Воскресенье , 19 Сентябрь 2021

Теория о коте шредингера: Физики из Йеля выяснили, как можно «спасти» кота Шредингера

Содержание

Физики из Йеля выяснили, как можно "спасти" кота Шредингера

https://ria.ru/20190603/1555227523.html

Физики из Йеля выяснили, как можно "спасти" кота Шредингера

Физики из Йеля выяснили, как можно "спасти" кота Шредингера - РИА Новости, 03.06.2019

Физики из Йеля выяснили, как можно "спасти" кота Шредингера

Американские ученые выяснили, как можно предвидеть "непредсказуемые" квантовые переходы внутри атомов и использовать эти данные для того, чтобы обращать их... РИА Новости, 03.06.2019

2019-06-03T19:32

2019-06-03T19:32

2019-06-03T19:32

наука

сша

йельский университет

открытия - риа наука

альберт эйнштейн

физика

эрвин шредингер

/html/head/meta[@name='og:title']/@content

/html/head/meta[@name='og:description']/@content

https://cdn24.img.ria.ru/images/155522/41/1555224127_0:321:830:787_1920x0_80_0_0_769f2fc6b6ab2b8511d50cf9ca8e4239.jpg

МОСКВА, 3 июн – РИА Новости. Американские ученые выяснили, как можно предвидеть "непредсказуемые" квантовые переходы внутри атомов и использовать эти данные для того, чтобы обращать их вспять.

Подобным образом можно "спасти" знаменитого кота Шредингера от мучительной смерти, пишут ученые в журнале Nature.Кот Шредингера — "участник" мысленного эксперимента, который был предложен австрийским физиком Эрвином Шредингером в 1935 году для демонстрации абсурдности квантовой механики. В его ходе в закрытый ящик помещается кот и механизм, открывающий емкость с ядом в случае распада радиоактивного атома. Это может произойти в любой момент времени, однако точный момент распада не известен.В соответствии с принципами квантовой физики, кот одновременно и жив, и мертв. Отсюда берет свое начало термин "квантовая суперпозиция" – совокупность всех состояний, в которых может одновременно находиться кот или другой объект квантового мира. Сегодня физики активно пытаются создать такую кошку Шредингера, которого можно было бы увидеть невооруженным глазом.В реальности осуществить подобный эксперимент не так-то просто, если даже это в принципе возможно, так как на работу "ящика Шредингера" будет влиять его "классическая" часть, гравитационное замедление времени и целый ряд других факторов.
Отсутствие инструментов, позволяющих "увидеть" кота Шредингера, заставляет ученых активно спорить о том, где находится граница между квантовой и ньютоновско-эйнштейновской физикой, существует ли она вообще и влияет ли первая на поведение окружающих нас объектов.Минев и его коллеги заинтересовались не самим четвероногим добровольцем или его коробкой, а более фундаментальной частью этого мысленного эксперимента – тем, как "суперпозиция" живого и мертвого кота совершает так называемый квантовый переход и становится одним из двух "классических" состояний.Дело в том, что до недавнего времени ученые не знали, как именно происходит этот процесс. Многие физики, такие как Нильс Бор, считали, что квантовые переходы в принципе нельзя предсказать и что они происходят фактически мгновенно.Грубо говоря, если один из электронов атома получает дополнительную порцию энергии и "перепрыгивает" на более высокую позицию, он фактически "телепортируется" с одного уровня на другой, не двигаясь через пространство. Другие теоретики, в том числе сам Шредингер и Альберт Эйнштейн, не соглашались с этим и считали, что их можно детерминистически просчитать и увидеть.Только в 1980 годах ученые смогли впервые проследить за реальными переходами внутри атомов и подтвердить, что Бор и его сподвижники были ближе к истине, чем сторонники альтернативных концепций. Это, как отмечает Минев, однако не закрыло вопроса о том, как именно происходят подобные "квантовые прыжки", можно ли их предсказать и манипулировать ими.Йельские физики и их коллеги из Франции и Новой Зеландии получили ответы на все эти вопросы и одновременно поставили под сомнение теорию Бора, экспериментируя с котами Шредингера, построенными на базе сверхпроводящих кубитов. Они представляют собой искусственные аналоги атома или другие квантовые конструкции, способные хранить в себе одновременно и ноль, и единицу.Эти "синтетические" атомы, собранные из особых сверхпроводниковых структур, были устроены таким образом, что они могли находиться в двух возбужденных состояниях, одно из которых, "светлое", ученые могли увидеть, а второе оставалось скрытым от наблюдателей.
Кубиты накачивались таким образом, что атом постоянно переходил в "темное" состояние и затем возвращался в изначальную позицию. Одновременно с этим, ученые дополнительно манипулировали их работой таким образом, что в кубитах возникали аналогичные переходы между "светлым" и основным состоянием.Наблюдая за работой этой системы, ученые натолкнулись на необычный феномен – перед тем, как атом готовился перейти в "темное" состояние, частота вспышек света, вырабатываемых атомом в "светлом" состоянии, резко снижалась. Подобные "затмения" были очень короткими – их длина составляла всего 45 микросекунд, однако этого времени вполне хватит, чтобы поменять программу "накачки" атома и предотвратить переход электрона в новое состояние.Это, как показали дальнейшие опыты, можно сделать не просто до начала квантового перехода, а во время него. Подобный результат эксперимента, как считает Минев, говорит о том, что, по крайней мере, часть теории Бора не верна – на самом деле, квантовые переходы не мгновенны и их можно предсказать в краткосрочной перспективе.
Иными словами, жизнь кота Шредингера не обязательно должна всецело зависеть от случая – при определенной сноровке и обстоятельствах, его можно спасти, заключают ученые.

https://ria.ru/20190409/1552521750.html

https://ria.ru/20181213/1547930177.html

https://ria.ru/20170501/1493352186.html

сша

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2019

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

https://cdn23.img.ria.ru/images/155522/41/1555224127_0:243:830:865_1920x0_80_0_0_2067c6b7baeff0f44ab9497c425dbba8.
jpg

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

сша, йельский университет, открытия - риа наука, альберт эйнштейн, физика, эрвин шредингер

МОСКВА, 3 июн – РИА Новости. Американские ученые выяснили, как можно предвидеть "непредсказуемые" квантовые переходы внутри атомов и использовать эти данные для того, чтобы обращать их вспять. Подобным образом можно "спасти" знаменитого кота Шредингера от мучительной смерти, пишут ученые в журнале Nature.

"Квантовые переходы в атомах в чем-то похожи на извержения вулканов. Их нельзя предсказать в долгосрочном плане, однако, если правильно следить за подобным объектом, то мы можем получить достаточно точное предупреждение о грядущей катастрофе и начать действовать еще до того, как она произойдет", — рассказывает Златко Минев из Йельского университета (США).

Кот Шредингера — "участник" мысленного эксперимента, который был предложен австрийским физиком Эрвином Шредингером в 1935 году для демонстрации абсурдности квантовой механики. В его ходе в закрытый ящик помещается кот и механизм, открывающий емкость с ядом в случае распада радиоактивного атома. Это может произойти в любой момент времени, однако точный момент распада не известен.

В соответствии с принципами квантовой физики, кот одновременно и жив, и мертв. Отсюда берет свое начало термин "квантовая суперпозиция" – совокупность всех состояний, в которых может одновременно находиться кот или другой объект квантового мира. Сегодня физики активно пытаются создать такую кошку Шредингера, которого можно было бы увидеть невооруженным глазом.

9 апреля 2019, 16:44НаукаФизики создали квантовый "предсказатель" непредсказуемого будущего

В реальности осуществить подобный эксперимент не так-то просто, если даже это в принципе возможно, так как на работу "ящика Шредингера" будет влиять его "классическая" часть, гравитационное замедление времени и целый ряд других факторов.

