Теория кота шредингера краткая: Что такое кот Шредингера простыми словами? — Блоги — Эхо Москвы, 22.12.2015

Что такое кот Шредингера простыми словами? — Блоги — Эхо Москвы, 22.12.2015

Юрий Гордеев
Программист, гейм-девелопер, дизайнер, художник

«Кот Шредингера» — это мысленный эксперимент, предложенный одним из пионеров квантовой физики, чтобы показать, насколько странно квантовые эффекты выглядят применительно к макроскопическим системам.

Постараюсь объяснить действительно простыми словами: господа физики, не взыщите. Фраза «грубо говоря» подразумевается далее перед каждым предложением.

В очень, очень мелких масштабах мир состоит из вещей, ведущих себя весьма необычно. Одна из наиболее странных характеристик таких объектов — способность находиться в двух взаимоисключающих состояниях одновременно.

Что с интуитивной точки зрения еще более необычно (кто-то даже скажет, жутковато) — акт целенаправленного наблюдения устраняет эту неопределенность, и объект, только что находившийся в двух противоречивых состояниях одновременно, предстает перед наблюдателем лишь в одном из них, как ни в чем не бывало, смотрит в сторонку и невинно посвистывает.

На субатомном уровне все к этим выходкам уже давно привыкли. Существует математический аппарат, описывающий эти процессы, и знания о них нашли самые разные применения: например, в компьютерах и криптографии.

На макроскопическом же уровне эти эффекты не наблюдаются: привычные нам объекты всегда находятся в единственном конкретном состоянии.

А теперь мысленный эксперимент. Берем кота и сажаем его в ящик. Туда же помещаем колбу с ядовитым газом, радиоактивный атом и счетчик Гейгера. Радиоактивный атом может распасться в любой момент, а может не распасться. Если он распадется, счетчик засечет радиацию, нехитрый механизм разобьет колбу с газом, и наш кот погибнет. Если нет — кот останется жив.

Закрываем ящик. С этого момента с точки зрения квантовой механики наш атом находится в состоянии неопределенности — он распался с вероятностью 50% и не распался с вероятностью 50%. До того, как мы откроем ящик и заглянем туда (произведем наблюдение), он будет находиться в обоих состояниях сразу.

А поскольку судьба кота напрямую зависит от состояния этого атома, выходит, что кот тоже буквально жив и мертв одновременно (»…размазывая живого и мёртвого кота (простите за выражение) в равных долях…» — пишет автор эксперимента). Именно так эту ситуацию описала бы квантовая теория.

Шредингер едва ли догадывался, какого шуму наделает его идея. Разумеется, сам эксперимент даже в оригинале описан чрезвычайно грубо и без претензии на научную аккуратность: автор хотел донести до коллег идею о том, что теорию необходимо дополнить более четкими определениями таких процессов, как «наблюдение», чтобы исключить сценарии с котами в ящиках из ее юрисдикции.

Идею кота использовали даже для того, чтобы «доказать» существование Бога как сверхразума, непрерывным своим наблюдением делающего возможным само наше существование. В действительности же «наблюдение» не требует наличия сознательного наблюдателя, что лишает квантовые эффекты некоторой доли мистики. Но даже при этом квантовая физика остается на сегодня фронтом науки с множеством необъясненных явлений и их интерпретаций.

Иван Болдин
кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, выпускник МФТИ

Поведение объектов микромира (элементарных частиц, атомов, молекул) существенно отличается от поведения объектов, с которыми нам обычно приходится иметь дело. Например, электрон может пролетать одновременно через два пространственно удаленных места или находится одновременно на нескольких орбитах в атоме. Чтобы описать эти явления была создана теория — квантовая физика. По этой теории, например, частицы могут быть размазаны в пространстве, но если вы захотите определить, где же частица все-таки находится, то вы всегда обнаружите в каком-то месте всю частицу целиком, то есть она как бы схлопнется из своего размазанного состояния в какое-то определенное место. То есть считается, что пока вы не измерили положение частицы, она вообще не имеет положения, и физика только может предсказать, с какой вероятностью в каком месте вы можете обнаружить частицу.

Эрвин Шредингер, один из создателей квантовой физики, задался вопросом: а что, если в зависимости от от результата измерения состояния какой-нибудь микрочастицы происходит или не происходит какое-нибудь событие. Например, это можно было бы реализовать следующим образом: берется радиоактивный атом с периодом полураспада, скажем, час. Атом можно поместить в непрозрачный ящик, поставить туда устройство, которое при попадании на него продуктов радиоактивного распада атома разбивает ампулу с ядовитым газом, и посадить в этот ящик кота. Тогда вы извне не увидите, распался атом или нет, то есть по квантовой теории он одновременно распался и не распался, а кот, стало быть, одновременно жив и мертв. Такого кота стали называть котом Шредингера.

Может показаться удивительным, что кот может быть одновременно жив и мертв, хотя формально здесь нет противоречия и это не является опровержением квантовой теории. Однако могут возникнуть вопросы, например: кто может осуществить схлопывание атома из размазанного в определенное состояние, а кто при такой попытке сам переходит в размазанное состояние? Как протекает этот процесс схлопывания? Или как же получается, что тот, кто осуществляет схлопывание, сам не подчиняется законам квантовой физики? Имеют ли эти вопросы смысл, и, если да, то каковы на них ответы — до сих пор неясно.

George Panin
окончил РХТУ им. Д.И. Менделеева, главный специалист исследовательского департамента (маркетинговые исследования)

Как объяснил нам Гейзенберг, из-за принципа неопределенности описание объектов квантового микромира носит иной характер, нежели привычное описание объектов ньютоновского макромира. Вместо пространственных координат и скорости, которыми мы привыкли описывать механическое движение, например шара по бильярдному столу, в квантовой механике объекты описываются так называемой волновой функцией. Гребень «волны» соответствует максимальной вероятности нахождения частицы в пространстве в момент измерения. Движение такой волны описывается уравнением Шрёдингера, которое и говорит нам о том, как изменяется со временем состояние квантовой системы.

Теперь про кота. Всем известно, что коты любят прятаться в коробках (thequestion.ru). Эрвин Шредингер тоже был в курсе. Более того, с чисто нордическим изуверством он использовал эту особенность в знаменитом мысленном эксперименте.

Суть его заключалась в том, что в коробке с адской машиной заперт кот. Машина через реле подсоединена к квантовой системе, например, радиоактивно распадающемуся веществу. Вероятность распада известна и составляет 50%. Адская машина срабатывает когда квантовое состояние системы меняется (происходит распад) и котик погибает полностью. Если предоставить систему «Котик-коробка-адская машина-кванты» самой себе на один час и вспомнить, что состояние квантовой системы описывается в терминах вероятности, то становится понятным, что узнать жив котик или нет, в данный момент времени, наверняка не получится, так же, как не выйдет точно предсказать падение монеты орлом или решкой заранее. Парадокс очень прост: волновая функция, описывающая квантовую систему, смешивает в себе два состояния кота — он жив и мертв одновременно, так же как связанный электрон с равной вероятностью может находится в любом месте пространства, равноудаленного от атомного ядра. Если мы не открываем коробку, мы не знаем точно, как там котик. Не произведя наблюдения (читай измерения) над атомным ядром мы можем описать его состояние только суперпозицией (смешением) двух состояний: распавшегося и нераспавшегося ядра. Кот, находящийся в ядерной зависимости, и жив и мертв одновременно. Вопрос стоит так: когда система перестаёт существовать как смешение двух состояний и выбирает одно конкретное?

Копенгагенская интерпретация эксперимента говорит нам о том, что система перестаёт быть смешением состояний и выбирает одно из них в тот момент, когда происходит наблюдение, оно же измерение (коробка открывается). То есть сам факт измерения меняет физическую реальность, приводя к коллапсу волновой функции (котик либо становится мёртвым, либо остаётся живым, но перестаёт быть смешением того и другого)! Вдумайтесь, эксперимент и измерения, ему сопутствующие, меняют реальность вокруг нас. Лично мне этот факт выносит мозг гораздо сильнее алкоголя. Небезызвестный Стив Хокинг тоже тяжело переживает этот парадокс, повторяя, что когда он слышит про кота Шредингера, его рука тянется к браунингу.

Острота реакции выдающегося физика-теоретика связанна с тем, что по его мнению, роль наблюдателя в коллапсе волновой функции (сваливанию её к одному из двух вероятностных) состояний сильно преувеличена.

Конечно, когда профессор Эрвин в далеком 1935 г. задумывал свое кото-измывательство это был остроумный способ показать несовершенство квантовой механики. В самом деле, кот не может быть жив и мертв одновременно. В результате одной из интерпретаций эксперимента стала очевидность противоречия законов макро-мира (например, второго закона термодинамики — кот либо жив, либо мертв) и микро-мира (кот жив и мертв одновременно).

Вышеописанное применяется на практике: в квантовых вычислениях и в квантовой криптографии. По волоконно-оптическому кабелю пересылается световой сигнал, находящийся в суперпозиции двух состояний. Если злоумышленники подключатся к кабелю где-то посередине и сделают там отвод сигнала, чтобы подслушивать передаваемую информацию, то это схлопнет волновую функцию (с точки зрения копенгагенской интерпретации будет произведено наблюдение) и свет перейдёт в одно из состояний. Проведя статистические пробы света на приёмном конце кабеля, можно будет обнаружить, находится ли свет в суперпозиции состояний или над ним уже произведено наблюдение и передача в другой пункт. Это делает возможным создание средств связи, которые исключают незаметный перехват сигнала и подслушивание.

Еще одной наиболее свежей интерпретацией мысленного эксперимента Шредингера является рассказ Шелдона Купера, героя сериала «Теория большого взрыва» («Big Bang Theory»), который он произнес для менее образованной соседки Пенни. Суть рассказа Шелдона заключается в том, что концепция кота Шредингера может быть применена в отношениях между людьми. Для того чтобы понять, что происходит между мужчиной и женщиной, какие отношения между ними: хорошие или плохие, – нужно просто открыть ящик. А до этого отношения являются одновременно и хорошими, и плохими. youtube.com

Кот Шредингера — Значение и примеры

Возможно, кто-то из вас слышал такое словосочетание, как «кот Шредингера». Однако для большинства людей это название ни о чем не говорит.

Если вы считаете себя мыслящим субъектом, и даже претендуете на роль интеллектуала, то следует обязательно узнать, что собой представляет кот Шредингера, и почему он стал знаменит в науке.

Кот Шредингера – это мыслительный эксперимент, предложенный австрийским физиком теоретиком Эрвином Шредингером. Этот талантливый ученый получил в 1933 г. Нобелевскую премию по физике.

Посредством своего знаменитого эксперимента ему хотелось показать всю неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим.

Эрвин Шредингер пытался пояснить свою теорию на оригинальном примере кота. Он хотел сделать это максимально просто, чтобы его мысль была понятна любому человеку.

Удалось ему это или нет, вы узнаете, дочитав статью до конца.

Суть эксперимента Кот Шредингера

Свою теорию физик опубликовал в 1935 году. Приведем выдержку из оригинальной статьи Шрёдингера, где он описал эксперимент. Не пугайтесь, если сразу будет непонятно, – ниже мы постараемся все объяснить простыми словами.

Предположим, что некий кот заперт в стальной камере вместе с такой адской машиной (которая должна быть защищена от прямого вмешательства кота): внутри счётчика Гейгера находится столь крохотное количество радиоактивного вещества, 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.

Иначе говоря, мы имеем ящик и кота. В ящике установлено устройство с радиоактивным атомным ядром и емкостью с ядовитым газом.

В ходе опыта, вероятность распада иле не распада ядра приравнивается к 50%. Следовательно, если оно распадается – животное умрет, а если ядро не распадается – кот Шредингера останется жить.

Запираем кота в ящик, и на протяжении часа ждем, размышляя над бренностью жизни.

