в проведении этого мысленного эксперимента. Его истинная цель? Чтобы проиллюстрировать, насколько легко прийти к абсурдному предсказанию – например, к предсказанию одновременно полумертвого и полуживого кота – если вы неправильно истолковываете или неправильно понимаете квантовую механику.
C. Neill et al. (2017), arXiv: 1709.06678v1, Quant-phДругими словами, почти все, что вы когда-либо слышали о коте Шредингера, вероятно, является мифом, за единственным исключением того факта, что квантовые системы на самом деле хорошо описываются вероятностно взвешенной суперпозицией всех возможных, допустимых состояний, и что наблюдение или измерение всегда выявляют одно и только одно окончательное состояние.
Это не только верно, но и верно независимо от того, какую квантовую интерпретацию вы выберете.Не имеет значения, выбираете ли вы один результат из множества всех возможных результатов; не имеет значения, сводите ли вы неопределенную волновую функцию к определенному состоянию; не имеет значения, попадаете ли вы в одну конкретную Вселенную из бесконечного набора параллельных Вселенных.
Важно только то, что квантовое наблюдение произошло.
Кристиан ШирмНа самом деле, кошка сама по себе является прекрасным наблюдателем. Сам факт открытия двери или ворот и срабатывание механизма, управляющего этим, – вполне достоверное наблюдение.Бросок туда счетчика Гейгера, прибора, чувствительного к радиоактивным распадам, будет считаться наблюдением. И, по сути, любое необратимое взаимодействие, которое происходит в этой системе, даже если она полностью изолирована от внешнего мира в этой коробке, обнаружит одно и только одно окончательное состояние: либо атом распался, либо нет.
Причина, лежащая в основе этого, проста в том, что каждое взаимодействие между двумя квантовыми частицами может определять квантовое состояние, эффективно коллапсируя квантовую волновую функцию в наиболее распространенной интерпретации.В действительности распад (или нераспад) атома вызовет (или не сработает) дверной механизм, и только в этом, прямо здесь, происходит переход от этого причудливого квантового поведения к нашему знакомому классическому поведению.
Эндрю Фракной, Дэвид Моррисон и Сидней Вольф / Университет Райса, c.c.a.-4.0Сам Шредингер очень четко высказался по этому поводу, заявив:
Для этих случаев типично, что неопределенность, первоначально ограниченная атомной областью, трансформируется в макроскопическую неопределенность, которая затем может быть разрешена прямым наблюдением.Это мешает нам так наивно принять в качестве действительной «размытую модель» для представления реальности. Само по себе в нем не должно быть ничего неясного или противоречивого. Есть разница между шаткой или расфокусированной фотографией и снимком облаков и туманов.
Другими словами, Шредингер знал, что кошка должна быть либо мертва, либо жива. Сама кошка никогда не будет находиться в суперпозиции квантовых состояний, но будет либо окончательно мертва, либо окончательно жива в любой момент времени.Он утверждает, что то, что ваша камера не в фокусе, не означает, что реальность в корне размыта.
UCLA Galactic Center Group – W.Лазерная группа обсерватории М. КекаКогда Эйнштейн говорил о том, что «Бог не играет в кости со Вселенной», он имел в виду именно это. Фактически, Эйнштейн написал следующее самому Шредингеру, риторически задавая вопрос: «Может ли состояние кошки быть создано только тогда, когда физик исследует ситуацию в определенное время?»
Ответ, возможно, к сожалению, «конечно, нет». Это неопределенное квантовое поведение на самом деле чрезвычайно трудно поддерживать; это одна из основных проблем при построении более крупных квантовых систем.Запутывание всего нескольких тысяч атомов на короткое время – очень недавнее достижение, и одна из причин, по которой квантовые вычисления так сложны, заключается в том, что запутанные кубиты могут поддерживаться в неопределенном состоянии только в течение таких коротких интервалов времени.
Квантовая Вселенная, несомненно, является незнакомым местом почти для всех нас, и кот Шредингера в основном является иллюстрацией того, насколько легко нам неверно истолковать ее. Возможно, главный миф о кошке Шредингера состоит в том, что она вообще имеет какое-то отношение к квантовой странности.