Отсутствие инструментов, позволяющих "увидеть" кота Шредингера, заставляет ученых активно спорить о том, где находится граница между квантовой и ньютоновско-эйнштейновской физикой, существует ли она вообще и влияет ли первая на поведение окружающих нас объектов.

Минев и его коллеги заинтересовались не самим четвероногим добровольцем или его коробкой, а более фундаментальной частью этого мысленного эксперимента – тем, как "суперпозиция" живого и мертвого кота совершает так называемый квантовый переход и становится одним из двух "классических" состояний.

Дело в том, что до недавнего времени ученые не знали, как именно происходит этот процесс. Многие физики, такие как Нильс Бор, считали, что квантовые переходы в принципе нельзя предсказать и что они происходят фактически мгновенно.

Грубо говоря, если один из электронов атома получает дополнительную порцию энергии и "перепрыгивает" на более высокую позицию, он фактически "телепортируется" с одного уровня на другой, не двигаясь через пространство. Другие теоретики, в том числе сам Шредингер и Альберт Эйнштейн, не соглашались с этим и считали, что их можно детерминистически просчитать и увидеть.

Только в 1980 годах ученые смогли впервые проследить за реальными переходами внутри атомов и подтвердить, что Бор и его сподвижники были ближе к истине, чем сторонники альтернативных концепций. Это, как отмечает Минев, однако не закрыло вопроса о том, как именно происходят подобные "квантовые прыжки", можно ли их предсказать и манипулировать ими.

13 декабря 2018, 14:30НаукаФизики создали прозрачную "клетку" для кота Шредингера

Йельские физики и их коллеги из Франции и Новой Зеландии получили ответы на все эти вопросы и одновременно поставили под сомнение теорию Бора, экспериментируя с котами Шредингера, построенными на базе сверхпроводящих кубитов. Они представляют собой искусственные аналоги атома или другие квантовые конструкции, способные хранить в себе одновременно и ноль, и единицу.

Эти "синтетические" атомы, собранные из особых сверхпроводниковых структур, были устроены таким образом, что они могли находиться в двух возбужденных состояниях, одно из которых, "светлое", ученые могли увидеть, а второе оставалось скрытым от наблюдателей.

Кубиты накачивались таким образом, что атом постоянно переходил в "темное" состояние и затем возвращался в изначальную позицию. Одновременно с этим, ученые дополнительно манипулировали их работой таким образом, что в кубитах возникали аналогичные переходы между "светлым" и основным состоянием.

Наблюдая за работой этой системы, ученые натолкнулись на необычный феномен – перед тем, как атом готовился перейти в "темное" состояние, частота вспышек света, вырабатываемых атомом в "светлом" состоянии, резко снижалась. Подобные "затмения" были очень короткими – их длина составляла всего 45 микросекунд, однако этого времени вполне хватит, чтобы поменять программу "накачки" атома и предотвратить переход электрона в новое состояние.

Это, как показали дальнейшие опыты, можно сделать не просто до начала квантового перехода, а во время него. Подобный результат эксперимента, как считает Минев, говорит о том, что, по крайней мере, часть теории Бора не верна – на самом деле, квантовые переходы не мгновенны и их можно предсказать в краткосрочной перспективе.

Иными словами, жизнь кота Шредингера не обязательно должна всецело зависеть от случая – при определенной сноровке и обстоятельствах, его можно спасти, заключают ученые.

1 мая 2017, 18:09НаукаРоссийские физики научились "откармливать" котов Шредингера

Кот Шрёдингера | Наука и жизнь

Кот Шрёдингера не жив и не мёртв.

С именем австрийского учёного Эрвина Шрёдингера связан негуманный, но, к счастью, оставшийся мысленным эксперимент, с помощью которого учёный хотел показать неполноту квантовой механики, то есть её неспособность объяснить некоторые явления. В оригинальной статье Шрёдингера этот эксперимент описан так:

«Некий кот заперт в стальной камере вместе со следующей адской машиной (которая должна быть защищена от прямого вмешательства кота): внутри счётчика Гейгера находится крохотное количество радиоактивного вещества, столь небольшое, что в течение часа может распасться только один атом, но с такой же вероятностью может и не распасться; если же это случится, считывающая трубка разряжается и срабатывает реле, спускающее молот, который разбивает колбочку с синильной кислотой. Если на час предоставить всю эту систему самой себе, то можно сказать, что кот будет жив по истечении этого времени, коль скоро распада атома не произойдёт. Первый же распад атома отравил бы кота. Пси-функция системы (уравнение, описывающее квантовое состояние системы. — Прим. ред.) в целом будет выражать это, смешивая в себе или размазывая живого и мёртвого кота (простите за выражение) в равных долях...

В подобных случаях неопределённость, первоначально ограниченная атомным миром, преобразуется в макроскопическую неопределённость, которая может быть устранена путём прямого наблюдения. Это мешает нам наивно принять “модель размытия” как отражающую действительность. Само по себе это не означает ничего неясного или противоречивого. Есть разница между нечётким или расфокусированным фото и снимком облаков или тумана».

Состояние радиоактивного атома описывается суперпозицией, то есть смешением двух состояний — распавшегося и не распавшегося. Следовательно, кот и жив, и мёртв одновременно. Но если кто-то откроет крышку (осуществит наблюдение), то квантовое состояние суперпозиции разрушится и наблюдатель увидит либо живого, либо мёртвого кота.

В копенгагенской интерпретации этот парадокс объясняется достаточно просто: волновая функция при наложении на макрообъекты разрушается, поэтому кот не может находиться в состоянии суперпозиции по определению. А многомировая теория предполагает, что в момент наблюдения образуются два состояния наблюдателя, в одном из которых он видит живого кота, а в другом — мёртвого. Как уже говорилось в статье, квантовая механика не поддаётся объяснению с точки зрения обыденной логики и опыта, поэтому придётся поверить учёным на слово и подождать, пока в этом вопросе появится больше ясности.

В любом случае от опытов с живыми котами следует воздержаться.

физики научились управлять состоянием наночастиц

Американские учёные научились предсказывать квантовые переходы внутри атомов. Это позволяет управлять их состоянием и получать достаточно точные предупреждения грядущих катастроф. Об этом сообщает журнал Nature со ссылкой на комментарий физика Йельского Университета Златко Минева.

Что такое «парадокс Кота Шрёдингера» простыми словами?

Все так или иначе слышали о феномене кота Шрёдингера, но далекие от квантовой физики люди, скорее всего, слабо представляют себе, что это за эксперимент и зачем он нужен.

«Кот Шрёдингера» - так называемый «мысленный эксперимент» ученого и лауреата Нобелевской премии Эрвина Шредингера.

Его суть такова: у нас есть кот и некий ящик. В ящике находится устройство, содержащее радиоактивное атомное ядро и ёмкость с ядовитым газом. Вероятности распада или нераспада этого ядра одинаковы. Если ядро распадается - ёмкость с газом открывается и кот погибает. Если же ядро не распадается - кот выживает.

Если судить по теории квантовой механики, то ядро в течение этого часа может находится в «суперпозиции» - во всех возможных состояниях одновременно. Следовательно, и кот, находящийся в ящике, может быть и живым, и мёртвым одновременно. А, так как это противоречит всем законам, то Эрвин Шредингер справедливо доказал абсурдность квантовой механики.

Как американские учёные собрались «спасать» кота?

Многое физики-теоретики после Шрёдингера рассуждали над этим мысленным экспериментом. Датский учёный Нильс Бор, например, пришёл к выводу, что распад радиоактивного атома может произойти в любой момент времени и предсказать этот момент невозможно.

Йельские физики же продвинулись дальше в эксперименте с котом Шрёдингера. Они создали искусственные аналоги атома, которые могли находится в двух состояниях одновременно: в так называемом «светлом» (которое можно увидеть) и «темном» (скрытом). Движение атома настраивалось таким образом, чтобы он постоянно менял свои состояния.