По законам квантовой механики ядро (а, следовательно, и сам кот), одновременно может быть во всех возможных состояниях (см. квантовая суперпозиция).

До того момента, пока ящик еще не открыт, система «кот-ядро» предполагает два варианта исхода событий: «распад ядра – кот мертв» с вероятностью 50%, и «распада ядра не случилось – кот жив» с той же долей вероятности.

Выходит, что кот Шредингера, сидящий внутри ящика, в одно и то же время жив и мертв.

Трактовка копенгагенской интерпретации гласит, что при любом раскладе кот жив и мертв одновременно. Выбор распада ядра наступает не тогда, когда мы вскрываем ящик, а ещё когда ядро попадает в детектор.

Это происходит из-за того, что редукция волновой функции системы «кот-детектор-ядро» никак не взаимосвязана с наблюдающим со стороны человеком. Она непосредственно связана с детектором-наблюдателем атомного ядра.

Кот Шредингера простыми словами

По законам квантовой механики, в том случае, если над атомным ядром не будет происходить наблюдения, оно может быть двойственным: то есть, распад либо случится, либо нет.

Из этого следует, что кот, находящийся в ящике и представляющий собой ядро, в одно и то же время может быть и живым, и мертвым.

Но в миг, когда наблюдатель решит вскрыть ящик, ему удастся увидеть лишь одно из 2-х возможных состояний.

Но теперь возникает закономерный вопрос: когда именно система прекращает свое существование в двойственном виде?

Благодаря этому опыту, Шредингер привел аргументы касательно того, что квантовая механика является неполной без определенных правил, объясняющих, в каких случаях наступает коллапс волновой функции.

Учитывая же тот факт, что кот Шредингера рано или поздно должен стать либо живым, либо мертвым, то это будет аналогично и для атомного ядра: атомный распад или произойдет, или нет.

Суть опыта человеческим языком

Шредингер на примере кота, хотел показать, что согласно квантовой механике, животное будет одновременно, как живым, так и мертвым. Это, по сути, невозможно, из чего делается вывод, что квантовая механика на сегодняшний день имеет существенные изъяны.

Видеоролик из «Теории большого взрыва»

Персонаж сериала Шелдон Купер пытался разъяснить своей «недалекой» подруге суть эксперимента Кот Шредингера. Для этого он использовал пример отношений между мужчиной и женщиной.

Чтобы узнать, какие у них взаимоотношения достаточно лишь вскрыть ящик. А пока он будет закрыт, их отношения могут быть одновременно, как положительными, так и отрицательными.

Выжил ли кот Шредингера после опыта?

Если кто-то из наших читателей волнуется за кота, то вам стоит успокоиться. В ходе опыта ни один из котов не погиб, а сам Шредингер назвал свой эксперимент мысленным, то есть таким, который проводится исключительно в уме.

Надеемся, что вы поняли, в чем заключается суть эксперимента Кот Шредингера. Если у вас остались вопросы – можете задавать их в комментариях. Ну и, конечно, поделитесь этой статьей в социальных сетях.

Если вам нравятся интересные факты – подписывайтесь на сайт InteresnyeFakty.org любым удобным способом. С нами всегда интересно!

Понравился пост? Нажми любую кнопку:

Интересные факты:

Кот Шредингера простыми словами. Суть эксперимента

Автор Алёна Краева На чтение 8 мин. Опубликовано 02.06.2016

Добро пожаловать на блог!

Если Вы заинтересовались статьёй по теме из квантовой физики, то велика вероятность того, что Вы любите сериал «Теория большого взрыва». Так вот, Шелдон Купер придумал свеженькую интерпретацию мысленного эксперимента Шрёдингера (видео с этим фрагментом Вы найдёте в конце статьи). Но чтобы понять диалог Шелдона с его соседкой Пенни, обратимся сначала к классической интерпретации. Итак, Кот Шредингера простыми словами.

В этой статье мы рассмотрим:

• Короткая историческая справка
• Описание эксперимента с Котом Шрёдингера
• Разгадка парадокса Кота Шрёдингера  
• Интерпретация Шелдона парадокса Кота Шрёдингера

Сразу хорошая новость. Во время эксперимента кот Шредингера не пострадал. Потому что физик Эрвин Шрёдингер, один из создателей квантовой механики, провёл только мысленный эксперимент.

Короткая историческая справка

Перед тем, как погрузиться в описание эксперимента, сделаем мини экскурс в историю.

В начале прошлого века учёным удалось заглянуть в микромир. Несмотря на внешнюю схожесть модели «атом-электрон» с моделью «Солнце-Земля», оказалось, что в микромире не работают привычные нам ньютоновские законы классической физики. Поэтому появилась новая наука –квантовая физика и ёё составляющая – квантовая механика. Квантами назвали все микроскопические объекты микромира.

Внимание! Один из постулатов квантовой механики – «суперпозиция». Он пригодится нам для понимания сути эксперимента Шрёдингера.

«Суперпозиция» – это способность кванта (им может быть электрон, фотон, ядро атома) находится не в одном, а в нескольких состояниях одновременно или находится в нескольких точках пространства одновременно, если никто за ним не наблюдает

Нам это сложно понять, потому что в нашем мире объект может иметь только одно состояние, например, быть, или живым, или мёртвым. И может находиться только в одном определённом месте в пространстве. О «суперпозиции» и ошеломляющих результатах экспериментов квантовой физики можете почитать в этой статье Квантовая физика для чайников.

Вот простая иллюстрация отличия поведения микро и макро объектов. Положите в одну из 2-х коробок шар. Т.к. шар – это объект нашего макро мира, Вы с уверенностью скажете: «Шар лежит только в одной из коробок, при этом во второй – пусто». Если же вместо шара возьмёте электрон, то верным будет высказывание, что он находится одновременно в 2-х коробках. Так работают законы микромира. Пример: электрон в реальности не вращается вокруг ядра атома, а находится во всех точках сферы вокруг ядра одновременно. В физике и химии, этот феномен имеет название «электронного облака».

Резюме. Мы поняли, что поведение очень маленького объекта и большого объекта подчиняются разным законам. Законам квантовой физики и Законам классической физики соответственно.

Но нет науки, которая описывала бы переход от макромира в микромир. Так вот, Эрвин Шрёдингер описал свой мысленный эксперимент  как раз для того, чтобы продемонстрировать неполноту общей теории физики. Он хотел, чтобы парадокс Шредингера показал, что есть наука для описания больших объектов (классическая физика) и наука для описания микрообъектов (квантовая физика). Но не хватает науки для описания перехода от квантовых систем к макросистемам.

Описание эксперимента с Котом Шредингера

Эрвин Шрёдингер описал мысленный эксперимент с котом в 1935 году. Оригинальная версия описания эксперимента представлена в Википедии (Кот Шредингера Википедия).

Вот версия описания эксперимента Кот Шредингера простыми словами:

• В закрытый стальной ящик поместили кота.
• В «ящике Шредингера» есть устройство с радиоактивным ядром и ядовитым газом, помещённым в ёмкость.
• Ядро может распасться в течение 1 часа или нет. Вероятность распада – 50%.
• Если ядро распадётся, то счётчик Гейгера зафиксирует это. Сработает реле и молоточек разобьёт ёмкость с газом. Котик Шрёдингера умрёт.
• Если – нет, то шредингеровский кот будет жив.

Согласно закону «суперпозиции» квантовой механики в то время, когда мы не наблюдаем за системой, ядро атома (а следовательно, и кот) находится в 2-х состояниях одновременно. Ядро находится в состоянии распавшееся/нераспавшееся. А кот – в состоянии жив/мертв одновременно.

Но мы точно знаем, если «ящик Шредингера» открыть, то кот может быть только в одном из состояний:

• если ядро не распалось – наш кот жив
• если ядро распалось – котик мёртв

Парадокс эксперимента заключается в том, что согласно квантовой физике: до открытия коробки кот, и жив, и мёртв одновременно, но согласно законам физики нашего мира – это невозможно. Кот может быть в одном конкретном состоянии – быть живым или быть мёртвым. Нет смешанного состояния «кот жив/мёртв» одновременно.

Перед тем, как получить разгадку, посмотрите эту замечательную видео-иллюстрацию парадокса эксперимента с котом Шрёдингера (меньше 2-х минут):

Разгадка парадокса Кота Шрёдингера – копенгагенская интерпретация

Теперь разгадка. Обратите внимание на особую загадку квантовой механики – парадокс наблюдателя. Объект микромира (в нашем случае, ядро) находится в нескольких состояниях одновременно только пока мы не наблюдаем за системой.

Например, знаменитый эксперимент с 2-мя щелями и наблюдателем. Когда пучок электронов направляли на непрозрачную пластину с 2-мя вертикальными щелями, то на экране за пластиной электроны рисовали «волновую картину» — вертикальные чередующиеся тёмные и светлые полосы. Но когда экспериментаторы захотели «посмотреть», как электроны пролетают сквозь щели и установили со стороны экрана «наблюдателя», электроны нарисовали на экране не «волновую картину», а 2 вертикальные полосы. Т.е. вели себя, не как волны, а как частицы.

Похоже на то, что квантовые частицы сами решают, какое состояние им принять в момент, когда их «замеряют».

Исходя из этого, современное копенгагенское пояснение (интерпретация) феномена «Кота Шредингера» звучит так:

Пока никто не наблюдает за системой «кот-ядро», ядро находится в состоянии распавшееся/нераспавшееся одновременно. Но ошибочно утверждать, что и кот жив/мёртв одновременно. Почему? Да потому что в макросистемах квантовые явления не наблюдаются. Правильнее говорить не о системе «кот-ядро», а о системе «ядро-детектор (счётчик Гейгера)».

Ядро выбирает одно из состояний (распавшееся/нераспавшееся) в момент наблюдения (или измерения). Но этот выбор происходит не в тот момент, когда экспериментатор открывает ящик (открытие ящика происходит в макромире, очень далёком от мира ядра). Ядро выбирает своё состояние в момент, когда оно попадает в детектор. Дело в том, что в эксперименте система описана недостаточно.

Таким образом, копенгагенская интерпретация парадокса Кота Шредингера отрицает, что до момента открытия ящика Кот Шредингера был в состоянии суперпозиции –  находился в состоянии живого/мёртвого кота одновременно. Кот в макромире может находится и находится только в одном состоянии.

Резюме. Шредингер не совсем полно описал эксперимент. Не правильно (точнее, невозможно связывать) макроскопические и квантовые системы. В наших макросистемах не действуют квантовые законы. В данном эксперименте взаимодействуют не «кот-ядро», а «кот – детектор-ядро». Кот из макромира, а система «детектор-ядро» – из микромира. И только в своём квантовом мире ядро может находиться в 2-х состояниях одновременно. Это происходит до момента измерения или взаимодействия ядра с детектором. А кот в своём макромире может находиться и находится только в одном состоянии. Поэтому, это только на 1-й взгляд кажется, что состояние кота «жив-мёртв» определяется в момент открытия ящика. На самом деле его судьба определяется в момент взаимодействия детектора с ядром.

Окончательное резюме. Состояние системы «детектор-ядро — кот» связано НЕ с человеком – наблюдателем за ящиком, а с детектором – наблюдателем за ядром.

Фух. Чуть мозги не закипели! Но как приятно самой понять разгадку парадокса! Как в старом студенческом анекдоте про преподавателя: «Пока рассказывал, сам понял!».

Интерпретация Шелдона парадокса Кота Шрёдингера

Теперь можно расслабиться и послушать самую свежую интерпретацию мысленного эксперимента Шредингера от Шелдона. Суть его интерпретации в том, что ёё можно применять в отношениях между людьми. Чтобы понять, хорошие отношения между мужчиной и женщиной или плохие – нужно открыть ящик (пойти на свидание). А до этого они, и хорошие, и плохие одновременно.