Присылайте свои вопросы «Задайте Итану» на адрес startwithabang на gmail dot com!
Эксперимент Шредингера с кошками и головоломка, которая правит современной физикой
Задолго до того, как кошки завоевали Интернет, два величайших физика нашего времени – Эрвин Шредингер и Альберт Эйнштейн – разработали эксперимент, который кажется почти зловещим мысленным экспериментом.
Это выглядит примерно так: у вас есть кошка в полностью запечатанном ящике, недоступном для любых наблюдений извне.Внутри находится своего рода устройство, включающее счетчик Гейгера, яд и радиоактивный материал, атомы которого могут или не могут войти в состояние распада с равной вероятностью в течение часа. Если один атом распадается, счетчик Гейгера обнаруживает излучение и запускает молоток, который разбивает пузырек с ядом, убивая кошку. Если ни один атом не распадается, кошка живет.
Конечно устройство было только теоретическим. Шредингер разработал сценарий в дискуссии с Эйнштейном в ответ на неправильное толкование квантовой механики в то время.Это был способ описать, как концепция, которая, казалось, применима к мельчайшим электронам в атомах, могла быть применена к сложному объекту в макроскопическом мире – в данном случае к кошке.
Хотя кот Шредингера остается чем-то вроде печально известного мысленного эксперимента, исходное уравнение, из которого он первоначально вывел сценарий, стало основой квантовой механики. Он включает идею о том, что что-то может находиться в двух одновременных состояниях и становится одним или другим только тогда, когда наблюдается, обнаруживается или даже когда оно взаимодействует с другими частицами.Эта фундаментальная теория физики имеет современные приложения, которые включают все, от суперкомпьютеров до химии и сверхпроводящих магнитов.
«[Уравнение Шредингера] похоже на современную версию закона Ньютона, – говорит Чен Ван, доцент кафедры физики Массачусетского университета в Амхерсте.
Теория в вопросе
В 1920-х годах Шредингер и другие физики были озабочены проблемой, которую не могла объяснить классическая физика.Чем меньше становится частица, тем менее четким становится ее положение или скорость.
«Квантовая механика добавляет уровень нечеткости к положению частиц», – говорит Ван.
Основу теории составляют электроны, в частности, единственный электрон в атоме водорода. В то время как ученые ранее описывали электроны как вращающиеся вокруг ядра атома, квантовые физики заметили, что все не так просто. Скорее всего, они, казалось, существовали одновременно в нескольких местах. Или они мигали взад и вперед, между определенными областями, не появляясь между ними.Фактически, единственное, что вы можете сказать наверняка, – это то, что электрон не находится в одном месте в одно время.
«Принципиально неизвестно, где именно находится положение [электрона]», – говорит Ван.
Вместо этого вы должны описать положение электрона как волновую функцию или распределение вероятностей, которое описывает, где электрон с большей вероятностью может встретиться. Термин суперпозиция в квантовой физике используется для описания того, как электрон в этом случае может существовать в нескольких положениях одновременно.
Связывая вещи
Если вы еще не заблудились, идея становится еще более безумной, когда вы добавляете дополнительный электрон. Например, в гелии, который имеет два электрона, каждый из них может быть описан только как находящийся в определенной области в данный момент времени. Но они также могут взаимодействовать и влиять друг на друга, несмотря на расстояние, в процессе, известном как квантовая запутанность, или «жуткое действие на расстоянии», как назвал это Эйнштейн.
Другой способ думать об этом состоит в том, что изменение состояния одного электрона означает, что состояние другого также должно измениться.
«Описание двух электронов нельзя получить напрямую, думая о двух независимых формах», – говорит Фредерик Штраух, физик из колледжа Уильямс в Массачусетсе. «Мы можем думать о них как о прыжках между разными формами».
Девять жизней или два состояния?
Сценарий с мертвым – или нежитью – котом Шредингера в коробке включает мысленный эксперимент, чтобы описать, как состояние электронов может повлиять на что-то гораздо большее в макромире.Он создал ее в ответ на теорию квантовой механики других физиков, названную Копенгагенской интерпретацией, чтобы показать потенциальные недостатки их взглядов.