Однако, наблюдая за сменой состояний, физики заметили, что при переходе со «светлого» в «темное» происходило короткое «затемнение» в долях микросекунд. И этого времени было достаточно, чтобы поменять программу атома и предотвратить переход в «темное состояние», а за ним и его распад.

Что дал этот эксперимент?

Подобный результат показал, что теория Бора отчасти неверна: квантовые переходы можно предугадать, пусть и не в долгосрочной перспективе.

Иными словами, судьба кота в данном случае зависит не только от фортуны: при определённых обстоятельствах и умении принимать быстрые решения кота можно спасти от неминуемой гибели. К такому выводу пришли учёные в результате эксперимента.

Читайте новости в нашем Телеграме.

суть эксперимента, теория простыми словами

Кот Шредингера — один из самых доступных и понятных экспериментов, имеющих отношение к квантовой механике. Как обычно, расскажем просто о сложном, дадим понятное объяснение этому научному феномену.

Кратко об авторе эксперимента

Автором этого эксперимента стал австриец Эрвин Шредингер. Известный ученый, физик-теоретик, создатель квантовой механики получил Нобелевскую премию в 1933 году.   

Эрвину Шредингеру принадлежат несколько фундаментальных работ в области квантовой теории, которые лежат в основе волновой механики. Также он сформулировал 2 вида волновых уравнений: 

  • стационарное; 
  • временное. 

Ученый разработал волновую механическую теорию возмущений, смог получить решение для ряда конкретных физических задач. Шредингер предложил свое описание физического смысла волновой функции, также он подвергал критике общепринятую копенгагенскую интерпретацию квантовой механики. Кроме этого он является автором множества значительных работ в различных областях физики: 

  • статической механики; 
  • термодинамики; 
  • физике диэлектриков; 
  • теории цвета; 
  • электродинамики; 
  • общей теории относительности и космологии.
Источник: tatpin.ru

Эксперимент Шредингера

Чтобы понять суть эксперимента с котом, объясним, для чего этот опыт был придуман ученым.

Теория о поведении атомов

Эксперимент Шредингера вырос из критики ученым некоторых аспектов квантовой теории. 

Основной постулат теории гласит, что система находится в суперпозиции, пока за ней не производится наблюдение.

Суперпозиция — это парадокс, который предполагает наличие двух или более состояний, которые взаимоисключают друг друга. В научном мире суперпозицией называют способность кванта (электрона, фотона или ядра атома) быть одновременно в двух состояниях и находиться в двух разных точках пространства тогда, когда за ним никто не наблюдает.

Науке XIX века было известно, что в квантовом мире действуют одни физические законы, в макромире — совершенно другие. Но не было концепции, объясняющей переход от одного мира к другому. Шредингер создал свой эксперимент, чтобы показать пробелы в знаниях в квантовой физике. Во многом благодаря деятельности и работе ученого в научном мире произошло разделение физической науки на две части: классическую и квантовую.

Суть эксперимента

О мысленном эксперименте, получившем название «Кот Шредингера» ученый рассказал в 1935 году. В основе опыта лежит принцип суперпозиции. Ученый акцентировал внимание на том, что пока за фотоном не установлено наблюдение, он может быть:

  • частицей или волной; 
  • красным или зеленым; 
  • круглым или квадратным. 

Из теории квантового дуализма сам собой вытекает принцип неопределенности, который и лег в основу опыта про кота. 

Суть эксперимента следующая: 

  1. В закрытом ящике находятся кот, емкость с синильной кислотой и радиоактивное вещество. 
  2. В течение часа ядро может распасться с вероятностью 50%. 
  3. В случае распада атомного ядра, счетчик Гейгера зафиксирует это событие. Произойдет срабатывание механизма, будет разбита емкость с отравой, и кот умрет. 
  4. Соответственно, если ядро не распадается, кот остается живым. 

Эксперимент говорит о том, что пока за котом и ядром нет наблюдения, они одновременно находится в двух, исключающих друг друга состояниях: кот одновременно живой и мертвый, ядро атома — распавшееся и не распавшееся. Ученый доказал, что то, что возможно в квантовом мире, невозможно в макромире. Кот не может одновременно умереть и остаться в живых. 

Источник: cnx.org

Копенгагенская интерпретация теории

Копенгагенской интерпретацией называют современное толкование эксперимента Шредингера. Оно звучит так: пока в системе нет наблюдателя за ядром атома, оно одновременно является распавшимся и нераспавшимся. Но утверждение о живом и мертвом коте одновременно, ошибочно, потому что в макромире нет явлений, подобных тем, что происходят в микромире. В данном эксперименте следует рассматривать ядро атома и счетчик Гейгера.

Считается, что Шредингер описал систему своего опыта недостаточно полно. Ядро атома может выбрать одно из двух состояний в тот момент, когда производят измерения. Но этот выбор имеет значение не тогда, когда открывают коробку с котом. Открытие ящика актуально в макромире, далеком от атомного. Ядро же выбирает свое состояние в тот момент, когда его состояние фиксирует счетчик Гейгера.

Многомировая интерпретация Эверетта

В интерпретации квантовой механики, нет дилеммы взаимоисключающих друг друга состояний. Оба состояния кота — живого и мертвого — существуют, но декогерируют. Т.е., когда ящик открывают, происходит расщепление или распараллеливание Вселенной на две, в одной из них наблюдатель видит мертвого кота, в другой — живого.

Практическое применение теории

Теория Шредингера получила практическое применение: 

  • в квантовых вычислениях;
  • в квантовой криптографии. 

Приведем пример:

Световой сигнал передается по оптическому волокну, которое находится в суперпозиции двух состояний. В случае подключения злоумышленников к кабелю и отвода сигнала для прослушивания передаваемой информации произойдет схлопывание волновой функции (по копенгагенской интерпретации появится наблюдатель) и свет перейдет в одно из двух состояний. Произведя измерения света на приемном конце оптического волокна, можно установить, будет ли свет находиться в суперпозиции состояний, вычислить произведенное над ним наблюдение и передачу в другой пункт. Таким образом можно создать средства связи, исключающие незаметный для передающего перехват сигнала и подслушивание информации третьими лицами.

Как видите, эксперимент с котом Шредингера не самое сложное понятие в физике. Разобраться с ним достаточно легко. Так же просто специалисты Феникс.Хелп могут объяснить более сложные опыты, понятия и формулы. Смело обращайтесь за помощью!

Ученые «запутали» двух котов Шредингера между собой

Внешний вид устройства: желтым указан резонатор-считыватель и искусственный атом, фиолетовым - резонатор Алиса, оранжевым - резонатор Боб.

Изображение: Chen Wang et al. / Science, 2016

Физики из США и Франции реализовали на практике состояние «запутанных» «котов Шредингера», объединив между собой два обычных. Ученые считают, что их устройство может стать основой для построения нового типа квантовых компьютеров. Работа опубликована в журнале Science.

Мысленный эксперимент с котом, придуманный Эрвином Шредингером, уже давно стал объектом многочисленных экспериментов по исследованию квантовой суперпозиции. Был введен даже специальный термин — «состояния кота Шредингера». Ими, в частности, называют суперпозицию когерентных состояний одномодового квантового гармонического осциллятора. Такая система на практике представляет собой, например, фотон, «запертый» в оптическом резонаторе. Эксперименты проводились как для фотонов оптического диапазона энергий, так и микроволнового, причем их число могло достигать ста.

Подобные квантовые системы могут найти применение в квантовой информатике и стать основой для построения квантовых компьютеров. Одним из препятствий для этого в настоящее время является маштабируемость — чтобы построить достаточно сложную вычислительную систему, нужно каким-то образом увеличить число ее элементов, сохраняя при этом связность между ними (или когерентность).