Ну как Вам этот «милый эксперимент»? В наше время досталось бы Шрёдингеру от защитников животных за такие зверские мысленные эксперименты с котом. А может это был не кот, а Кошка Шредингера?! Бедная девочка, натерпелась от этого Шредингера (((

До встречи в следующих публикациях!

Желаю всем удачного дня и приятного вечера!

Алёна Краева

P.S. Если Вам понравилась информация и была понятной и полезной, не забудьте поделиться статьёй с друзьями.

P.S. Делитесь своими мыслями в комментариях. И задавайте вопросы.

P.S. Подписывайтесь на блог – форма подписки находится под статьёй. 

Кот Шрёдингера — что это такое, история мема, Эрвин Шрёдингер

Кот Шрёдингера – мысленный эксперимент физика Эрвина Шрёдингера, суть которого заключается в том, что кот в коробке одновременно жив и мертв. Таким образом ученый доказывал неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим.

Происхождение

Австрийский физик-теоретик Эрвин Шрёдингер в 1935 году в статье “Текущая ситуация в квантовой механике” (Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik) в издании Naturwissenschaften предложил эксперимент с котом в коробке. 

Берем кота и помещаем в коробку. В коробке находится атомное ядро и ёмкость с ядовитым газом. Вероятность распада ядра – 50%, если он состоится, емкость с газом откроется и кот умрет. Если распад не происходит – кот жив. Согласно основам квантовой механики, до того, как мы откроем коробку, кот находится в состоянии квантовой суперпозиции – то есть во всех состояниях одновременно.

Получается, что в системе “кот-ядро” кот может быть жив или мертв с одинаковой вероятностью в 50%. Или же он одновременно и жив, и мертв.

Популярность в интернете

Впервые в интернете вопрос с котом Шрёдингера обсуждали в мае 1990 года на форуме Usenet’s sci.physics. 9 августа 2000 года на форуме вопросов-ответов Straight Dope опубликовали поэму, посвященную коту Шрёдингера.

В августе 2004 года онлайн-магазин ThinkGeek начал продавать футболки с надписью “Кот Шрёдингера умер”.

4 января 2006 года в серии комиксов Xkcd вышел комикс Шредингера.

” – Последняя панель этого комикса смешная и несмешная одновременно. Пока ты не прочтешь его, нельзя сказать, каким он окажется в конце.

– Чёрт”

2 июня 2007 года на сайте I Can Has Cheezburger опубликовали картинку кота в коробке с подписью: “В твоей квантовой коробке…один кот…возможно”.

1 июня 2008 года на Reddit выложили картинку в стиле древних объявлений о поиске преступников: “Разыскивается кот Шрёдингера. Живой или мертвый. В последний раз его видели перед тем, как закрылась коробка”.

23 июня 2010 года комикс “Сексуальная кошка Шрёдингера” опубликовал сайт Buzzfeed.

19 августа 2010 года на YouTube появилась пародия на кота Шрёдингера с мемом Nyan Cat.

Венцом популярности кота Шрёдингера стал посвященный ему дудл Google, который появился 12 августа 2013 года – в день 126-летия Эрвина Шрёдингера.

Отсылки в популярной культуре

Значительную роль в популяризации кота Шрёдингера в массовой культуре сыграли фильмы, сериалы, книги и компьютерные игры, где упоминался этот эксперимент. Приведем лишь некоторые примеры.

В 16 серии шестого сезона “Футурамы” полицейские задерживают Шредингера и его кота.

Во второй серии первого сезона “Рик и Морти” главные герои встречаются с котами Шрёдингера в параллельной реальности.

Шелдон Купер в “Теории большого взрыва” с помощью теории о коте Шрёдингера объяснял Пенни, как работают отношения между мужчинами и женщинами.

Значение

Кот Шрёдингера – не только интернет-мем, но и герой массовой культуры. Кот, который одновременно и жив, и мертв, символизирует некую двузначность. Про Шредингера вспоминают, когда что-то является одновременно смешным и нет, или когда что-то одновременно запрещено и разрешено. Например, светофор, у которого одновременно горит красный и зеленых сигнал – светофор Шрёдингера.

Галерея

Материал дополнен редакцией. Хочешь попасть в Мемфис? Регистрируйся на сайте и делись своими находками из интернета. Лучшие материалы попадут на главную страницу сайта.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Уравнение Шрёдингера • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»

Согласно фольклору, столь распространенному среди физиков, случилось это так: в 1926 году физик-теоретик по имени Эрвин Шрёдингер выступал на научном семинаре в Цюрихском университете. Он рассказывал о странных новых идеях, витающих в воздухе, о том, что объекты микромира часто ведут себя скорее как волны, нежели как частицы. Тут слова попросил пожилой преподаватель и сказал: «Шрёдингер, вы что, не видите, что всё это чушь? Или мы тут все не знаем, что волны — они на то и волны, чтобы описываться волновыми уравнениями?» Шрёдингер воспринял это как личную обиду и задался целью разработать волновое уравнение для описания частиц в рамках квантовой механики — и с блеском справился с этой задачей.

Тут необходимо сделать пояснение. В нашем обыденном мире энергия переносится двумя способами: материей при движении с места на место (например, едущим локомотивом или ветром) — в такой передаче энергии участвуют частицы — или волнами (например, радиоволнами, которые передаются мощными передатчиками и ловятся антеннами наших телевизоров). То есть в макромире, где живём мы с вами, все носители энергии строго подразделяются на два типа — корпускулярные (состоящие из материальных частиц) или волновые. При этом любая волна описывается особым типом уравнений — волновыми уравнениями. Все без исключения волны — волны океана, сейсмические волны горных пород, радиоволны из далеких галактик — описываются однотипными волновыми уравнениями. Это пояснение нужно для того, чтобы было понятно, что если мы хотим представить явления субатомного мира в терминах волн распределения вероятности (см. Квантовая механика), эти волны также должны описываться соответствующим волновым уравнением.

Шрёдингер применил к понятию волн вероятности классическое дифференциальное уравнение волновой функции и получил знаменитое уравнение, носящее его имя. Подобно тому как обычное уравнение волновой функции описывает распространение, например, ряби по поверхности воды, уравнение Шрёдингера описывает распространение волны вероятности нахождения частицы в заданной точке пространства. Пики этой волны (точки максимальной вероятности) показывают, в каком месте пространства скорее всего окажется частица. Хотя уравнение Шрёдингера относится к области высшей математики, оно настолько важно для понимания современной физики, что я его все-таки здесь приведу — в самой простой форме (так называемое «одномерное стационарное уравнение Шрёдингера»). Вышеупомянутая волновая функция распределения вероятности, обозначаемая греческой буквой ψ («пси»), является решением следующего дифференциального уравнения (ничего страшного, если оно вам не понятно; главное — примите на веру, что это уравнение свидетельствует о том, что вероятность ведёт себя как волна):

    

где x — расстояние, h — постоянная Планка, а m, E и U — соответственно масса, полная энергия и потенциальная энергия частицы.

Картина квантовых событий, которую дает нам уравнение Шрёдингера, заключается в том, что электроны и другие элементарные частицы ведут себя подобно волнам на поверхности океана. С течением времени пик волны (соответствующий месту, в котором скорее всего будет находиться электрон) смещается в пространстве в соответствии с описывающим эту волну уравнением. То есть то, что мы традиционно считали частицей, в квантовом мире ведёт себя во многом подобно волне.

Когда Шрёдингер впервые опубликовал свои результаты, в мире теоретической физики разразилась буря в стакане воды. Дело в том, что практически в то же время появилась работа современника Шрёдингера — Вернера Гейзенберга (см. Принцип неопределенности Гейзенберга), в которой автор выдвинул концепцию «матричной механики», где те же задачи квантовой механики решались в другой, более сложной с математической точки зрения матричной форме. Переполох был вызван тем, что ученые попросту испугались, не противоречат ли друг другу два в равной мере убедительных подхода к описанию микромира. Волнения были напрасны. Сам Шрёдингер в том же году доказал полную эквивалентность двух теорий — то есть из волнового уравнения следует матричное, и наоборот; результаты же получаются идентичными. Сегодня используется в основном версия Шрёдингера (иногда его теорию называют «волновой механикой»), так как его уравнение менее громоздкое и его легче преподавать.

Однако представить себе и принять, что нечто вроде электрона ведёт себя как волна, не так-то просто. В повседневной жизни мы сталкиваемся либо с частицей, либо с волной. Мяч — это частица, звук — это волна, и всё тут. В мире квантовой механики всё не так однозначно. На самом деле — и эксперименты это вскоре показали — в квантовом мире сущности отличаются от привычных нам объектов и обладают другими свойствами. Свет, который мы привыкли считать волной, иногда ведёт себя как частица (которая называется фотон), а частицы вроде электрона и протона могут вести себя как волны (см. Принцип дополнительности).

Эту проблему обычно называют двойственной или дуальной корпускулярно-волновой природой квантовых частиц, причем свойственна она, судя по всему, всем объектам субатомного мира (см. Теорема Белла). Мы должны понять, что в микромире наши обыденные интуитивные представления о том, какие формы может принимать материя и как она себя может вести, просто неприменимы. Сам факт, что мы используем волновое уравнение для описания движения того, что привыкли считать частицами, — яркое тому доказательство. Как уже отмечалось во Введении, в этом нет особого противоречия. Ведь у нас нет никаких веских оснований полагать, будто то, что мы наблюдаем в макромире, должно с точностью воспроизводиться на уровне микромира. И тем не менее дуальная природа элементарных частиц остается одним из самых непонятных и тревожащих аспектов квантовой механики для многих людей, и не будет преувеличением сказать, что все беды начались с Эрвина Шрёдингера.

См. также:

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 Domain

В 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 Commons

Над 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

Краткая история квантовых альтернатив / Хабр

«Копенгагенская» квантовая механика говорит, что реальность не существует, пока она не измерена, поэтому многие продолжают искать альтернативы этой интерпретации

В 1915 году Альберт Эйнштейн с помощью своих друзей разработал

теорию гравитации

, перевернувшую всё то, что мы считали самим фундаментом физической реальности. Мысль о том, что населяемое нами пространство не может быть совершенно описано евклидовой геометрией, была непостижимой; настолько, что философ Иммануил Кант, во многих смыслах радикальный мыслитель, заявил, что

никакая

теория физики не сможет с ней справиться.

Позже физик Вернер Гейзенберг указал на смысл ошибки Канта. Великий философ постулировал, что наше интуитивное понимание древней геометрии Евклида означало, что она была необходимым основанием физической реальности. На самом деле это оказалось неверным, поставив под вопрос всю философскую систему Канта.

Несмотря на радикальный разрыв с прошлыми представлениями о пространстве и времени, теории Эйнштейна вскоре соединились с идеями Ньютона как часть «классической физики». Человечество вынуждено было это сделать, потому что революция научной мысли оказалась столь глубокой, что создала яркий след в истории науки: разработку теории квантовой физики.

Что можно назвать научной революцией более глубокой, чем общая теория относительности? Что могло создать тектонический сдвиг, более мощный, чем идея о том, что сами пространство и время искривляются материей?

Чтобы понять это, мы сначала должны попытаться понять: такова неотъемлемая странность, присущая квантовой механике. Как только мы начнём чувствовать себя некомфортно в квантовом мире, то начнём понимать, почему после появления на сцене КМ физики пытались создать ей альтернативы — альтернативы, воссоздающие те же фантастические соответствия с экспериментами, в то же время сохраняющие часть классического ядра, согласующегося с нашим глубинным интуитивным пониманием о том, как должна себя вести природа.

Всё что вы знаете — неверно

Наше глубинное интуитивное понимание природы реальности возникает из наблюдений и взаимодействия с миром вокруг нас, начиная с самого детства. Ещё до того, как мы сможем это выразить, мы начинаем понимать причинно-следственные связи. Причиной любого происходящего события бывает другое произошедшее событие. Мир предсказуем.