Поскольку мы не можем видеть в коробке в конце часа или послать внутрь какой-либо зонд, согласно копенгагенским теоретикам, радиоактивные атомы остаются в суперпозиции распада или нераспада. Кошка, в свою очередь, зависит от этой суперпозиции, поскольку мы не знаем, жива она или мертва. В квантовом смысле его суперпозиция остается в обоих состояниях одновременно как волновая функция, которая одновременно живая и мертвая.«Запутанность представлена связью между радиоактивными атомами и кошкой», – говорит Штраух.
(Источник: Nutkins.J / Shutterstock)
Когда мы открываем коробку и заглядываем внутрь, или если внешний мир каким-то образом взаимодействует с внутренней частью коробки, волновая функция вынуждена сводиться к одному состоянию, и кот становится мертвым или живым.
Дело в том, что Шредингер на самом деле не имел в виду, чтобы к ситуации относились серьезно. Тот факт, что любопытство наблюдающего ученого могло убить кошку, должен был показать нелепость более ранней интерпретации квантовой механики.
«Он как бы намекает на то, что эту теорию глупо применять к макроскопическому миру», – говорит Ван. «Возможно, чего-то не хватает».
Но его мысленный эксперимент с тех пор обрел собственную жизнь (или смерть), и многие люди верят, что кошка будет мертвой и живой одновременно. Единственный недостаток такого мысленного эксперимента может заключаться в нашей технической неспособности провести такой эксперимент.
Кошки, настоящее и будущее
Даже если сам Шредингер не верил, что теория кошек возможна, современные исследователи пытаются применить некоторые из этих теорий на практике.В 2016 году Вангу и его коллегам удалось продемонстрировать, что можно запутать несколько частиц. Им удалось измерить запутанность до 80 фотонов или легких частиц, помещенных в специальные коробки, соединенные сверхтоком, протекающим без напряжения. В общих чертах это означало, что вращение, которое они прикладывают к фотонам в одном ящике, можно было наблюдать в другом ящике, даже если они не вращали последний. Фотоны без спина также присутствовали в обоих ящиках. Образно говоря, это как живая кошка и мертвая кошка были найдены в двух разных коробках, которые были соотнесены друг с другом.
Квантовая механика уже находит практическое применение. Квантовые вычисления – это один из методов, в котором использование суперпозиции и запутанности позволяет производить вычисления быстрее, чем классические компьютеры. Штраух говорит, что у этого есть много потенциальных применений, но исследователи уже готовы использовать их для расчета химических формул в виртуальном пространстве для разработки лекарств.
Но может пройти еще много времени, прежде чем исследователи найдут способ провести эксперимент Шредингера.Если они когда-нибудь сделают это, и даже сам человек думал, что это маловероятно, то это могло бы показать, как микроскопический квантовый мир может повлиять на макроскопический мир.
Подробнее:
Квантовый Интернет поразит вас. Вот как это будет выглядеть
Почему квантовая механика все еще ставит физиков в тупик Новая теория всего объединяет квантовую механику с теорией относительности … и многое другое
Значение кота Шредингера | Определения Dictionary.com
Австрийский физик Эрвин Шредингер получил Нобелевскую премию по физике 1933 года за свои работы в области квантовой механики, области физики, изучающей природу и поведение субатомных частиц.В 1935 году Шредингер провел знаменитый мысленный эксперимент, который теперь одноименно называют Кот Шредингера , как критику так называемой копенгагенской интерпретации квантовой механики. Теория Копенгагена утверждала, что, по сути, мы не можем знать, в каком состоянии или месте находится атомная частица, пока ее не наблюдают, и поэтому эта частица может гипотетически находиться во всех возможных состояниях или местах до тех пор.