Существует два основных способа, как на основании «состояний кота Шредингера» реализовать сложные вычислительные системы. В первом из них ученые увеличивают число мод (волн с определенной длиной волны) в резонаторе, во втором — число фотонов одной энергии.

В новой работе авторы объединили оба подхода и создали систему из двух оптических резонаторов с разными модами (ученые назвали их Алиса и Боб), каждый из которых «отсеивает» фотоны с определенной длиной волны, и «запутали» фотоны из обоих резонаторов между собой. Авторы говорят, что такого нового «кота» можно представить как двух обычных, но «запутанных» между собой. Объединяет состояния в резонаторах искусственный атом — сверхпроводящее устройство с джозефсоновским контактом. Такой объект имеет уровневую энергетическую структуру, как в обычных атомах, за что ему и было дано такое название.

Схематическое изображение устройства в объеме (А) и в проекции (B), на котором указаны объемные резонаторы Алиса и Боб, искусственный атом и резонатор-считыватель.

Изображение: Chen Wang et al. / Science, 2016

Ученые использовали три возможных перехода с уровня на уровень в искусственном атоме, чтобы связать между собой резонаторы Алиса, Боб и считыватель, который также представляет собой оптический резонатор. Чтобы доказать «запутанность» фотонов в резонаторах, ученые измеряли четность количества фотонов в каждом из резонаторов. Согласно теории, если «запутанность» сохраняется, то суммарная четность числа фотонов в двух резонаторах должна сохраняться, в то время как в каждом по отдельности она может принимать любые значения. Авторам удалось доказать, что в их устройстве действительно реализуется такое поведение. По мнению ученых, архитектура устройства может найти применение в квантовой информатике и создании многокубитных систем.

«Кот Шредингера» — мысленный эксперимент, придуманный Эрвином Шредингером для того, чтобы показать неполноту квантовой механики по отношению к макрообъектам. Суть эксперимента заключается в следующем: в запечатанную капсулу помещают кота и счетчик Гейгера. В счетчике находится небольшое количество радиоактивного вещества и устройство, разбивающее ампулу с синильной кислотой, если счетчик сработает. Значит, если счетчик срабатывает, кот умирает. Но пока никто не заглянул в камеру (в терминах квантовой механики — произвел «измерение») остается неизвестным, распался ли за это время какой-нибудь атом, то есть жив ли кот или мертв.

С точки зрения квантовой механики он находился в суперпозиции этих двух состояний. Но макроскопическое существо не может быть одновременно живым и мертвым. И в то же время жизнь кота напрямую связана с распадом атома, который является квантовым объектом и до наблюдения должен находиться в суперпозиции обоих состояний. Эти рассуждения позволяет показать, насколько сложно поставить эксперимент, который бы разделил две точки зрения — находится ли объект до измерения в суперпозиции состояний или в каком-то конкретном.


Екатерина Козлякова

Как переосмысление кота Шредингера ломает квантовую механику

Пожалуй, мысленный эксперимент физика Эрвина Шредингера, который известен как эксперимент с котом Шредингера — один из самых популярных в своем роде. Представьте себе коробку, в которой находится кот и ампула с ядом, открытие которой случайно — к примеру, зависит от того, распадется ли определенная частица или нет. Разумеется, коробка от нас закрыта (а кот не мяукает). Можем ли мы сказать, жив он или нет, пока не откроем коробку? В общем-то нет, так что пока коробка закрыта, кот в прямом смысле находится в состоянии «ни жив, ни мертв». И теперь физики пошли еще дальше, заменив кота в коробке... физиком, проводящим эксперименты, с шокирующими последствиями для науки.

Квантовая теория имеет долгую историю мысленных экспериментов, и в большинстве случаев они используются, чтобы указать на слабые стороны различных интерпретаций квантовой механики. Но последняя версия эксперимента, с физиком вместо кота, необычна: она показывает, что если стандартная интерпретация квантовой механики правильна, то разные экспериментаторы могут прийти к противоположным выводам о том, что измерил физик в ящике. Это означает, что квантовая теория противоречит самой себе.

Этот концептуальный эксперимент с большим удовольствием обсуждался в кругах физиков более двух лет, и оставил большинство исследователей в тупике — даже с учетом того, в этой области физики к парадоксам уже все привыкли. «Я думаю, что это совершенно новый уровень странности», — говорит Мэтью Лейфер, физик-теоретик из Университета Чепмена в Оранге, штат Калифорния.

Авторы эксперимента, Даниэль Фраучигер и Ренато Реннер, оба из Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе, опубликовали его первую версию в Интернете в апреле 2016 года. Заключительный документ был опубликован 18 сентября этого года.

Странный новый мир

Квантовая механика лежит в основе почти всей современной физики, объясняя все от структуры атомов и до того, почему магниты притягиваются друг к другу. Но ее концептуальные основы продолжают оставлять исследователей в поисках ответов. Ее уравнения не могут предсказать точный результат измерения — например, положение электрона в любой момент времени — только вероятности того, что он будет находиться в определенной области.

Таким образом, квантовые объекты, такие как электроны, живут в облаке неопределенности, математически закодированном в волновой функции, которая меняет форму плавно, подобно обычным волнам в море. Но когда измеряется свойство, такое как положение электрона в определенный момент времени, функция всегда дает одно точное значение (и снова дает то же значение, если измерить еще раз сразу же).

Наиболее распространенный способ понять это был сформулирован в 1920-х годах пионерами квантовой теории — Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом, и называется он копенгагенской интерпретацией — в честь города, в котором жил Бор. В ней говорится, что акт наблюдения за квантовой системы заставляет волновую функцию «коллапсировать» от кривой распределения в единую точку данных.

Копенгагенская интерпретация оставила открытым вопрос о том, почему к квантовому атомному миру и классическому миру лабораторных измерений (и повседневного опыта) должны применяться различные правила. Но это было хотя бы обнадеживающе: хотя квантовые объекты живут в неопределенных состояниях, экспериментальное наблюдение происходит в классической области и дает однозначные результаты.


Теперь Фраучигер и Реннер вытряхивают физиков из этой «зоны комфорта». Их теоретические рассуждения говорят о том, что основная картина копенгагенской интерпретации, а также другие интерпретации, которые объясняют некоторые из основных предположений квантовой механики, не являются внутренне согласованными.

Что в коробке?

В 1967 году венгерский физик Евгений Вигнер предложил свою версию парадокса, в которой он заменил кошку и яд на друга-физика, который занял место кота в коробке вместе с прибором, который мог случайно вернуть один из двух результатов: к примеру, подкинуть монетку и сказать, что выпало — «орел» или «решка». Разрушается ли волновая функция, когда друг Вигнера в коробке узнает о результате? С одной стороны — да, ведь состояние системы теперь известно. Но если мы применим законы квантовой механики к самому Вигнеру, то неопределенность сохраняется — значит, волновая функция продолжает работать, по крайней мере до тех пор, пока Вигнер не выпустит друга из коробки.

Фраучигер и Реннер пошли еще дальше. У них есть два Вигнера, каждый из которых проводит эксперимент с другом-физиком, которые сидят в коробках и имеют одну из двух квантовых запутанных монет (то есть их состояния связаны — грубо говоря, если на одной монетке выпадет решка, то на другой обязан выпасть орел). Один из двух друзей (назовем ее, разумеется, Алиса) может бросить монету — соответственно, друг в соседней коробке (которого зовут, конечно же, Боб) тут же узнает результат этого броска. Допустим, у Алисы выпала «решка», тогда у Боба — «орел». Теперь Вигнеры открывают коробки, и в части случаев они действительно увидят у Алисы «решку», а у Боба — «орла», но может быть так, что они увидят обратное, то есть у Алисы будет «орел». Как так? Все просто — при броске волновая функция разрушается случайным образом, но так как Вигнеры результаты броска не знают, то... у них случайность своя! Поэтому для Алисы и ее Вигнера монетка вполне может упасть разными сторонами, что и дает нам парадокс.