Позже мы становимся искушённее. Мы признаём, что наше понимание причин ограничено и осознаём неопределённость их следствий. Возможно, мы даже изучаем теорию вероятностей и статистику и узнаём, как выразить пределы нашего знания в математическом виде. Но мы считаем, что это только наши ограничения и что незримо для нас природа закулисно продолжает использовать точные правила причин и следствий. Когда мы бросаем монетку, то только нехватка информации о движении монеты и воздуха заставляет нас говорить, что вероятность выпадения орла равна одной второй. Мы предполагаем, что если бы мы знали все подробности и у нас был достаточно большой компьютер для выполнения вычислений, то нам не пришлось бы полагаться на вероятности.

Однако такой «реалистичный» взгляд на вещи не может пережить (и не пережил) полученных при экспериментах над фотонами и другими субатомными частицами жестких данных. Это не физики из-за своей упрямой несговорчивости решили создать теорию, противоречащую нашим самым драгоценным интуитивным ощущениям о реальности: на самом деле, это результаты экспериментов упорно отказывались соответствовать любым классическим интерпретациям. Изобретение квантового формализма был актом отчаяния — единственным, который оказался работающим. Если мы ограничим себя, задавая вопросы, допускаемые квантовой теорией, то будем вознаграждены правильными ответами. Но если мы будем упорствовать, пытаясь уяснить то, что говорит нам теория, с помощью концепций классического мира, то придём в замешательство.

Будучи студентом-физиком, я увидел учебную демонстрацию того, что позволило мне бросить краткий взгляд на невидимую странность окружающего нас мира. Вы можете повторить этот опыт дома, воспользовавшись всего лишь фонариком или лазерной указкой, а также тремя поляризационными фильтрами (можно также использовать стёкла из разбитых солнцезащитных очков с поляризацией). Расположите два фильтра в ряд, оставив между ними зазор. Пропустите свет через эту пару и поворачивайте один фильтр до тех пор, пока свет не перестанет проходить; оси их поляризации стали перпендикулярными. Теперь вставьте третий фильтр между первыми двумя. Вы увидите, что свет начнёт проходить через эту конструкцию: каким-то образом добавление лишнего фильтра позволяет пропускать свет.

Эта демонстрация была частью вводной части курса по квантовой механике. На протяжении нескольких недель мы были погружены в формализм квантовой теории, из которого это кажущееся парадоксальным поведением возникает как тривиальное следствие.

Есть люди, утверждающие, что здесь нет парадокса и что такое поведение можно объяснить при классическом подходе. И в каком-то смысле они совершенно правы. Но результаты настольной демонстрации, потрясающие студентов, уже знакомых с классической физикой, очевидно возникают из квантового формализма. И это что-то да значит.

Двухщелевой эксперимент с электронами.

Учёные первых десятилетий прошлого века столкнулись с гораздо более поразительными и необъяснимыми результатами экспериментов. Часто упоминают показанный выше эксперимент с двумя щелями. Выполняя этот эксперимент с электронами или фотонами, мы получим одинаковые результаты: интерференционную картину, как будто из двух щелей возникли две мешающие друг другу волны. Это показывает, что свет является волной и что даже частицы с массой, такие как электроны, похоже, ведут себя в таких условиях как волны.

Но эксперимент можно изменить двумя любопытными способами. Во-первых, если замедлить частоту испускания частиц (фотонов, электронов или даже целых молекул) так, чтобы за раз через щели проходила только одна частица, то результат не изменится. Это должно означать, что частица каким-то образом разделяется на две, проходит через обе щели и взаимодействует сама с собой! Во-вторых, если внести любое изменение в установку, чтобы она фиксировала, через какую щель проходит частица, то интерференционная картина исчезает и заменяется на паттерн, который можно было ожидать, если бы частицы были обычными частицами без волновых свойств: просто два симметричных распределения, центрированные относительно каждой из щелей.

Сложно было найти теорию, которая бы и объясняла результаты, и устраивала бы всех. Было похоже, что фотоны или электроны иногда решали вести себя как волны, а иногда как частицы, в зависимости от того, на что хотел смотреть экспериментатор.

Дальше всё становилось ещё страннее. Технологии развились до такой степени, что мы можем выбирать, какой тип измерения делать уже после того, как частица начала своё путешествие. Результаты таких экспериментов с «отложенным выбором» остались теми же. Если мы смотрим, чтобы увидеть, какое направление выбрала частица, то интерференция разрушается. Если мы, так сказать, отвернёмся, то знакомая интерференционная картина возвращается. И тем не менее частица должна была «решить», вести ли себя как частица или как волна ещё до прохождения через щели и до создания окончательной конфигурации эксперимента.

Результаты экспериментов с отложенным выбором заставили не одного физика сделать предположение о том, что информация о выборе поведения частицы или волны передаётся назад во времени, от времени выбора в какое-то время до того, как частица пройдёт сквозь устройство. То, что это предположение обсуждалось с полной серьёзностью, должно дать вам некое представление о том, насколько сложно было объяснить результаты экспериментов в микромире с помощью набора концепций (таких как причинность), взятых из наших реалистичных взглядов на мир. Объяснение с возвратом назад во времени продержалось до недавнего момента, когда провели эксперимент с медленными и холодными атомами гелия в похожей схеме. Атомы проходили через установку под действием только гравитации, поэтому между моментом прохождения и выбором способа наблюдения за ними проходило значительное время. Хотя физики иногда описывают некоторые очень быстрые субатомные процессы как использующие ограниченную форму путешествия назад во времени, большая длительность в экспериментах с гелием сделала невозможной существование такого объяснения.

Что же нам остаётся? Результаты этих и многих других экспериментов просто невозможно описать с помощью традиционных концепций на основе реальности: о том, что объекты существуют с определённым набором свойств; что если мы решаем не измерять отдельное свойство, оно всё равно имеет какое-то значение. Физики имели опыт работы с неопределённостью задолго до квантовой революции, но эта неопределённость была совершенно другого типа. Это была неопределённость знания, подразумевавшая неизвестный, но существующий, уровень детерминированной реальности под тем, что мы непосредственно воспринимаем.

Если мы отбросим все эти понятия, столь фундаментальные для нашего понимания мира, то чем же нам их заменить? Ведь они не просто стали интуитивной частью нашего повседневного опыта, но и служат фундаментом других областей науки.

То, что мы не видим

В девятнадцатом веке детерминизм на микроскопическом уровне привёл к первому огромному успеху вероятностных рассуждений в физике:

кинетической теории газов

. Она была основана на старой идее о том, что материя состоит из гигантского количества простых атомов, отталкивающихся друг от друга подобно субмикроскопическим шарикам для пинг-понга. Благодаря нескольким простым допущениям, а также хорошей доле математики, создавшим кинетическую теорию учёным удалось вывести известные нам законы термодинамики как средние значения поведения идеальных атомов. Кинетическая теория показала, как наблюдаемые нами явления могут возникать из усреднённого поведения множества процессов, которые мы неспособны наблюдать непосредственно. Тем не менее, эти усреднённые поведения действовали в соответствии с известными детерминированными законами классической механики — на них основывалась вся теория.

Частицы, демонстрирующие броуновское движение.

Даже в двадцатом веке многие учёные не верили в реальность атомов. Поворотным моментом стала статья Эйнштейна о броуновском движении, опубликованная в 1905 году. В ней применялись статистические рассуждения, показавшие, что хаотические движения подвешенных в воде частиц пыльцы можно объяснить бомбардировкой невидимым множеством частиц.

Эйнштейн получил свою Нобелевскую премию не за эту работу, и не за другую статью 1905 года, в которой ввёл понятие относительности E = mc². Премия была вручена ему за ещё одну работу, опубликованную в том же году и посвящённую фотоэффекту. Эта публикация ненамеренно запустила процесс, который привёл к крушению нашей классической реальности.

Заработавшая Эйнштейну премию статья объясняла множество загадочных результатов экспериментов по взаимодействию света и материи. В ней постулируется, что свет поглощается и испускается из материи дискретными величинами энергии, называемыми квантами. Эта работа ознаменовала рождение квантовой физики — и это дитя Эйнштейна начало развиваться в направлении, раздражавшем даже собственного отца.

Следующие два десятилетия стали свидетелями взрыва экспериментальных исследований в новой области атомной физики и химии. Электрон освободили от оков атома и начали экспериментировать непосредственно с ним. В результатах экспериментов стали появляться ещё более странные явления, появился ряд неполных теорий и моделей, математических трактовок для описания микромира. Всё постепенно начало соединяться вместе и физики наконец оказались способными предсказывать экспериментальные результаты. Но это требовало непривычной, абстрактной математической структуры и набора правил, связывающих её с измеряемыми аспектами природы, а именно квантовой механики. (Эта история рассказывается в очень хорошо написанной книге Дэвида Линдли).

К третьему десятилетию двадцатого века почти все учёные приняли реальность атомов и даже более мелких частиц. Но они представляли их как невидимые крошечные версии знакомых объектов: для сравнения использовались планеты, бильярдные шары и песчинки. Большинство учёных, не относившихся к небольшому кружку, создавшему или понявшему новую теорию, предполагали, что она является ещё одной версией чего-то вроде кинетической теории газов. И сегодня большинство людей, вероятно, считают похожим образом: атомы и другие составляющие части микромира могут обладать экзотическими свойствами и следовать странным математическим правилам, но они, по крайней мере, принимают участие в известной нам реальности. Однако квантовая механика утверждает нечто обратное.

Одна из ключевых фигур в её разработке — Нильс Бор (со значительным влиянием Макса Борна и Вернера Гейзенберга), который был также одной из самых странных фигур в истории физики. Бор был физиком-философом, утомлявшим своих коллег произнесением длинных, развёрнутых, иногда непостижимых предложений. Хотя он, без сомнений, в совершенстве знал теорию и был известен решением нескольких загадок на начальном этапе исследования атомов, но часто предпочитал манипуляциям с уравнениями досужие, бесцельные разговоры. Он настаивал на необходимости понимания значения всего. (Его поиски значения не разделяли некоторые из других пионеров квантовой физики, потому что они уже начали исследования, исповедуя подход «Заткнись и вычисляй!».)

Родовой герб Нильса Бора.

Частично вдохновлённый теорией физики, которую помогал создавать, Бор постепенно начал разрабатывать её мистическую сторону, и даже добавил в свой герб символ «инь-ян».

Это первое понимание или интерпретация квантовой механики позже стала известна как «копенгагенская интерпретация» в честь университета Бора. Она по-прежнему является стандартным взглядом на квантовую механику, даже несмотря на отсутствие формального определения. Скорее, это набор получивших всеобщее одобрение практических правил, относящихся к тем частям теории, которые можно наблюдать в лаборатории. Их можно сформулировать различными способами; вот одна из версий, отражающая современное понимание основных аспектов:

• Состояние (позиция, импульс и т.д.) системы полностью определяется её «волновой функцией» — математическим объектом, который детерминированно преобразуется согласно уравнениям квантовой механики. Волновую функцию невозможно наблюдать непосредственно; однако она даёт нам вероятность того, что в момент выполнения измерений мы обнаружим систему в конкретном состоянии. Такими «системами» могут быть элементарные частицы, например, электроны и протоны, атомы или даже крупные молекулы. В процессе измерения волновая функция и её вероятности «стягиваются» к измеренному значению.
• Нет никакой «реальности», кроме вычисления вероятностей. Нет никакого лежащего в его основе слоя детерминированности; нет никаких скрытых механизмов, регистрирующих то, что будет измерено перед проведением измерений. Эти вероятности не отражают нехватку наших знаний, как в классической статистической физике, потому что нет ничего, о чём можно иметь знания. Существует только вероятность.
• Существуют фундаментальные ограничения того, что может быть измерено, описанные отношениями неопределённости: определённые пары величин можно одновременно измерить с определённой степенью точности (примерами могут служить позиция-импульс и время-энергия). Это никак не связано с технологиями или способами проведения экспериментов; эти ограничения являются частью природы и их невозможно избежать.