Шредингер счел эту теорию ошибочной и, чтобы продемонстрировать, почему, он попросил своих коллег представить «нелепый случай», когда кот, крошечный кусочек радиоактивного материала, счетчик Гейгера, молоток и стеклянный флакон с ядом были заперты. внутри одной коробки.В течение часа есть вероятность, что радиоактивное вещество может испустить частицу (в частности, альфа-частицу), и такая же вероятность, что это не так. Если частица испускается и попадает в счетчик Гейгера, срабатывает реле, в результате чего молот разбивает колбу, выпуская газ и убивая кошку. Таким образом, через час существует равная вероятность того, что кошка жива или мертва, и наблюдатель может открыть коробку и посмотреть, в каком состоянии находится кошка.
Дхатфилд / Википедия
Теперь, если мы расширим копенгагенскую теорию от квантового уровня до сценария Шредингера, тогда все результаты одновременно будут существовать во всех возможных конфигурациях, пока один из них не откроет ящик, который, согласно сложной математике квантовой механики, заставляет только один результат: кошка либо жива, либо мертва.Проблема в том, что это будет означать, что до самого последнего момента, прежде чем кто-то откроет ящик, кошка каким-то образом остается живой и мертвой одновременно.
Очевидно, что кошка не может быть одновременно живой и мертвой – за исключением кошек-вампиров, – что было точной точкой зрения Шредингера. Копенгагенская теория – парадокс. В какой именно момент математические вероятности уступают место физической реальности?
Сложные научные теории не имеют тенденции превращаться в онлайн-мемы, но кошка Шредингера – исключение, возможно, из-за своей довольно интуитивной природы.Ссылки на кота Шредингера были показаны в веб-комиксах, изображениях, видеороликах на YouTube, в стихах и футболках, где говорилось, что «кот Шредингера мертв» (как любят шутить некоторые физики). Популярность мема LOLcats, который изображает домашних кошек в различных милых или забавных позах, также вдохновила на юмористические изображения кошки Шредингера , причем многие изображения кошек в картонных коробках служат поводом для ссылки на знаменитую теорию. Например, есть изображение кошки, сердито выбирающейся из картонной коробки, с надписью «Кот Шредингера жив… и очень зол.”
12 августа 2013 года, когда Эрвину Шредингеру исполнилось 126 лет, компания Google отметила свою домашнюю страницу каракули с изображением кошки.
Кот Шредингера: любимый, непонятый питомец квантовой механики
Мысленный эксперимент, известный как кот Шредингера, – одна из самых известных и неправильно понятых концепций квантовой механики. Глубоко подумав об этом, исследователи пришли к впечатляющим открытиям в отношении физической реальности.
Кто придумал кота Шредингера?
Австрийский физик Эрвин Шредингер, который помог основать дисциплину квантовой механики, впервые задумал свою кошачью головоломку в 1935 году как комментарий к проблемам, первоначально поставленным светилом Альбертом Эйнштейном, согласно статье в Quanta Magazine.
Развивая свое новое понимание субатомной области, большинство коллег Эйнштейна и Шредингера осознали, что квантовые сущности демонстрируют чрезвычайно странное поведение. Датский физик Нильс Бор отстаивал понимание того, что частицы, подобные электронам, не имеют четко определенных свойств до тех пор, пока они не будут измерены. До этого частицы существовали в так называемой суперпозиции состояний, например, с вероятностью 50% ориентации «вверх» и вероятностью 50% ориентации «вниз».«
Эйнштейну, в частности, не нравилось это нерешительное объяснение. Он хотел знать, как именно Вселенная знает, что кто-то что-то измеряет. Шредингер подчеркнул эту абсурдность своим пресловутым концептуальным котом.
Предположим, кто-то построит странное изобретение. , Писал Шредингер в статье 1935 года под названием «Текущая ситуация в квантовой механике». Устройство состоит из коробки с запечатанным флаконом с цианидом, над которым подвешен молоток, прикрепленный к счетчику Гейгера, нацеленный на небольшой кусок умеренно радиоактивного урана .Внутри коробки также есть котенок (и помните, что это мысленный эксперимент, который на самом деле никогда не проводился).
Ящик запечатывается, и эксперимент оставляют на некоторое заданное время, например, на час. В этот час уран, частицы которого подчиняются законам квантовой механики, имеет некоторый шанс испустить излучение, которое затем будет улавливаться счетчиком Гейгера, который, в свою очередь, выпустит молоток и разбьет пузырек, убив кошку. при отравлении цианидом.