Увы — эксперимент пока так и остается мысленным, ибо наша техника до такого уровня еще не развилась. Тем не менее, вполне возможно, что два квантовых компьютера сыграют роль Алисы и Боба: логика эксперимента требует только того, чтобы они знали правила квантовой физики и принимали решения на их основе — но, увы, опять же пока что квантовых компьютеров с такой мощностью не существует.

Дуэльные интерпретации

Споры насчет этого парадокса ведутся до сих пор. Так, некоторые исследователи полагают, что квантовая механика не может давать правильные результаты для макрообъектов (таких, как, например, люди). У Лейфера на этот счет другое мнение. Некоторые интерпретации квантовой механики уже допускают представления о реальности, зависящие от перспективы. Это может быть менее неприятно, чем признать, что квантовая теория не применима к сложным вещам, таким как люди, говорит он.

Роберт Спеккенс, физик-теоретик из Института теоретической физики в Ватерлоо, говорит, что выход из парадокса может скрываться в том, что Боб узнал состояние монеты Алисы. По его словам, возможно, что несоответствие возникает из-за того, что Боб не интерпретировал результат Алисы должным образом. Но он признает, что пока не нашел решения.

На данный момент физики, вероятно, продолжат обсуждение. «Я не думаю, что мы это поняли», — говорит Лейфер.

О коте Шредингера / Хабр

Зачем

О ситуации с котом Шредингера, наверно, имеет представление большинство хабровцев, интересующихся физикой. Поэтому я не буду ее излагать. Дискуссия ведется вокруг интерпретации состояния кота. Вот альтернативы:

  1. Кот “И жив И мертв”. Это описывается в квантовой механике как суперпозиция состояний “жив” и “мертв” и, значит, возможны какие-то интерференционные эффекты, подобно случаю рассеяния света на двух щелях.
  2. Кот “ИЛИ жив ИЛИ мертв”. Эта трактовка запрещает вышеуказанную суперпозицию и, значит, запрещает интерференционные эффекты.

Моя задача изложить точку зрения, вытекающую, как мне кажется, из чтения книги “Квантовая механика” Фейнмана.



Откуда ноги растут

А ноги растут из принципа суперпозиции. Он гласит:

Пусть система может находиться в состоянии , в котором измерение наблюдаемой s дает всегда результат
и
пусть система может находиться в состоянии , в котором измерение наблюдаемой s дает всегда результат ,
тогда систему можно приготовить и в суперпозиционном состоянии где . В этом состоянии при измерении наблюдаемой s значение будет наблюдаться с вероятностью . Говорят, по-другому, что значение будет наблюдаться с амплитудой .

Принцип суперпозиции для двух состояний приводит к принципу суперпозиции для произвольного числа допустимых состояний системы для рассматриваемой наблюдаемой. Но нам важно только для двух состояний – живого и мертвого.

Заметим, как приготовить систему в суперпозиции – это другой вопрос. Вопрос технический. А принцип говорит, что можно приготовить суперпозицию. А как приготовить, он об этом ничего не говорит.

Суперпозиция ведет к интерференционным эффектам. И экспериментально она проявляется только в интерференции. Интерференция состояний — вот что отличает квантовую механику от классической. Интерференцию не всегда можно наблюдать. Ведь визуальная картина интерференции может меняться так быстро, что визуализирующий прибор с большим временем реакции отобразит усредненную картину, смазывающую или вообще ликвидирующую эффект интерференции. Но это уже дело техники. А вот при отсутствии суперпозиции никакая техника не обнаружит интерференции.

Большинство, наверно, знают отличие интерференционной картины от неинтерференционной при рассеянии на двух щелях. Вот картины этой интерференции (каждый квадратик – отдельная картинка):

Картины интерференции двух круговых когерентных волн, в зависимости от длины волны и расстояния между источниками.

Какие возможные интерференционные эффекты при суперпозиции живого и мертвого я не берусь описывать и, тем более, визуализировать их.

Примеры суперпозиции


Суперпозиция в обычном пространстве

Свободная частица описывается волновой функцией – волной де Бройля в координатном пространстве:

Здесь p – импульс, являющийся фиксированной величиной (параметр), а x – координата — переменная, которая может принимать любое значение координаты. Разные импульсы задают разные возможные состояния. Значит, возможна суперпозиция волн де Бройля, соответствующих различным импульсам. Это может быть конечная суперпозиция, счётная суперпозиция, континуальная суперпозиция, в которой сумма переходит в интеграл. Мы получим состояния, которое не обладает определенным значением импульса: при измерении импульса могут получаться различные значения и это не ошибка эксперимента.

Насколько обширен класс функций представимых такой суперпозицией? Вспоминая математику, мы узнаем в приведенных счетных суперпозициях ряд Фурье а в континуальной суперпозиции интеграл Фурье – Фурье разложение по p. Вот она таинственная связь абстрактной математики и конкретной физики! Обширными исследованиями матанализ описывает класс Фурье-разложимых функций. А для физики это просто суперпозиция плоских волн с различными импульсами.

Суперпозиция в импульсном пространстве

Симметрии ради можно аналогично рассмотреть волну де Бройля в импульсном пространстве — частицу с фиксированной координатой:

Здесь x – координата, являющаяся фиксированной величиной (параметр), а импульс p — переменная, которая может иметь любое значение импульса. Разные координаты задают разные возможные состояния. Значит, возможна суперпозиция волн де Бройля, соответствующих различным координатам. Это может быть конечная суперпозиция, счётная суперпозиция, континуальная суперпозиция, в которой сумма переходит в интеграл. Мы получим состояния, которое не обладает определенной координатой: при измерении координаты могут получаться различные значения и это не ошибка эксперимента.

Суперпозиция в энергетическом пространстве

Стационарное состояние – состояние с фиксированной энергией. Оно описывается волновой функцией – волной де Бройля в энергетическом пространстве:

Здесь e – энергия, являющаяся фиксированной величиной (параметр), а время t есть переменная, могущая принимать любое значение времени. Разные энергии задают разные возможные состояния. Значит, возможна суперпозиция волн де Бройля, соответствующих различным энергиям. Это суперпозиция стационарных состояний, которая может описывать нестационарные состояния — коэффициенты суперпозиции могут зависеть от времени.

Суперпозиция в спиновом пространстве

Фотон с круговой поляризацией представляется как суперпозиция двух линейных поляризаций.

Суперпозиция в пространстве фундаментальных частиц


Фотон как суперпозиция

В стандартной модели фотон является суперпозицией бозонов

и

.

Нейтрино как суперпозиция

Каждое нейтрино с определенной массой — суперпозиция электронного, мюонного и тау-нейтрино. И, обратно, электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино – суперпозиция трёх нейтрино с определёнными массами.

Каон как суперпозиция

Ситуация c каонами похожа на ситуацию с нейтрино.

Суперпозиция в пространстве жизни

Тут я пас.

Принцип суперпозиции не говорит о том, исчерпываются ли все состояния суперпозициями. Например, есть ли физические состояния, которые не представимы в виде суперпозиции плоских волн? — Я не знаю.

Цитата из Фейнмана:

Мы описали сейчас одно из величайших достижений теоретической физики. Оно не основано на элегантных математических трюках, подобных общей теории относительности, тем не менее полученные предсказания так же важны, как, например, предсказание позитрона. Особенно интересным является тот факт, что мы довели принцип суперпозиции до логического конца. Бом и его сотрудники полагали, что принципы квантовой механики не имеют фундаментального характера и, в конечном счете, не смогут объяснить новые явления. Однако эти принципы работают. Это еще не доказывает, что они верны, но я готов биться об заклад, что принцип суперпозиции будет стоять в веках!