Копенгагенская интерпретация хорошо справляется во всеми запутанностями, окружающими такие явления, как описанные выше эксперименты с отложенным выбором. Нет никакой необходимости отправлять таинственные сигналы, путешествующие назад во времени, или создавать сложные теории, предназначенные для сохранения наших представлений о реальности. Нам просто необходимо отказаться от этих представлений и принять тот факт, что свойства не существуют независимо от их измерения. Величины становятся реальными только при их измерении, и квантовая механика говорит нам, что они — всего лишь вероятности различных реальностей.

Выхода нет?

Последствия квантовой механики вместе с копенгагенской интерпретацией неинтуитивны, причудливы и неприемлемы метафорически. Именно первичность вероятностей и уничтожение детерминированной причинности заставили Эйнштейна возразить, что бог «не играет в кости с миром». Так почему же физики с радостью приняли эту теорию? Почему мы не можем сказать, что могут существовать детерминированные «скрытые параметры», ставшие причинами вероятностей квантового мира?

Важнейшей и непосредственной причиной является теорема Белла. Эта теорема, доказанная Джоном Стюартом Беллом в 1964 году, показывает, что если существует слой скрытых параметров, которые мы не можем измерить, то определённые эксперименты должны давать определённые результаты. На сегодняшний день существует множество свидетельств чрезвычайно точных экспериментов, что измерения не дают таких результатов. Логика требует признать, что в микромире не существует неизвестного детерминированного слоя.

Теорема Белла может позволить сосуществовать нашим результатам экспериментов и детерминированным скрытым параметрам только при одном условии: влияние этих параметров должно распространяться быстрее скорости света. Однако такое влияние не может быть истинной, классической передачей информации, потому что возможность этого исключается специальной теорией относительности. Как указал Эйнштейн, перемещение информации быстрее скорости света ещё больше нарушит наши представления о причинах и следствиях: оно позволит следствиям предварять причины, даже на уровне макромира.

Ещё одна возможность заключается в том, чтобы позволить скрытым параметрам передавать эфемерное воздействие квантовой механики, которое распространяется мгновенно, но не переносит информации в классическом смысле. Эти таинственные воздействия Эйнштейн издевательски называл «жутким дальнодействием», но именно ими мы объясняем результаты измерений запутанных частиц. Для них измерение состояния частицы может сообщить нам, каким будет результат измерения другой частицы, находящейся на произвольном расстоянии. Теории, избегающие влияния теоремы Белла, допуская существование скрытых переменных, передающих некое мгновенное воздействие на расстоянии, называются «нелокальными теориями скрытых параметров». Но они являются единственным способом сделать квантовую механику более комфортной для нас.

Менее известный эксперимент с трубой Шрёдингера.

Свобода имеет свою цену

Вас не должно удивлять, что физики искали выход из ситуации с самых первых дней квантовой механики. Но как может быть возможно что-то иное, если теорема Белла не оставляет нам выхода?

В основе любой теоремы всегда лежат допущения, явные и неявные. В доказательстве Белла используется довольно простая математика и, похоже, не применяются никакие допущения, которые бы мы не приняли уже как истинные. Но отчаянно сложные проблемы вдохновляют людей на отчаянные меры. Квантовые теоретики искали альтернативы копенгагенской интерпретации, исследуя некоторые из таких негласно принятых допущений — тех, которые редко подвергаются сомнению, потому что никто не может представить, что они не истинны.

Квантовая логика

Одно из таких неисследованных допущений затрагивает правила логики, на которых основывается любой вид рассуждения, в том числе и математика. Интерпретации квантовой механики, меняющие саму логику, пытаясь что-то заменить, называются

квантовой логикой

. Эта область знания имеет почтенную родословную и берёт начало с Джона фон Неймана, потрясающего эрудита, написавшего раннюю математическую формулировку квантовой теории. Ещё в 1930-х он показал, что математическая структура теории привязана к логике, отличающейся от лежащей в основе классической физики аристотелевой логики. Исследования в этой области продолжают оставаться экзотическим (и восхитительным) полем для изучения; пока никто не создал полнофункциональную, удовлетворительную альтернативу копенгагенской интерпретации.

Хотя эта область очень глубока и является довольно таинственной, существуют простые примеры того, как знакомая нам логика плохо подстраивается под квантовый мир и того, как можно создать ей альтернативу. Одной из первых в литературе встречается уникальная квантовая идея суперпозиции состояний. В квантовом мире наши обычные понятия о реальности заменяются волновой функцией, которая даёт нам вероятности обнаружения системы в различных состояниях. Если система может быть только в одном из двух состояний, то до выполнения самих измерений она находится в состоянии, являющемся ни одним из них, или и тем, и другим: в суперпозиции. Популярный пример этого — мысленный эксперимент с «котом Шрёдингера», который считается одновременно живым и мёртвым, пока не открыта коробка, в которой он сидит. Эксперимент является драматическим конфликтом с классической механикой и нашими повседневными представлениями о реальности: «кот» требует, чтобы система на самом деле находилась в одном из двух возможных состояний, и только акт измерения открывает нам, каким всё это время было состояние.

Эрвин Шрёдингер

Один из возможных способов придать суперпозиции смысл заключается в том, чтобы применить другие правила логики. В привычной нам логике если утверждение p (допустим, «электрон находится в состоянии с ориентированным вверх спином») ложно, и утверждение q («электрон находится в состоянии с ориентированным вниз спином») тоже ложно, то p ∨ q (где ∨ означает «или») также должно быть ложно. Именно так и бывает с классическими измерениями. В квантовой механике p не может быть истинным, если не было измерено. Должно ли оно считаться «ложным» в классическом смысле, или чем-то иным — это уже другой вопрос. Аналогично, q тоже не может быть истинным. Однако сочетание p ∨ q должно быть истинным, потому что таково определение суперпозиции, в которой находится электрон перед измерением. Поэтому наша квантовая логика должна позволить p ∨ q быть истинным в случае, когда ни p, ни q не являются истинными, в противоположность аристотелевой логике.

Может показаться странным полагаться на изменение правил самой логики. Но таким образом мы можем спустить странность квантовой механики на один-два уровня, с уровня физики до уровня правил, которые мы можем использовать для рассуждений.

Стохастическая механика

Эта интепретация, или объяснение квантовой механики, оставляет логику нетронутой, но добавляет новый физический процесс. Современная и многообещающая отрасль стохастической механики началась со

статьи 1966 года

Эдварда Нельсона, смело заявившего:

«В этой статье мы должны показать, что радикальное отклонение от классической физики, вызванное появлением сорок лет назад квантовой механики, не было необходимым».

Основной результат статьи впечатляет: автор выводит уравнение Шрёдингера — центральное уравнение квантовой механики — допуская, что частицы подвергаются воздействию быстро колеблющейся случайной силы. Следовательно, микроскопические частицы, например, электроны, демонстрируют нечто похожее на броуновское движение. Выводя уравнение, Нельсон активно использует математику из статистической физики.

Со времени статьи Нельсона эта область стабильно развивалась и привлекла к себе большое сообщество исследователей. Некоторыми из её интригующих успешных достижений являются объяснение квантованного момента количества движения («спина»), квантовая статистика и знаменитый двухщельный эксперимент. Однако стохастическая механика ещё далека от того, чтобы заменить копенгагенскую интепретацию или традиционную квантовую механику. В ней используется то, что выглядит как нефизическое мгновенное действие на расстоянии и она даёт неверные прогнозы в некоторых видах измерений. Тем не менее, её апологеты не сдаются. Как говорит Нельсон в разборе этой темы, «как может быть теория быть настолько правильной и в то же время столь ошибочной?»

Теория волны-пилота

Эта версия квантовой механики возвращается к самым началам области. Если первый кусок квантового паззла был положен на место в 1905 году Эйнштейном, когда он объяснил, как свет поглощается и испускается из материи дискретными величинами, то второй фрагмент был положен в 1924 году Луи де Бройлем. Де Бройль заявил, что в то время как световые волны могут вести себя как частицы, частицы наподобие электронов могут вести себя как волны.

На следующий год де Бройль оформил свою теорию волны-пилота, в которой волны материи, наблюдаемые в реальных физических объектах, порождаются движением частиц. В каком-то смысле это было первоначальной интепретацией квантовой механики, но её вскоре победила копенгагенская интерпретация. Идеи де Бройля были открыты заново в 1950-х Дэвидом Бомом, давшим им дальнейшее развитие. В этой формулировке волновая функция также управляется уравнением Шрёдингера, но теория волны-пилота добавляет выведенное из него уравнение, непосредственно влияющее на движение частиц. Частицы считаются имеющими реальные траектории, существующие независимо от измерений; характерные квантовые эффекты, такие как интерференция в эксперименте с двумя щелями, возникают из-за сложных траекторий, по которым следуют электроны или фотоны во время эксперимента. Эта интерпретация воссоздаёт большую долю поведения квантового мира, сохраняя при этом реализм. Она возвращает вероятность обратно на привычное нам место, то есть вероятность снова становится показателем нашего неполного знания, а не неотъемлемой частью природы.

Луи де Бройль

Серьёзным препятствием для теории волны-пилота является то, что создаваемые ею траектории частиц сложны и часто причудливы; ещё одно препятствие заключается в том, что для неё необходима чрезвычайная нелокальность, в принципе описывающая движение частицы как зависящее от состояния всех остальных частиц Вселенной. Однако эта теория считается многими физиками самой многообещающей альтернативой копенгагенской интерпретации и активно исследуется.

Интригующей особенностью теории волны-пилота является возможность наблюдения аналогов некоторых прогнозируемых ею поведений, характерных для микроуровня, в макроскопическом масштабе. Видео с экспериментами отталкивающихся капель масла демонстрируют поразительное поведение, при котором капли играют роль субатомных частиц, а масляная ванная, над которой они подвешены, выполняет некоторые из функций волны-пилота.

Множественные миры

«Многомировая» интерпретация

квантовой механики наделала много шуму в популярной прессе. Поэтому многие люди, в том числе и некоторые физики, приобрели неверные взгляды на эту теорию.

Эта интерпретация не настаивает на создании новой вселенной при выполнении каждого измерения, как считают обычно. Она просто всерьёз воспринимает традиционную квантовую механику как описание нашей Вселенной и всего находящегося в ней. Квантовая механика описывает частицу, например, электрон, как существующую в суперпозиции всех возможных состояний; при выполнении измерения суперпозиция заменяется измеренным состоянием. Многомировая точка зрения расширяет идею суперпозиции на управление всем, в том числе измерительной установкой и её операторами. Она отстаивает мнение о том, что для обеспечения целостности весь мир должен существовать в в суперпозиции.

Понятие «множества миров» относится к суперпозиции состояний, применённой ко всему миру; каждое потенциальное состояние, или Вселенная, уже существует в квантовомеханическом смысле, при котором каждое возможное состояние субатомной частицы обладает потенциальным существованием. Измерение состояния частицы выбирает один возможный результат и делает его реальным. Одновременно измерение выбирает один возможный результат для Вселенной: тот, который экспериментатор получил при этом конкретном измерении.

Множественные миры считаются детерминированными и устраняют необходимость стягивания волновой функции. Её критики заявляют, что она всё равно не может освободиться от центральной роли вероятности и не способна вместить в себя гравитацию.