По словам таких людей, как Бор, до тех пор, пока ящик не будет открыт и статус кошки не будет «измерен», она будет оставаться в суперпозиции и живых, и умерших. Такие люди, как Эйнштейн и Шредингер, возражали против такой возможности, которая не согласуется со всем, что говорит нам наш обычный опыт – кошки либо живы, либо мертвы, но не оба одновременно.
«Физике [Q] uantum не хватало важного компонента, истории о том, как она сочетается с вещами в мире», – писал научный журналист Адам Беккер в своей книге «Что такое реально?». (Основные книги, 2018).«Как феноменальное количество атомов, определяемое квантовой физикой, порождает мир, который мы видим вокруг себя?»
Настоящая кошка Шредингера?
Кот Шредингера врезался в самую суть странной интерпретации реальности Бором: отсутствие четкой границы между квантовым и повседневным миром. Хотя большинство людей думают, что это является примером в поддержку частиц, не имеющих четко определенных свойств, пока они не будут измерены, первоначальное намерение Шредингера было прямо противоположным – показать, что такая идея бессмысленна.Однако в течение многих десятилетий физики в основном игнорировали эту проблему, переходя к другим затруднениям.
Но, начиная с 1970-х годов, исследователи смогли показать, что квантовые частицы могут быть созданы в состояниях, которые всегда соответствуют друг другу – поэтому, если одна из них будет иметь ориентацию «вверх», другая будет «вниз» – явление, которое Шредингер называется запутанность. Такая работа была использована для поддержки развивающейся области квантовых вычислений, которая обещает производить вычислительные машины, которые намного быстрее, чем современные технологии.
В 2010 году физикам также удалось создать реальную версию кота Шредингера, хотя и без фелицида (также известного как убийство котенка). Из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре ученые построили резонатор, по сути, крошечный камертон размером с пиксель на экране компьютера. Они поместили его в суперпозицию, в которой он одновременно колебался и не колебался, показывая, что относительно большие объекты могут находиться в причудливых квантовых состояниях.
Более поздние эксперименты поместили группы до 2000 атомов в два разных места одновременно, еще больше стирая границу между микроскопическим и макроскопическим.В 2019 году исследователям из Университета Глазго даже удалось сфотографировать запутанные фотоны с помощью специальной камеры, которая делала снимок всякий раз, когда фотон появлялся со своим запутанным партнером.
В то время как физики и философы еще не пришли к соглашению о том, как думать о квантовом мире, идеи Шредингера открыли много плодотворных направлений для исследований, и, вероятно, так и будут продолжаться в обозримом будущем.
Дополнительные ресурсы:
Кот Шредингера
Намерение Эрвина Шредингера для его печально известного ящика для убийства кошек состояло в том, чтобы дискредитировать некоторые неинтуитивные следствия квантовой механики, второй формулировкой которой была его волновая механика.Волновая механика Шредингера более непрерывна математически и, по-видимому, более детерминирована, чем матричная механика Вернера Гейзенберга. Шредингеру не нравилась идея Нильса Бора о «квантовых скачках» между «стационарными состояниями» Бора – разными «энергетическими уровнями» в атоме. «Квантовый постулат» Бора гласил, что скачки между дискретными состояниями испускают (или поглощают) энергию в количестве hν = E 2 – E 1 . Бор не принял гипотезу Альберта Эйнштейна 1905 года о том, что излучение представляет собой пространственно локализованный квант с энергией hν.Вплоть до 1920-х годов Бор (и Макс Планк, сам изобретатель квантовой гипотезы) считали излучение непрерывной волной. Это был вопрос о дуальности волна-частица, который Эйнштейн увидел еще в 1909 году. Именно Эйнштейн выдвинул предположение, что суперпозиция волновых функций Шредингера подразумевает, что два разных физических состояния могут существовать одновременно. Это была серьезная ошибка интерпретации, которая по сей день поражает основы квантовой физики.