Вопросы


Если мы имеем суперпозицию, то можно ли говорить, что система состоит из суперпозиционных составляющих? Белый свет состоит из радуги? Фотон состоит из бозонов? Что значит “состоит”? Можно функцию разложить в ряд Фурье по синусоидам, а можно разложить в ряд Фурье по полиномам Лежандра, по полиномам Чебышева и т. д. Так из чего она состоит? Всякая ли математическая суперпозиция осуществима физически? Саму синусоиду можно разложить в ряд Фурье по полиномам Лежандра. Значит, может существовать некий прибор, который разложит монохроматический свет по полиномам Лежандра. Значит можно говорить, что монохроматический свет состоит из “волн Лежандра”? Тогда можно ввести и понятие “фотон Лежандра”. И в каких-то ситуациях проще будет оперировать фотоном Лежандра, а не обычным синусоидальным фотоном. Можно представить себе радио на волнах Лежандра…

Похоже на то, что если мы обнаруживаем суперпозицию состояний, считавшихся ранее состояниям разных, несуперпозируемых систем, то эти состояния нужно считать состояниями, какой-то новой единой системы.

Кот

Переходим к коту Шредингера. Он может находиться в состоянии “жив” и может находиться в состоянии “мертв”. Значит, по принципу суперпозиции он может находиться и в суперпозиции состояний “жив” и “мертв”. Возможно не в текущей ситуации, но в какой-то другой обязательно. Так ли это? И какие возможные интерференционные эффекты можно наблюдать в этом случае?

А давайте обобщим кота: перейдем к понятию “животное”. Мы знаем, что оно может находиться в состояниях лев, человек,… Значит по принципу суперпозиции возможна и их суперпозиция. Это абсурд. Идем дальше и “животное” обобщим до понятия “материальный объект”. Тогда нужно допустить суперпозицию любых материальных объектов. Этот еще больший абсурд. Похоже, что нужно уточнить понятие системы. Видимо, нужно брать конкретную систему (конкретный кот), а не абстрактную (животное). Но ведь предложил же Гейзенберг рассматривать протон и нейтрон как разные состояния системы “нуклон» и получил интересные следствия.

Что говорит Фейнман

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

Я резюмирую текст Фейнмана так.

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

  1. Упруго рассеянные нейтроны
  2. Неупруго рассеянные нейтроны, имеющие перевернутый спин по сравнению с первоначальным

Суперпозиции между первой и второй системами нет. Они физически различимы.

В первой системе нейтроны суперпозируют и получается типичная интерференционная картина a). На нее накладывается картина б) сложения интенсивностей во второй системе). Итоговый рисунок — в).

Суперпозиция во второй системе есть, а интерференции нет. Интерференцию разрушает случайность сдвига фаз при перевороте спина. То, что это так показывает интерференция двух специально приготовленных нейтронных пучков с разными ориентациями спина, в том числе и с противоположно направленными спинами. Интерференция есть при достаточной когерентности пучков. Более того, обнаружен эффект безумный с точки зрения здравого смысла. Если во втором пучке нейтроны имеют спин, повернутый на 360 градусов по сравнению со спином первого пучка, то наблюдается максимальная интерференция. Это не лезет ни в какие ворота. Поворот на 360 градусов не привел к первоначальному состоянию. Объяснить это невозможно. Однако с формальной точки зрения здесь все понятно. Нейтрон описывается спинором, а не скаляром как скалярный мезон, или вектором как фотон. Квантовая механика допускает амплитуды, описываемые спинорами — величинами, совпадающие с собой только при двойном обороте — повороте на 720 градусов. А поворот на один оборот может сопровождаться умножением амплитуды на комплексное число с модулем 1. Физика спинора при этом не изменится – средние не изменятся. Но при наложении пучков возможны эффекты интерференции. Отсюда и происходит указанный интерференционный эффект.

Так что же может суперпозировать?


Ни в одном учебнике по квантовой механике, с которыми я знакомился, я не нашел критерия возможности суперпозиции

. И только у Фейнмана я встретил рецепт при рассмотрении им рассеяния на двух щелях.

Критерий Фейнмана


Никогда не складывайте амплитуды разных, отличных друг от друга конечных состояний. Как только фотон был воспринят одним из фотонных счетчиков около щелей, мы всегда, если надо, можем узнать не возмущая больше системы, какая из альтернатив (взаимоисключающих событий) реализовалась. У каждой альтернативы есть своя вероятность, полностью независимая от другой. Повторяем, не складывайте амплитуд для различных конечных условий(под “конечным” мы понимаем тот момент, когда нас интересует вероятность, т.е. когда опыт “закончен”). Зато нужно складывать амплитуды для разных неразличимых альтернатив в ходе самого опыта, прежде чем целиком закончится сам процесс. В конце процесса вы можете, если хотите, сказать, что вы “не желаете смотреть на фотон”. Это ваше личное дело, но все же амплитуды складывать нельзя. Природа не знает, что вы на нее смотрите, и ей безразлично, интересуют ли вас ее данные или нет. Так что мы не должны складывать амплитуды.

Итак, если есть физически неразличимые пути достижения точки, в которой мы рассматриваем возможность интерференции, то амплитуды этих путей складываются и мы имеем интерференцию. Если они физически различимы, то складываются вероятности и, значит, интерференции нет.

Под путем пон

Эксперимент Шредингера с кошками и головоломка, которая правит современной физикой

Задолго до того, как кошки завоевали Интернет, два величайших физика нашего времени - Эрвин Шредингер и Альберт Эйнштейн - разработали эксперимент, который кажется почти зловещим мысленным экспериментом.

Это выглядит примерно так: у вас есть кошка в полностью запечатанном ящике, недоступном для любых наблюдений извне. Внутри находится своего рода устройство, включающее счетчик Гейгера, яд и радиоактивный материал, атомы которого могут или не могут войти в состояние распада с равной вероятностью в течение часа.Если один атом распадается, счетчик Гейгера обнаруживает излучение и запускает молоток, который разбивает пузырек с ядом, убивая кошку. Если ни один атом не распадается, кошка живет.

Конечно устройство было только теоретическим. Шредингер разработал сценарий в дискуссии с Эйнштейном в ответ на неправильные интерпретации квантовой механики в то время. Это был способ описать, как концепция, которая, казалось, применима к мельчайшим электронам в атомах, могла быть применена к сложному объекту в макроскопическом мире - в данном случае к кошке.

Хотя кот Шредингера остается чем-то вроде печально известного мысленного эксперимента, исходное уравнение, из которого он первоначально вывел сценарий, стало основой квантовой механики. Он включает идею о том, что что-то может находиться в двух одновременных состояниях и становится одним или другим только тогда, когда наблюдается, обнаруживается или даже когда оно взаимодействует с другими частицами. Эта фундаментальная теория физики имеет современные приложения, которые включают все, от суперкомпьютеров до химии и сверхпроводящих магнитов.

«[Уравнение Шредингера] похоже на современную версию закона Ньютона, - говорит Чен Ван, доцент кафедры физики Массачусетского университета в Амхерсте.

Теория в вопросе

В 1920-х годах Шредингер и другие физики были озабочены проблемой, которую не могла объяснить классическая физика. Чем меньше становится частица, тем менее четким становится ее положение или скорость.

«Квантовая механика добавляет уровень нечеткости к положению частиц», - говорит Ван.

Основу теории составляют электроны, в частности, единственный электрон в атоме водорода. В то время как ученые ранее описывали электроны как вращающиеся вокруг ядра атома, квантовые физики заметили, что все не так просто. Скорее, они, казалось, существовали одновременно в нескольких местах. Или они мигали взад и вперед, между определенными областями, не появляясь между ними. Фактически, единственное, что вы можете сказать наверняка, - это то, что электрон не находится в одном месте в одно время.

«Принципиально неизвестно, где именно находится положение [электрона]», - говорит Ван.