Существует множество других альтернативных подходов, описать которые нам просто не хватит места. Часто они ближе к метафизике, чем к физике. Одной из таких идей, находящейся посредине между наукой и философией, является сверхдетерминизм. Хотя эта идея пока не смогла воссоздать результаты квантовой механики, она привлекает постоянное внимание, возможно благодаря репутации своего основного апологета — Нобелевского лауреата по физике Герарда ’т Хоофта. Сверхдетерминизм должен был стать лазейкой в теореме Белла и на самом деле был описан как возможный самим Беллом. Теория избегает базовых допущений теоремы Белла, рассматривая всё во Вселенной, в том числе сделанный экспериментатором выбор измерений, как определённое с начала времён. Естественно, он отрицает всякую возможность свободы воли. Интересным развитием теории в этой области является попытка ’т Хоофта воплощения своих идей созданием модели квантовой механики в клеточном автомате.

Метафоры метафизического беспокойства

Эйнштейн хорошо владел словом и глубоко понимал природу. Он оставил нам в наследство две колоритные фразы, которые продолжают цитировать для выражения нашей неудовлетворённости соответствующими аспектами квантовой механики: «жуткое дальнодействие» и «Бог […]

не играет в кости

с миром».

Хотя копенгагенская интерпретация по-прежнему остаётся главенствующей, и со спокойствием принимает обе эти фразы, порождаемая ими мучительная неудовлетворённость будет продолжать мотивировать новые поколения физиков на поиски альтернативы. Эта альтернатива может быть дальнейшим развитием одной из описанных здесь моделей, одним из тех проектов, которые мы не смогли рассмотреть, или совершенно новой идеей. Но никто не может сказать точно, завоюет ли одна из них в будущем всеобщее признание.

Об авторе: Ли Филлипс — физик и постоянный автор Ars Technica. Ранее он писал о таких темах, как наследие языка программирования Fortran и изменившей физику Эмми Нётер.

Кот Шредингера: любимый, непонятый питомец квантовой механики

Мысленный эксперимент, известный как кот Шредингера, — одна из самых известных и неправильно понятых концепций квантовой механики. Глубоко задумавшись об этом, исследователи пришли к потрясающим открытиям в отношении физической реальности.

Кто придумал кота Шредингера?

Австрийский физик Эрвин Шредингер, который помог основать дисциплину квантовой механики, впервые задумал свою кошачью головоломку в 1935 году как комментарий к проблемам, первоначально поставленным светилом Альбертом Эйнштейном, согласно статье в Quanta Magazine.

Развивая свое новое понимание субатомной области, большинство коллег Эйнштейна и Шредингера осознали, что квантовые сущности демонстрируют чрезвычайно странное поведение. Датский физик Нильс Бор отстаивал понимание того, что частицы, подобные электронам, не имеют четко определенных свойств до тех пор, пока они не будут измерены. До этого частицы существовали в так называемой суперпозиции состояний, например, с вероятностью 50% ориентации «вверх» и вероятностью 50% ориентации «вниз».«

Эйнштейну, в частности, не нравилось это нерешительное объяснение. Он хотел знать, как именно Вселенная знает, что кто-то что-то измеряет. Шредингер подчеркнул эту абсурдность своим печально известным 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 мертвых. Такие люди, как Эйнштейн и Шредингер, возражали против такой возможности, которая не согласуется со всем, что говорит нам наш обычный опыт — кошки либо живы, либо мертвы, но не оба одновременно.

«[Q] uantum физике 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, регулируемое 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 царствами. Хотя большинство людей думают, что это пример в поддержку частиц, не имеющих четко определенных свойств, пока они не будут измерены, первоначальное намерение Шредингера было прямо противоположным — показать, что такая идея бессмысленна.Однако в течение многих десятилетий физики в основном игнорировали эту проблему, переходя к другим затруднениям.

Но, начиная с 1970-х годов, исследователи смогли показать, что квантовые частицы могут быть созданы в состояниях, которые всегда соответствуют друг другу — поэтому, если одна из них будет иметь ориентацию «вверх», другая будет «вниз» — явление, которое Шредингер называется запутанность. Такая работа была использована для поддержки развивающейся области квантовых вычислений, которая обещает производить вычислительные машины, которые намного быстрее, чем современные технологии.

В 2010 году физикам также удалось создать реальную версию кота Шредингера, хотя и без фелицида (также известного как убийство котенка). Из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре ученые построили резонатор, по сути, крошечный камертон размером с пиксель на экране компьютера. Они поместили его в суперпозицию, в которой он одновременно колебался и не колебался, показывая, что относительно большие объекты могут находиться в причудливых квантовых состояниях.

Более поздние эксперименты поместили группы до 2000 атомов в два разных места одновременно, еще больше стирая границу между микроскопическим и макроскопическим.В 2019 году исследователям из Университета Глазго даже удалось сфотографировать запутанные фотоны с помощью специальной камеры, которая делала снимок всякий раз, когда фотон появлялся со своим запутанным партнером.

В то время как физики и философы еще не пришли к соглашению о том, как думать о квантовом мире, идеи Шредингера открыли множество плодотворных направлений для исследований и, вероятно, будут продолжать это делать в обозримом будущем.

Дополнительные ресурсы:

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

Кошка физика Эрвина Шредингера, кажется, не умеет отдыхать.Вымышленный представитель семейства кошачьих известен тем, что одновременно жив и мертв, пока остается спрятанным в коробке. Ученые думают о кошке Шредингера таким образом, что они могут изучать квантовую механику . Это наука о очень малом — о том, как материя ведет себя и взаимодействует с энергией. Теперь, в новом исследовании, ученые разделили кошку Шредингера между двумя коробками.

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

Учителя и родители, подпишитесь на шпаргалку

Еженедельные обновления, которые помогут вам использовать Новости науки для студентов в учебной среде

Спасибо за регистрацию!

При регистрации возникла проблема.

Шредингер придумал свою знаменитую кошку в 1935 году. Он сделал ее неудачливым участником гипотетического эксперимента . Это то, что ученые называют мысленным экспериментом. В нем Шредингер представил кота в закрытом ящике со смертельным ядом. Яд был бы высвобожден, если бы некоторые радиоактивные атомы распались . Этот распад происходит естественным образом, когда физически нестабильная форма элемента (например, уран) выделяет энергию и субатомные частицы. Математика квантовой механики может рассчитать вероятность того, что материал распался — и в этом случае высвободился яд.Но он не может точно определить, когда это произойдет.

Таким образом, с квантовой точки зрения можно предположить, что кошка одновременно мертва и все еще жива. Ученые назвали это двойственное состояние суперпозицией. И кошка остается в подвешенном состоянии, пока ящик не откроется. Только тогда мы узнаем, мурлыкающий котенок это или безжизненный труп.

Ученые создали настоящую лабораторную версию эксперимента. Они создали коробку — фактически две — из сверхпроводящего алюминия .Сверхпроводящий материал — это материал, который не оказывает сопротивления потоку электричества. Вместо кота — микроволн , разновидность электромагнитного излучения.

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

Идея поместить одну кошку в два ящика «довольно причудлива», — говорит Чен Ван. Соавтор статьи, он работает в Йельском университете в Нью-Хейвене, штат Коннектикут. Однако он утверждает, что это не так уж далеко от реальной ситуации с этими микроволновыми печами. Состояние кошки находится не только в одном или другом ящике, но и в том, что оно занимает оба. (Я знаю, это странно. Но даже физики признают, что квантовая физика имеет тенденцию быть странной.Очень странно.)

Что еще более странно, так это то, что состояния двух блоков связаны, или в квантовом выражении запутаны . Это означает, что если кошка окажется живой в одном ящике, она будет живой и в другом. Чен сравнивает его с кошкой с двумя симптомами жизни: открытым глазом в первой ячейке и сердцебиением во второй ячейке. Измерения в двух коробках всегда будут соответствовать статусу кошки. Для микроволн это означает, что электрическое поле всегда будет синхронизированным в обоих резонаторах.

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

Ученые измерили, насколько состояние кошки было близко к идеальному состоянию кошки, которого они хотели добиться. И измеренные состояния находились в пределах примерно 20 процентов от этого идеального состояния. Исследователи говорят, что это именно то, чего они ожидали, учитывая, насколько сложна система.

Новое открытие — шаг к использованию микроволн для квантовых вычислений. Квантовый компьютер использует квантовые состояния субатомных частиц для хранения информации. Две полости могут служить для двух квантовых битов или кубитов . Кубиты — это основные единицы информации в квантовом компьютере.

Камнем преткновения для квантовых компьютеров является то, что ошибки неизбежно проскальзывают в вычислениях. Они проскальзывают из-за взаимодействия с внешней средой, которое ухудшает квантовые свойства кубитов.По словам исследователей, состояния кошки более устойчивы к ошибкам, чем кубиты других типов. По их словам, их система в конечном итоге должна привести к созданию более отказоустойчивых квантовых компьютеров.

«Я думаю, они добились действительно больших успехов», — говорит Герхард Кирхмайр. Он физик в Институте квантовой оптики и квантовой информации Австрийской академии наук в Инсбруке. «Они придумали очень хорошую архитектуру для реализации квантовых вычислений».

Сергей Поляков говорит, что эта демонстрация запутанности в системе с двумя полостями очень важна.Поляков — физик из Национального института стандартов и технологий в Гейтерсбурге, штат Мэриленд. Следующим шагом, по его словам, «будет демонстрация того, что этот подход действительно масштабируем». Под этим он подразумевает, что это все равно будет работать, если к смеси добавят больше резонаторов, чтобы построить более крупный квантовый компьютер.

Кот Шредингера | New Scientist

Этот мысленный эксперимент, разработанный в 1935 году австрийским физиком Эрвином Шредингером, был разработан, чтобы пролить свет на трудности интерпретации квантовой теории.

Квантовая теория очень странная. Он говорит, что такой объект, как частица или атом, который придерживается квантовых правил, не имеет реальности, которую можно зафиксировать до тех пор, пока она не будет измерена. До тех пор его свойства, такие как импульс, закодированы в математическом объекте, известном как волновая функция, который, по сути, говорит: если вы сделаете измерение, вот диапазон возможных результатов. Неизбежный вопрос, который возник по мере развития теории, заключался в следующем: что же тогда делает вещь до этого?

Самый известный ответ в 1930-х годах пришел из Копенгагенской интерпретации, разработанной в датском городе светилами квантовой теории Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом.Это говорит о том, что до измерения действительно не существует окончательной реальности, и объект находится в неопределенном состоянии, известном как суперпозиция.

Мысленный эксперимент Шредингера исследовал, как это происходит, когда квантовый объект соединяется с чем-то более знакомым. Он представил ящик, содержащий радиоактивный атом, пузырек с ядом и кошку. Управляемый квантовыми правилами, радиоактивный атом может распадаться или не распадаться в любой момент. Неизвестно, когда наступит момент, но когда он распадается, он разбивает пузырек, высвобождает яд и убивает кошку.

Если копенгагенская интерпретация верна, то до того, как произойдет какое-либо измерение, атом, а также кошка, находятся в суперпозиции распавшегося / мертвого и не распавшегося / живого. Абсурдность разговора об одновременно живом и мертвом могги должна была показать, что копенгагенской интерпретации чего-то не хватает.

Эксперимент сыграл важную роль в стимулировании других взглядов на квантовую теорию, включая интерпретацию множества миров, которая гласит, что различные возможные реальности квантового объекта кристаллизуются в разные параллельные вселенные в точке измерения.

В наши дни мысленный эксперимент приобрел своего рода культовый статус. Есть футболки с котиками Шредингера, мемы и сотни статей на эту тему. В 2018 году ученые опубликовали более сложный вариант мысленного эксперимента, который, по-видимому, показывает, что все существующие интерпретации квантовой теории неполны. Джошуа Хаугего

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 коробку, 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 Кот Шредингера является исключением, возможно, из-за его довольно интуитивной природы.Ссылки на кота Шредингера были показаны в веб-комиксах, изображениях, видеороликах на YouTube, в стихах и футболках, в которых говорилось, что «кот Шредингера мертв» (как любят шутить некоторые физики). Популярность мема LOLcats, на котором домашние кошки изображены в разных милых или забавных позах, также вдохновила на юмористические изображения кота 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 каракулем с изображением кошки.