Эта ошибка часто встречается при обсуждении так называемых «запутанных» состояний (см. Эксперимент Эйнштейна-Подольского-Розена). Запутанность возникает только для явлений на атомном уровне и на ограниченных расстояниях, которые сохраняют когерентность двухчастичных волновых функций, изолируя системы (и их собственные функции) от взаимодействия с окружающей средой. На самом деле мы никогда не «видим» и не измеряем какую-либо систему (будь то микроскопический электрон или макроскопический кот) в двух различных состояниях. Квантовая механика просто предсказывает значительную вероятность нахождения системы в этих различных состояниях.И эти вероятностные предсказания подтверждаются статистикой большого числа идентичных экспериментов.Принцип исключения Паули говорит (правильно), что две идентичные неразличимые (фермионные) частицы не могут находиться в одном и том же месте в одно и то же время. Запутанность часто интерпретируется (неправильно) как говорящая о том, что одна частица может находиться в двух местах одновременно. Принцип суперпозиции Дирака не говорит, что частица , , находится в двух состояниях одновременно, только то, что существует ненулевая вероятность найти ее в любом из состояний, если ее измерить.Макс Борн описал несколько парадоксальный результат:
Движение частицы подчиняется законам вероятности, но сама вероятность распространяется в соответствии с законами причинности.Эйнштейн писал Шредингеру с идеей, что распад радиоактивного ядра может быть устроен так, чтобы вызвать большой взрыв. Поскольку момент распада неизвестен, Эйнштейн утверждал, что суперпозиция распавшихся и неразложившихся ядерных состояний подразумевает суперпозицию взрыва и отсутствия взрыва.Это не. Как в микроскопическом, так и в макроскопическом случаях квантовая механика просто оценивает амплитуды вероятностей для этих двух случаев. Много лет спустя Ричард Фейнман превратил предположение Эйнштейна в ядерный взрыв! (Что такого в некоторых ученых?) Эйнштейну и Шредингеру не нравилась фундаментальная случайность, подразумеваемая квантовой механикой. Они хотели восстановить детерминизм в физике. Действительно, волновое уравнение Шредингера предсказывает совершенно детерминированную временную эволюцию волновой функции.Но то, что детерминированно развивается, – это только абстрактные вероятности. И эти вероятности подтверждаются только статистикой большого числа идентично подготовленных экспериментов. Случайность возникает только тогда, когда производится измерение и волновая функция «схлопывается» в одно из возможных состояний системы. Шредингер разработал вариант, в котором случайный радиоактивный распад убил бы кошку. Наблюдатели не могли знать, что произошло, пока ящик не был открыт. Детали безвкусного эксперимента включают:
- счетчик Гейгера, производящий лавину электронов, когда через него проходит альфа-частица
- немного радиоактивного материала с периодом полураспада, который может испустить альфа-частицу в направлении счетчика Гейгера за время T
- электрическая цепь, возбуждаемая электронами, которая бросает молоток
- колба со смертоносным газом синильной кислоты, разбитая молотком.
Что не так с этой картинкой?
Квантовая механика утверждает только, что временная эволюция волновых функций Шредингера для амплитуд вероятности ядерного распада точно предсказывает долю ядерных распадов, которые произойдут в заданном временном интервале. (Классические) вероятности (без интерференции между терминами) просто предсказывают количество живых и мертвых кошек, которое будет наблюдаться в большом количестве идентичных экспериментов.
Квантовые «амплитуды вероятности» допускают интерференцию между возможными состояниями квантового объекта, но не между макроскопическими объектами, такими как живые и мертвые кошки.
| Cat > = (1 / √2) | Live > + (1 / √2) | Мертвый >,
квантовая механика говорит нам только о 50% вероятности найти кошку в живом или мертвом состоянии, т. е.Кошки = (1/2) Живые + (1/2) Мертвые .