Вместо этого вы должны описать положение электрона как волновую функцию или распределение вероятностей, которое описывает, где электрон с большей вероятностью может встретиться. Термин суперпозиция в квантовой физике используется для описания того, как электрон в этом случае может существовать в нескольких положениях одновременно.

Связывая вещи

Если вы еще не заблудились, идея становится еще более безумной, когда вы добавляете дополнительный электрон. Например, в гелии, который имеет два электрона, каждый из них может быть описан только как находящийся в определенной области в данный момент времени.Но они также могут взаимодействовать и влиять друг на друга, несмотря на расстояние, в процессе, известном как квантовая запутанность, или «жуткое действие на расстоянии», как назвал это Эйнштейн.

Другой способ думать об этом состоит в том, что изменение состояния одного электрона означает, что состояние другого также должно измениться.

«Описание двух электронов нельзя получить напрямую, думая о двух независимых формах», - говорит Фредерик Штраух, физик из колледжа Уильямс в Массачусетсе. «Мы можем думать о них как о прыжках между разными формами.

Девять жизней или два состояния?

Сценарий с мертвым - или нежитью - котом Шредингера в коробке включает мысленный эксперимент, чтобы описать, как состояние электронов может повлиять на что-то гораздо большее в макромире. Он создал ее в ответ на теорию квантовой механики других физиков, названную Копенгагенской интерпретацией, чтобы показать потенциальные недостатки их взглядов.

Поскольку мы не можем видеть в коробке в конце часа или послать внутрь какой-либо зонд, по мнению копенгагенских теоретиков, радиоактивные атомы остаются в суперпозиции распада или нераспада.Кошка, в свою очередь, зависит от этой суперпозиции, поскольку мы не знаем, жива она или мертва. В квантовом смысле его суперпозиция остается в обоих состояниях одновременно как волновая функция, которая одновременно живая и мертвая. «Запутанность представлена ​​связью между радиоактивными атомами и кошкой», - говорит Штраух.

(Источник: Nutkins.J / Shutterstock)

Когда мы открываем коробку и смотрим внутрь, или если внешний мир каким-то образом взаимодействует с внутренней частью коробки, волновая функция вынуждена сводиться к одному состоянию, и кот становится мертвым или живым.

Дело в том, что Шредингер на самом деле не имел в виду, чтобы к ситуации относились серьезно. Тот факт, что любопытство наблюдающего ученого могло убить кошку, должен был показать нелепость более ранней интерпретации квантовой механики.

«Он как бы намекает на то, что эту теорию глупо применять к макроскопическому миру», - говорит Ван. «Возможно, чего-то не хватает».

Но его мысленный эксперимент с тех пор обрел собственную жизнь (или смерть), и многие люди верят, что кошка будет мертвой и живой одновременно.Единственный недостаток такого мысленного эксперимента может заключаться в нашей технической неспособности провести такой эксперимент.

Кошки, настоящее и будущее

Даже если сам Шредингер не верил, что теория кошек возможна, современные исследователи пытаются применить некоторые из этих теорий на практике. В 2016 году Вангу и его коллегам удалось продемонстрировать, что можно запутать несколько частиц. Им удалось измерить запутанность до 80 фотонов или легких частиц, помещенных в специальные коробки, соединенные сверхтоком, протекающим без напряжения.В общих чертах это означало, что вращение, которое они прикладывают к фотонам в одном ящике, можно было наблюдать в другом ящике, даже если они не вращали последний. Фотоны без спина также присутствовали в обоих ящиках. Образно говоря, это как живая кошка и мертвая кошка были найдены в двух разных коробках, которые были соотнесены друг с другом.

Квантовая механика уже находит практическое применение. Квантовые вычисления - это один из методов, в котором использование суперпозиции и запутанности позволяет производить вычисления быстрее, чем на классических компьютерах.Штраух говорит, что у этого есть много потенциальных применений, но исследователи уже готовы использовать их для расчета химических формул в виртуальном пространстве для разработки лекарств.

Но может пройти еще много времени, прежде чем исследователи найдут способ провести эксперимент Шредингера. Если они когда-нибудь сделают это, и даже сам человек думал, что это маловероятно, то это могло бы показать, как микроскопический квантовый мир может повлиять на макроскопический мир.


Подробнее:

Квантовый Интернет поразит вас.Вот как это будет выглядеть

Почему квантовая механика все еще ставит физиков в тупик Новая теория всего объединяет квантовую механику с теорией относительности ... и многое другое

Может ли кот Шредингера существовать в реальной жизни? Наше исследование может дать ответ

Были ли вы когда-нибудь одновременно в нескольких местах? Если вы намного больше атома, ответ будет отрицательным.

Но атомы и частицы подчиняются правилам квантовой механики, в которой одновременно могут сосуществовать несколько различных возможных ситуаций.

Квантовыми системами управляет так называемая «волновая функция»: математический объект, который описывает вероятности этих различных возможных ситуаций.

И эти различные возможности могут сосуществовать в волновой функции как так называемая «суперпозиция» различных состояний. Например, частица, существующая одновременно в нескольких разных местах, называется «пространственной суперпозицией».

Только при проведении измерения волновая функция «схлопывается», и система попадает в одно определенное состояние.

Как правило, квантовая механика применяется к крошечному миру атомов и частиц. Что это означает для крупномасштабных объектов, до сих пор нет.

В нашем исследовании, опубликованном сегодня в Optica, мы предлагаем эксперимент, который может решить этот острый вопрос раз и навсегда.

Кот Эрвина Шредингера

В 1930-х годах австрийский физик Эрвин Шредингер провел свой знаменитый мысленный эксперимент с котом в коробке, который, согласно квантовой механике, мог быть живым и мертвым одновременно.

В нем кот помещается в запечатанный ящик, в котором случайное квантовое событие имеет шанс 50–50 убить его. Пока коробка не будет открыта и кот не будет замечен, кот мертв и живы одновременно.

Другими словами, кошка существует как волновая функция (с множеством возможностей) до того, как ее заметят. Когда его наблюдают, он становится определенным объектом.

Что такое кошка Шредингера?

После долгих споров научное сообщество в то время пришло к консенсусу с «копенгагенской интерпретацией».По сути, это говорит о том, что квантовая механика применима только к атомам и молекулам, но не может описывать гораздо более крупные объекты.

Оказывается, они ошибались.

За последние два десятилетия физики создали квантовые состояния в объектах, состоящих из триллионов атомов - достаточно больших, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом. Хотя здесь еще не включены в пространственную суперпозицию.


Прочитайте больше: Эксперимент показывает, что квантовое "жуткое действие" Эйнштейна приближается к человеческому масштабу


Как волновая функция становится реальной?

Но как волновая функция становится «реальным» объектом?

Это то, что физики называют «проблемой квантового измерения».Это озадачивает ученых и философов около века.

Если существует механизм, устраняющий возможность квантовой суперпозиции у крупномасштабных объектов, он потребовал бы как-то «нарушить» волновую функцию - и это привело бы к возникновению тепла.

Если такое тепло обнаружено, это означает, что крупномасштабная квантовая суперпозиция невозможна. Если такое тепло исключено, то, скорее всего, природа не против «быть квантовым» при любом размере.

В последнем случае с развитием технологий мы могли бы переводить большие объекты, возможно, даже живые существа, в квантовые состояния.

Это иллюстрация резонатора в квантовой суперпозиции. Красная волна представляет волновую функцию. Кристофер Бейкер, автор предоставил

Физики не знают, как будет выглядеть механизм, предотвращающий крупномасштабные квантовые суперпозиции. По некоторым данным, это неизвестное космологическое поле. Другие подозревают, что гравитация может иметь какое-то отношение к этому.

Нобелевский лауреат этого года по физике Роджер Пенроуз считает, что это может быть следствием сознания живых существ.