Кошка Шредингера прошла проверку на реальность

Если Китти войдет, она действительно будет жива и мертва? Предоставлено: Роберт Коус-Бейкер / Flickr, CC BY-SA.

Это вековая дискуссия: что означает волновая функция, центральный объект квантовой механики? Кот Шредингера действительно мертв и жив?

Недавно я участвовал в эксперименте, проведенном лабораторией квантовых технологий Эндрю Уайта в Университете Квинсленда, который теперь предоставил наиболее важные доказательства по этому вопросу за многие годы.И коту это нехорошо.

Чтобы понять важность этого результата, нам нужно углубиться в его историю. В основе квантовой физики лежит кризис реальности. Существует множество интерпретаций теории, и они рисуют очень разные картины мира. Одно из основных споров связано с тем, что мы должны делать с квантовой волновой функцией.

Короче говоря, волновая функция описывает квантовое состояние физической системы. Но в отличие от классической физики, где полное описание состояния определяет все его свойства (например, положение и скорость частицы), квантовое состояние в целом дает только вероятностные предсказания.

На самом деле, волновая функция, кажется, описывает причудливые ситуации, например, физические системы, существующие одновременно в нескольких состояниях, таких как разные положения или скорости. Он дает очень точные вероятности возможных результатов лабораторных экспериментов, но не поддается интуитивной интерпретации.

Некоторые из основателей теории, такие как физики Нильс Бор и Вернер Гейзенберг, предположили, что до тех пор, пока не будет проведено наблюдение того или иного свойства, вопросы типа «где эта частица, на самом деле ?» просто не имеет смысла.

С этой точки зрения, это не значит, что частица на самом деле здесь или там (и мы просто не узнаем, пока не посмотрим). Скорее, для Бора само значение «позиции» зависит от существования измерения, которое ее обнаруживает.

Знаменитый мысленный эксперимент физика Эрвина Шрёдингера был разработан, чтобы показать, как, если понимать квантовую механику буквально и до ее конечных значений, даже макроскопические системы, такие как кошки, будут находиться в таких «суперпозициях» состояний, например, когда кошка одновременно мертва и жив — это, по-видимому, абсурдный вывод.

Это все в твоей голове

Неопределенная реальность была неприемлема для Альберта Эйнштейна, который сказал знаменитую фразу: «Вы действительно верите, что Луна существует только тогда, когда вы смотрите на нее?» Вместо этого Эйнштейн считал, что волновую функцию следует понимать как представление нашей ограниченной информации о фактическом состоянии физических систем.

Первый удар по точке зрения Эйнштейна был нанесен в 1964 году, когда Джон С. Белл показал, что любая модель, описывающая объективную реальность, лежащую в основе квантовой механики, должна включать некую нелокальную связь между удаленными системами, что является очевидным нарушением собственной теории относительности Эйнштейна. .

И вопреки желанию Эйнштейна, во всех объективных интерпретациях, известных на сегодняшний день (таких как интерпретация многих миров, объективные модели коллапса и теория де Бройля-Бома), волновая функция является реальным физическим объектом (за одним очень недавним исключением, когда волновая функция не играет явной роли, но кошка буквально мертва и жива в параллельных вселенных).

Однако в 2007 году Роберт Спеккенс из Института периметра опубликовал основополагающую работу, показывающую, что можно воспроизвести многие противоречащие интуиции аспекты квантовой теории с помощью модели, в которой волновая функция играет «эпистемическую» роль, к которой стремился Эйнштейн.

Позже было показано, что другие фрагменты квантовой теории соответствуют подобным моделям, но оставался открытым вопрос, возможно ли это для всей квантовой теории. Можно ли возродить мечту Эйнштейна?

Чтобы понять, что это за модель, представьте, что у меня две колоды карт: одна содержит только красные карты, а другая — только тузы, и я прошу вас выбрать карту из одной, не зная, какая из них есть какая.

В эпистемической интерпретации волновая функция будет играть роль колоды, из которой вы выбираете карту. Он дает вам некоторую информацию о карте — например, если вы выбираете из колоды тузов, вы обязательно выберете туза какого-то типа — но эта информация сама по себе не является свойством карты. Фактически, возможно, вы выбрали туз червей, который совместим с обеими колодами.

Тревожный сигнал прозвучал в 2012 году, когда Мэтью Пьюзи, Джонатан Барретт и Терри Рудольф показали, что в любой объективной модели квантовой теории волновая функция должна быть реальным свойством отдельных систем, в отличие от колоды карт.Но в их теореме было дополнительное предположение, которое поставило под сомнение следствия теоремы.

Проверка реальности

Тем не менее, серия теорем, опубликованных в течение последнего года, начиная с моей работы и моих коллег, накладывает строгие ограничения на жизнеспособность эпистемологических моделей даже без этих дополнительных предположений.

Эти теоремы учитывают тот факт, что некоторые пары квантовых состояний нельзя выделить в одном эксперименте. Это аналогично тому, что не всегда можно определить, была ли случайно выбрана карта из красной колоды или из колоды туза.Если вы выберете карту без туза, вы можете быть уверены, что она взята из красной колоды. Если вы выберете черный туз, вы можете быть уверены, что он пришел из колоды туза.

Но если это туз червей или бубновый туз, то он мог бы появиться в любом из них. Подсчитав карты в колодах, мы можем определить, как часто это должно происходить.

В эпистемической интерпретации тот факт, что мы не можем различать квантовые состояния, должен хотя бы частично объясняться таким образом. Но теоремы показывают, что это объяснение просто не может работать.Для некоторых специально сконструированных квантовых состояний соответствующие им «колоды» не могут иметь, так сказать, нужного количества общих карт.

Эти прогнозы были частично подтверждены экспериментом, в котором я участвовал, проведенным Мартином Рингбауэром и командой Брисбена под руководством Алессандро Федрицци. Они следовали улучшенной версии нашей теоремы, созданной Сирилом Брансьяром, соавтором исследования.

Эксперимент включал подготовку одиночных фотонов (частиц света) в этих специально разработанных состояниях и подвергание их ряду альтернативных измерений.Результаты дают оценки того, насколько хорошо модель, подобная описанной выше, может описывать наблюдаемую статистику.

Это первый большой класс квантовых моделей, который был исключен с тех пор, как теорема Белла начала проверяться в 1980-х годах.

Если дальнейшие эксперименты подтвердят значение теорем, жизнеспособные эпистемологические модели квантовой механики будут по существу исключены. Если мы хотим объективной реальности, а-ля Эйнштейн, волновая функция должна быть реальной, живыми и мертвыми кошками и всем остальным.

Но есть альтернативы. Можно было бы пересмотреть предположения структуры, используемой для вывода теорем, возможно, введя причинность назад во времени или параллельные вселенные. Однако никакие подходы этой формы пока не смогли дать эпистемической интерпретации.

Или же мы можем отрицать, что чисто объективное описание вообще возможно. Как бы то ни было, странности квантовой механики никуда не денутся.

---

Исследователи описывают волновую функцию кота Шредингера

---

Эта история опубликована с разрешения The Conversation (по лицензии Creative Commons-Attribution / Без производных).

Цитата : Кот Шредингера проходит проверку на реальность (2015, 12 февраля) получено 29 июля 2021 г. с https: // физ.org / news / 2015-02-schrodinger-cat-reality.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Эрвин Шредингер и эксперимент с котом Шредингера

Эрвин Рудольф Йозеф Александр Шредингер (родился 12 августа 1887 года в Вене, Австрия) был физиком, который провел новаторскую работу в области квантовой механики , области, изучающей поведение энергии и материи на очень малых масштабах длины.В 1926 году Шредингер разработал уравнение, предсказывающее расположение электрона в атоме. В 1933 году он получил Нобелевскую премию за эту работу вместе с физиком Полем Дираком.

Быстрые факты: Эрвин Шредингер

• Полное имя: Эрвин Рудольф Йозеф Александр Шредингер
• Известен: Физик, разработавший уравнение Шредингера, которое означало большой шаг вперед в квантовой механике. Также разработал мысленный эксперимент, известный как «Кот Шредингера».”
• Родился: 12 августа 1887 года в Вене, Австрия
• Умер: 4 января 1961 года в Вене, Австрия.
• Родители: Рудольф и Георгина Шредингер
• Супруг: Аннемари Бертель
• Ребенок : Рут Джорджи Эрика (р. 1934)
• Образование : Венский университет
• Награды : с квантовым теоретиком Полом А. Дирак удостоен Нобелевской премии по физике 1933 года.
• Публикации : Что такое жизнь? (1944), Природа и греки (1954) и Мой взгляд на мир (1961).

Шредингер, возможно, более известен благодаря «Коту Шредингера», мысленному эксперименту, который он разработал в 1935 году, чтобы проиллюстрировать проблемы с общей интерпретацией квантовой механики.

Ранние годы и образование

Шредингер был единственным ребенком Рудольфа Шредингера — рабочего фабрики по производству линолеума и клеенки, унаследовавшего бизнес от своего отца, — и Джорджины, дочери профессора химии Рудольфа. В воспитании Шредингера особое внимание уделялось культурной оценке и продвижению как в науке, так и в искусстве.

Шредингер получил домашнее образование у наставника и у своего отца. В возрасте 11 лет он поступил в Академическую гимназию в Вене, школу с упором на классическое образование и обучение физике и математике. Там ему нравилось изучать классические языки, иностранную поэзию, физику и математику, но он ненавидел запоминать то, что он называл «случайными» датами и фактами.

Шредингер продолжил обучение в Венском университете, в который он поступил в 1906 году.Он получил докторскую степень по физике в 1910 году под руководством Фридриха Хазенёрля, которого Шредингер считал одним из самых влиятельных интеллектуалов. Хазенёрль был учеником физика Людвига Больцмана, известного ученого, известного своими работами в области статистической механики.

После того, как Шредингер получил докторскую степень, он работал ассистентом Франца Экснера, другого ученика Больцмана, пока его не призвали в начале Первой мировой войны.

Начало карьеры

В 1920 году Шредингер женился на Аннемари Бертель и переехал с ней в Йену, Германия, чтобы работать помощником физика Макса Вина.Оттуда он за короткий период времени стал преподавателем ряда университетов, сначала став младшим профессором в Штутгарте, затем полным профессором в Бреслау, а затем присоединился к Цюрихскому университету в качестве профессора в 1921 году. Последующие шесть лет Шредингера проработал в университете. Цюрих были одними из самых важных в его профессиональной карьере.

В Цюрихском университете Шредингер разработал теорию, которая значительно продвинула понимание квантовой физики. Он опубликовал серию статей — примерно по одной в месяц — по волновой механике.В частности, первая статья «Квантование как проблема собственных значений» представила то, что впоследствии стало известно как уравнение Шредингера , которое теперь является центральной частью квантовой механики.Шредингер был удостоен Нобелевской премии за это открытие в 1933 г.

Уравнение Шредингера

Уравнение Шредингера математически описывает «волнообразную» природу систем, управляемых квантовой механикой. С помощью этого уравнения Шредингер предоставил способ не только изучить поведение этих систем, но и предсказать, как они себя ведут.Хотя первоначально было много споров о том, что означает уравнение Шредингера, ученые в конечном итоге интерпретировали его как вероятность найти электрон где-то в космосе.

Кот Шредингера

Шредингер сформулировал этот мысленный эксперимент в ответ на Копенгагенскую интерпретацию квантовой механики, в которой говорится, что частица, описываемая квантовой механикой, существует во всех возможных состояниях одновременно, пока не будет обнаружена и вынуждена выбрать одно состояние.Вот пример: рассмотрим свет, который может загораться красным или зеленым. Когда мы не смотрим на свет, мы предполагаем, что он одновременно красный и зеленый. Однако, когда мы смотрим на него, свет должен заставить себя стать красным или зеленым, и это тот цвет, который мы видим.