Как и в квантовом случае, это вероятностное предсказание подтверждается статистикой повторных идентичных экспериментов, но интерференции между этими состояниями не наблюдается.То, что одновременно существует в макроскопическом мире, является подлинными альтернативными возможностями для будущих событий. Существует реальная возможность появления живой или мертвой кошки в любом конкретном эксперименте. Какой из них будет найден, является неснижаемо случайным, непредсказуемым и чисто случайным. Подлинные альтернативные возможности – вот что беспокоило таких физиков, как Эйнштейн, Шредингер и Макс Планк, которые хотели вернуться к детерминированной физике. Это также беспокоит философов-детерминистов и компатибилистов, у которых есть то, что Уильям Джеймс называет «антипатией к случайности».«По иронии судьбы, именно сам Эйнштейн в 1916 году открыл существование неснижаемой случайности в элементарных взаимодействиях материи и излучения. Пока информация не появится, будущее неопределенно. Как только информация закодирована макроскопически, определяется прошлое.Как физика информации разрешает парадокс?
Как только альфа-частица запускает лавину электронов в счетчике Гейгера (необратимое событие со значительным увеличением энтропии), в мире создается новой информации.Например, простой самописец с перьевой диаграммой, прикрепленный к счетчику Гейгера, может записывать время распада, которое человек-наблюдатель может прочитать в любое более позднее время. Обратите внимание, что, как обычно при создании информации, энергия, расходуемая записывающим устройством, увеличивает энтропию больше, чем увеличенная информация уменьшает ее, таким образом удовлетворяя второму закону термодинамики. Даже без механического регистратора смерть кошки приводит в движение биологические процессы, которые представляют собой эквивалентную, хотя и ужасную, запись.Когда в результате появляется мертвая кошка, сложное вскрытие может дать приблизительное время смерти, потому что тело кошки действует как регистратор событий. Никогда не бывает суперпозиции (в смысле одновременного существования) живых и мертвых кошек. Парадокс ясно указывает на решение информационной философии проблемы измерения. Наблюдатели не требуются для проведения измерений. В этом случае кошка – наблюдатель. В большинстве физических измерений новая информация улавливается аппаратурой задолго до того, как какой-либо физик сможет прочитать любые шкалы или указатели, указывающие на то, что произошло.Действительно, в сегодняшних экспериментах по взаимодействию частиц высоких энергий данные могут быть получены, но не проанализированы полностью до тех пор, пока компьютерная обработка данных в течение многих дней или даже месяцев не установит, что наблюдалось. В этом случае экспериментальной аппаратурой является наблюдатель. И вообще, Вселенная – это собственный наблюдатель , способный записывать (а иногда и сохранять) созданную информацию.Основное предположение, сделанное в экспериментах Шредингера с кошачьей мыслью, состоит в том, что детерминированное уравнение Шредингера, описывающее микроскопическую суперпозицию распавшихся и нераспавшихся радиоактивных ядер, детерминированно эволюционирует в макроскопическую суперпозицию живых и мертвых кошек.Но поскольку сущность «измерения» – это взаимодействие с другой системой (квантовой или классической), которая создает информацию, которую может увидеть (позже) наблюдатель, взаимодействия между ядром и кошкой более чем достаточно, чтобы коллапсировать волновую функцию. . Расчет вероятностей этого коллапса позволяет нам оценить вероятности живых и мертвых кошек. Это вероятности, а не амплитуды вероятностей. Они не мешают друг другу. После взаимодействия они не находятся в суперпозиции состояний.У нас всегда есть или – живая кошка или мертвая кошка, точно так же, как мы всегда наблюдаем полный фотон после измерения поляризации, а не суперпозицию фотонных состояний, как так просто и ясно объясняет П.А.М. Дирак.
Согласно квантовой механике, результатом этого эксперимента будет то, что иногда можно найти целый фотон с энергией, равной энергии падающего фотона, на задней стороне, а иногда – ничего. Если найти целый фотон, он будет поляризован перпендикулярно оптической оси.На тыльной стороне никогда не найдешь только часть фотона. Если повторить эксперимент большое количество раз, можно найти фотон на обратной стороне в доле sin 2 α от общего числа раз.Точно так же квантовая механика дает нам только вероятность найти живых кошек (или мертвых кошек) в большом количестве идентично подготовленных экспериментов ( шаг SPCA).