Шредингер не согласился с такой интерпретацией. Он создал другой мысленный эксперимент под названием «Кот Шредингера», чтобы проиллюстрировать свои опасения. В эксперименте «Кот Шредингера» кошку помещают в герметичный ящик с радиоактивным веществом и ядовитым газом.Если радиоактивное вещество распадется, оно выпустит газ и убьет кошку. В противном случае кошка была бы жива.

Поскольку мы не знаем, жива кошка или мертва, считается, что одновременно и живы, и мертвы, пока кто-нибудь не откроет коробку и не увидит сам, в каком состоянии находится кошка. Таким образом, просто заглянув в коробку, кто-то волшебным образом сделал кошку живой или мертвой, хотя это невозможно.

Влияния на работу Шредингера

Шредингер не оставил много информации об ученых и теориях, которые повлияли на его собственную работу.Однако историки собрали воедино некоторые из этих влияний, в том числе:

• Луи де Бройль, физик, представил понятие «материальные волны». Шредингер прочитал диссертацию де Бройля, а также сноску, написанную Альбертом Эйнштейном, в которой положительно отзывались о работе де Бройля. Шредингера также попросили обсудить работу де Бройля. работать на семинаре, организованном как Цюрихским университетом, так и другим университетом, ETH Zurich.
• Boltzmann. Шредингер считал статистический подход Больцмана к физике своей «первой любовью в науке», и большая часть его научного образования следовала традициям Больцмана.
• Предыдущая работа Шредингера по квантовой теории газов, в которой газы изучались с точки зрения квантовой механики. В одной из своих работ по квантовой теории газов «О теории газа Эйнштейна» Шредингер применил теорию де Бройля о волнах материи, чтобы помочь объяснить поведение газов.

Поздняя карьера и смерть

В 1933 году, в том же году, когда он получил Нобелевскую премию, Шредингер отказался от должности профессора Берлинского университета, к которому он присоединился в 1927 году, в ответ на захват Германии нацистами и увольнение еврейских ученых.Впоследствии он переехал в Англию, а затем в Австрию. Однако в 1938 году Гитлер вторгся в Австрию, вынудив Шредингера, теперь уже известного антинациста, бежать в Рим.

В 1939 году Шредингер переехал в Дублин, Ирландия, где он оставался до своего возвращения в Вену в 1956 году. Шредингер умер от туберкулеза 4 января 1961 года в Вене, городе, где он родился. Ему было 73 года.

Источники

Какова физика эксперимента с котом Шредингера

Рассказ о самом известном коте-физике знаком многим, но какова внутренняя история кошачьего, настолько требовательного, что ему нужна собственная Вселенная, и как он иллюстрирует «странность» квантового мира? (Роберт Ли)

Из всех нелогичных элементов квантовой физики, представленных общественности с момента ее создания в первые дни двадцатого века, вполне возможно, что идея о том, что система может состоять из двух (или более) противоречащих друг другу вещей сразу, может быть самым сложным.

Эта идея сосуществования состояний или суперпозиции не только бросала вызов хорошо известному аспекту логики — закону непротиворечия — и поэтому раздражала логистов, но и бросала вызов отцам квантовой физики. Главный из них Эрвин Шредингер, предложивший дьявольский мысленный эксперимент, который продемонстрирует то, что он считал нелепой природой системы, существующей в противоречивых состояниях.

Мысленный эксперимент впоследствии стал, пожалуй, самым известным в истории физики, проложив свой путь к остроумным футболкам, шляпам, сумкам и значкам, проникнув в поп-культуру, телевидение и кино.Это странная история о кошке Шредингера и тому, что она может рассказать нам о квантовой физике и природе самой реальности.

Прежде чем углубляться в эксперимент, который разработал Шредингер, стоит изучить обстоятельства, которые заставили его рассмотреть абсурдную ситуацию, когда кошка одновременно жива и мертва.

Разыскивается: живым или мертвым! Как кота поместили в ящик

Во многих отношениях место Эрвина Шредингера в истории квантовой механики затмевается его мысленным экспериментом, основанным на кошачьих.Австрийский физик заложил основы теоретического понимания квантовой физики, представив в 1926 году одноименное волновое уравнение. Как описывает Джой Маннерс в книге «Квантовая физика: введение» :

«Уравнение Шредингера сделало для квантовой механики то же, что законы движения Ньютона сделали для классической механики 250 лет назад».

Джой Маннерс, Квантовая физика: Введение

Уравнение Шредингера показывает, что состояние системы — совокупность всех ее измеримых качеств — может быть описано как волновая функция, представленная греческой буквой пси (Ψ) .Эта волновая функция содержит всю информацию о системе, которую можно удерживать. Каждая волновая функция — это решение уравнения Шредингера, но вот что самое сумасшедшее; две волновые функции могут быть объединены в третью, и эта результирующая волновая функция может содержать совершенно противоречивую информацию.

Когда волновые функции системы комбинируются, она находится в состоянии «суперпозиции». Также нет предела тому, сколько из этих волновых функций могут быть объединены, чтобы сформировать суперпозицию.

И все же, хотя волновая функция может быть бесконечной, она не вечна. Акт измерения в рассматриваемой системе, по-видимому, вызывает коллапс волновой функции — для чего еще нет физического или математического описания. Однако существуют интерпретации происходящего, которые проникают в самую суть реальности.

Прежде чем приступить к рассмотрению этих интерпретаций, сначала мы должны добраться до нашего кота в ящике, прежде чем он станет слишком нетерпеливым.

Самое дьявольское устройство

Это было в 1935 году, когда он жил в Оксфорде, спасаясь бегством от нацистов, когда Шредингер впервые опубликовал статью, в которой выразил свою озабоченность идеей измерения, коллапса волновой функции и противоречивых состояний в квантовой механике.Мало ли он знал, это привело бы к тому, что он стал бы самым печально известным теоретическим убийцей-кошкой в ​​истории.

Типичная иллюстрация мысленного эксперимента «Кот Шредингера» (Dhatfield / CCbySA 3.0)

Ниже Шредингер описывает ужасное затруднительное положение, в котором оказался его несчастный маги.

«Кошку помещают в стальную камеру со следующей адской хитростью… В счетчике Гигера небольшое количество радиоактивного вещества, так что, может быть, в течение часа один из атомов распадется, но с равной вероятностью, что ни один атом не распадается… ”

Таким образом, существует 1/2 шанса, что атом вещества распадается и заставляет Гигера тикать в течение часа продолжительности эксперимента.

«Если кто-то разлагается, счетчик запускает небольшой молоток, который разбивает емкость с цианидом».

Итак, если атом распадается в течение часа, кошка погибает. Если этого не происходит, кошка выживает. Рассматривая коробку и кошку как квантовую систему, как бы мы описали ее волновую функцию (Ψ)?

Волновая функция системы теперь существует в суперпозиции отдельной волновой функции, которая описывает кошку как живую, и той, которая объявляет ее мертвой.Согласно правилам квантовой физики, кошка на данный момент мертва и жива.

Однако наше несчастное животное из семейства кошачьих не обречено на то, чтобы дожить до странного квантового зомби. Быстрый взгляд внутрь коробки представляет собой измерение системы. Таким образом, открывая коробку, мы разрушаем волновую функцию и определяем судьбу кота Шредингера. В данном случае действительно любопытство убивает кошку.

Давайте закончим нашу аналогию на счастливой ноте. Мы открываем коробку и, к счастью, вещество не распалось.Емкость с цианидом остается нетронутой. Наша могги выживает, невредимая, если ее раздражать. Волновая функция коллапсировала, оставив нетронутой синюю субволновую функцию, но что на самом деле здесь произошло? Как была решена судьба кота?

Короткий ответ: мы не знаем, но у нас есть некоторые интерпретации. Далее мы сравним два самых известных.

Путь больше девяти жизней. Интерпретация многих миров

То, что мы обсуждали до сих пор, состоит из очень грубого описания копенгагенской интерпретации квантовой механики.Причина, по которой представляется здравым смыслом представлять это в первую очередь, заключается в том, что это обычно интерпретация, которая наиболее широко принята и преподается.

Как вы видели, копенгагенская интерпретация описывает систему без установленных значений до тех пор, пока не произойдет или не будет проведено измерение и не появится значение — в нашем случае «живое». Если это звучит глубоко неудовлетворительно, то это так. Один из вопросов, который он оставляет открытым, — «почему коллапс волновой функции?»

В 1957 году американский физик Хью Эверетт III задал другой вопрос: «Что, если волновая функция вообще не коллапсирует? Что, если он вырастет? »Из этого возникла« формулировка относительного состояния »Эверетта, более известная поклонникам научной фантастики, комиксов и фэнтези как« гипотеза / интерпретация многих миров ».

Ниже мы видим, что происходит с волновой функцией в копенгагенской интерпретации. Ящик открывается, и волновая функция схлопывается.

Так что же происходит в интерпретации «множества миров»? При открытии коробки волновая функция не сжимается, а расширяется. Кошка не перестает находиться в суперпозиции, но теперь эта суперпозиция включает исследователей и саму вселенную, в которой они обитают. Мы становимся частью системы.

В интерпретации множества миров исследователи не открывают коробку, чтобы определить, мертва кошка или жива, они открывают коробку, чтобы увидеть, находятся ли они во вселенной, где выжила кошка, или во вселенной, в которую она была отправлена.Они и их мир стали частью волновой функции. Совершенно новая вселенная в суперпозиции со старой. Единственная разница.

На одну кошку меньше.

Котята Шредингера: несколько слов предостережения

Опять же, как и в случае с копенгагенской интерпретацией, нет реальных экспериментальных доказательств концепции многих миров. Во многих отношениях любая интерпретация квантовой механики на самом деле больше сфера философии, чем науки. Кроме того, при рассмотрении «множества миров» стоит отметить, что это другая концепция, чем идея «мультивселенной» различных вселенных, созданных в начале времен.

Кроме того, существуют некоторые реальные проблемы с рассмотрением «кота в коробке» как квантовой системы. Исследователи постоянно находят квантовые эффекты в все больших и больших системах, текущий рекорд, кажется, состоит из 2000 атомов, помещенных в суперпозицию. Чтобы представить это в перспективе; скромное лакомство для кошек содержит около 10 ² атомов!

Многие физики предложили причины, по которым более крупные системы не могут проявлять квантовые эффекты, при этом Роджер Пенроуз предположил, что любая система, имеющая достаточно массы, чтобы влиять на пространство-время, с помощью общей теории относительности Эйнштейна не может быть изолирована.Под действием силы тяжести он постоянно проводит «измерения». Это определенно применимо даже к самому крохотному магнату.

Здесь стоит отметить, что общее описание мысленного эксперимента и открытия коробки привело некоторых к предположению, что именно добавление «сознания» на самом деле вызывает коллапс волновой функции.

Это идея, по которой было продано около миллиона книг по «квантовому ву», и она возникает из неудачной номенклатуры квантовой физики.Использование слов «измерять» и «наблюдать» подразумевает вмешательство сознательного наблюдателя. Правда в том, что любого взаимодействия с другой системой достаточно, чтобы коллапсировать квантовую волновую функцию, поскольку они имеют тенденцию существовать в невероятно хрупких, легко возмущенных состояниях.

Источники и дополнительная литература

Шредингер. E,

Гриффитс. Д. Дж., «Введение в квантовую механику», [2017], Cambridge University Press.

Бродхерст. D, Каппер. Д, Дубин.Д. и др. «Квантовая физика: введение» [2008], Open University Press.

Номура. Y, Пуарер. B, Тернинг. Дж. «Квантовая физика, черные дыры и мультивселенная»,

.

Орзель. C, «Как научить вашу собаку квантовой физике», [2009], Simon & Schuster.

.