Таким образом, мы можем сказать, что фотон имеет вероятность sin 2 α пройти через турмалин и появиться на обратной стороне, поляризованной перпендикулярно оси, и вероятность cos 2 α поглощения.Эти значения вероятностей приводят к правильным классическим результатам для падающего пучка, содержащего большое количество фотонов. Таким образом мы сохраняем индивидуальность фотона во всех случаях. Однако мы можем сделать это только потому, что отказываемся от детерминированности классической теории. Результат эксперимента не определяется, как это было бы согласно классическим представлениям, условиями, контролируемыми экспериментатором. Максимум, что можно предсказать, – это набор возможных результатов с вероятностью появления каждого из них… Когда мы заставляем фотон встретиться с кристаллом турмалина, мы подвергаем его наблюдению. Мы наблюдаем, поляризованы ли они параллельно или перпендикулярно оптической оси. В результате этого наблюдения фотон полностью переходит в состояние параллельной или полностью в состояние перпендикулярной поляризации. Он должен совершить внезапный скачок от частичного нахождения в каждом из этих двух состояний к полностью тому или иному из них. Невозможно предсказать, в какое из двух состояний он войдет, оно регулируется только законами вероятности.Если он переходит в параллельное состояние, он поглощается, а если он переходит в перпендикулярное состояние, он проходит через кристалл и появляется на другой стороне, сохраняя это состояние поляризации.Суперпозиция и неопределенность
Неклассический характер процесса суперпозиции становится очевидным, если мы рассмотрим суперпозицию двух состояний, A и B , так что существует наблюдение, которое, когда оно выполняется в системе в состоянии A , является обязательно приведет к одному конкретному результату, скажем, a , и когда он будет выполнен в системе в состоянии B, обязательно приведет к какому-то другому результату, скажем, b .Каким будет результат наблюдения, когда он будет выполнен в системе в наложенном состоянии? Ответ заключается в том, что результат будет иногда a , а иногда b , согласно закону вероятности в зависимости от относительных весов A и B в процессе наложения. Он никогда не будет отличаться от a и b .Нет никаких оснований предполагать промежуточное (и абсурдное) условие одновременного существования живых и мертвых кошек.«Промежуточным» является вероятность, а не результат.
Промежуточный характер состояния, образованного суперпозицией, таким образом, выражается через вероятность того, что конкретный результат наблюдения будет промежуточным между соответствующими вероятностями для исходных состояний †, а не через сам результат, являющийся промежуточным между соответствующими результатами для исходных состояний. .Таким образом, мы видим, что такой радикальный отход от обычных представлений, как предположение о суперпозиционных отношениях между состояниями, возможен только благодаря признанию важности возмущения, сопровождающего наблюдение, и вытекающей из этого неопределенности в результате наблюдения. . Когда наблюдение проводится над любой атомной системой, находящейся в данном состоянии, в общем случае результат не будет определен, то есть, если эксперимент повторяется несколько раз в идентичных условиях, можно получить несколько различных результатов.Однако это закон природы, что если эксперимент повторяется большое количество раз, каждый конкретный результат будет получен за определенную долю от общего числа раз, так что существует определенная вероятность того, что он будет полученный. Эта вероятность – это то, что теория пытается вычислить.† Вероятность конкретного результата для состояния, образованного суперпозицией, не всегда является промежуточным между таковыми для исходных состояний в общем случае, когда для исходных состояний не равны нулю или единице, поэтому существуют ограничения на «промежуточность» состояние, образованное суперпозицией.
Декогеренция и отсутствие макроскопических суперпозиций
Несмотря на утверждения теоретиков декогеренции, микроскопические суперпозиции квантовых состояний не позволяют нам «видеть» систему в двух разных состояниях.Квантовая механика просто предсказывает значительную вероятность нахождения системы в этих различных состояниях. Поэтому неудивительно, что мы не видим макроскопических «суперпозиций живых и мертвых кошек» одновременно. Что действительно существует в любой момент времени, так это вероятности двух состояний (в макроскопическом мире) и амплитуда вероятностей двух состояний (которые могут когерентно интерферировать друг с другом) в микроскопическом мире. Теоретики декогеренции заявляют, что они объясняют «загадочное» отсутствие макроскопических суперпозиций состояний.Но квантовая механика не предсказывает такие состояния, несмотря на популярную идею макроскопического суперпозиции живых и мертвых кошек. .