Прочитайте больше: Нобелевская премия по физике 2020 года присуждена за работу над черными дырами: астрофизик рассказывает о новаторских открытиях


Погоня за мельчайшими движениями

За последнее десятилетие физики лихорадочно искали следы тепла, которые указывали бы на нарушение волновой функции.

Чтобы выяснить это, нам понадобится метод, который может подавить (насколько это возможно) все другие источники «избыточного» тепла, которые могут помешать точному измерению.

Нам также необходимо контролировать эффект, называемый квантовым «обратным действием», в котором акт наблюдения создает тепло.

В нашем исследовании мы сформулировали такой эксперимент, который мог бы показать, возможна ли пространственная суперпозиция для крупномасштабных объектов. Лучшие эксперименты до сих пор не смогли добиться этого.

Поиск ответа в крошечных вибрирующих лучах

Наше исследование показывает, что крошечные резонаторы в сверххолодном холодильнике, наконец, могут дать ответ.Резонаторы - это крошечные физические лучи, которые вибрируют, как гитарные струны, только на гораздо меньшем уровне и на гораздо более высокой частоте.

Как и в предыдущих экспериментах, нам нужно будет использовать холодильник при температуре 0,01 градуса Кельвина выше абсолютного нуля. (Абсолютный ноль - это теоретически возможная самая низкая температура).

В отличие от предыдущих экспериментов, в нашем эксперименте будут использоваться резонаторы, вибрирующие внутри холодильника на гораздо более высоких частотах, чем когда-либо ранее.Это устранит проблему перегрева самого холодильника.

При таком сочетании очень низких температур холодильника и очень высоких частот колебания в резонаторах претерпевают процесс, называемый «бозе-конденсацией».

Вы можете представить это как состояние вещества, в котором резонатор становится настолько сильно замороженным, что тепло от холодильника не может его пошевелить, даже немного. Атомы или частицы охлаждают до таких низких энергий, что они «конденсируются» в единое квантовое состояние.

Мы также могли бы использовать другую стратегию измерения, которая вообще не отслеживает движение резонатора, а скорее измеряет количество энергии, которую он имеет. Этот метод также сильно подавляет тепло обратного действия.


Прочитайте больше: Семь распространенных мифов о квантовой физике


Но как нам это сделать?

Одиночные частицы света попадают в резонатор и отскакивают назад и вперед несколько миллионов раз, поглощая избыточную энергию.В конечном итоге они покидали резонатор, унося лишнюю энергию.

Измеряя энергию исходящих легких частиц, мы могли определить, присутствует ли тепло в резонаторе.

Если присутствовало тепло, это означало бы, что неизвестный источник (который мы не контролировали) нарушил волновую функцию. А это означало бы, что суперпозиция невозможна в больших масштабах.

Все квантово?

Предлагаемый нами эксперимент сложен.Это не из тех вещей, которые можно небрежно настроить в воскресенье днем. На это могут потребоваться годы разработки, миллионы долларов и куча опытных физиков-экспериментаторов.

Тем не менее, он может ответить на один из самых интересных вопросов о нашей реальности: все ли квантово? И поэтому мы, безусловно, считаем, что это того стоит.

Что касается помещения человека или кошки в квантовую суперпозицию - у нас действительно нет никакого способа узнать, как это повлияет на это существо.

К счастью, это вопрос, о котором нам пока не нужно думать.

№ 347: Кот Шредингера

Сегодня кошка Шредингера меняет наш взгляд на наука. Колледж Хьюстонского университета Инжиниринг представляет серию о машинах которые заставляют нашу цивилизацию бежать, а люди чья изобретательность создала их.

Философ Эбнер Шимони делает озадачивающее замечание.Он говорит:

Нельзя сказать, что физические системы имеют определенные свойства, не зависящие от наших наблюдений.
Означает ли он, что мы даем нашему миру существование? глядя на это? Это звучит как параноик заблуждение, но Шимони вполне вменяемый. Он объясняет Кот Шредингера , существо, рожденное в странное новое мышление квантовой механики.

Загадка кота начинается с романа Гейзенберга. Идея неопределенности: самое точное измерение, которое мы мог бы когда-либо выстрелить одним фотоном свет на движущийся объект. Но даже такая нежная взгляд изменит положение и движение, которое мы пытаюсь измерить. В лучшем случае вы всегда измеряете некоторая неуверенность.

Это достаточно легко понять.Но классный тонкость превращает его в новый научный принцип Вера. Это делает невозможным точное измерение. А это значит, что у нас больше нет причин для думая, что у мира есть предельная точность, чтобы мера.

Итак, мы делаем последний ужасный шаг. Мы признаем мир неопределенен. Допустим, что электроны имеют нечеткие края.Когда кто-то сталкивается, он может отскочить в одну сторону. Это может отразить другого.

Шредингер сказал, что если это так, давайте запечатаем кота, счетчик Гейгера, фрагмент радиоактивный материал и баллон с ядовитым газом в коробку на один час. Есть шанс 50 на 50 что радиоактивный распад вызовет Гейгера счетчик, активируйте механизм, который ломает бутылку и отравить кошку.Он спрашивает, найдем ли мы живой кот или мертвый, когда мы открываем коробку.

Похоже на "Леди или Тигр", но это намного хуже. Человек, который должен открыть любой из двух Двери знают, что за одним стоит дама и тигр-убийца позади другого. Он не знает, какая дверь ведет тигру, но ответ известен. Радиоактивный распад происходит на уровне неопределенность.Никаких знаний о системе внутри коробка когда-нибудь позволит вам предсказать судьбу Кот Шредингера. Живет он или умирает абсолютно непостижимо - пока не откроешь коробку.

Физики мучаются, пока Чеширский кот сидит и улыбается. Они пытаются писать волновые функции для кошек и гамма-излучение. Они делают глупые выводы: может кот в закрытом ящике и жив, и мертв в то же время.Стивен Хокинг, физик, который пишет о черных дырах из своей инвалидной коляске, разводит руками и кричит: «Когда я услышав про кота Шредингера, я тянусь за своим пистолет."

Но в конце концов мы должны заглянуть внутрь коробки, чтобы узнайте, жив ли кот или мертв. Так что, это что наблюдатель определяет истину.Этот делает странный комментарий об объективной науке. Были осталось задаться вопросом, неужели ученые не намного глубже переплетаются с миром, который они наблюдают, чем они хотел бы быть.

Я Джон Линхард из Хьюстонского университета, где нас интересуют изобретательные умы работай.

(Музыкальная тема)

Кот Шредингера

Намерение Эрвина Шредингера для своего печально известного ящика для убийства кошек состояло в том, чтобы дискредитировать некоторые неинтуитивные следствия квантовой механики, второй формулировкой которой была его волновая механика.Волновая механика Шредингера математически более непрерывна и, по-видимому, более детерминирована, чем матричная механика Вернера Гейзенберга. Шредингеру не нравилась идея Нильса Бора о «квантовых скачках» между «стационарными состояниями» Бора - разными «энергетическими уровнями» в атоме. «Квантовый постулат» Бора гласил, что скачки между дискретными состояниями испускают (или поглощают) энергию в количестве hν = E 2 - E 1 . Бор не принял гипотезу Альберта Эйнштейна 1905 года о том, что излучение представляет собой пространственно локализованный квант с энергией hν.Вплоть до 1920-х годов Бор (и Макс Планк, сам изобретатель квантовой гипотезы) считали излучение непрерывной волной. Это был вопрос о дуальности волна-частица, который Эйнштейн увидел еще в 1909 году. Именно Эйнштейн выдвинул предположение, что суперпозиция волновых функций Шредингера подразумевает, что два разных физических состояния могут существовать одновременно. Это была серьезная ошибка интерпретации, которая по сей день поражает основы квантовой физики.Эта ошибка часто встречается при обсуждении так называемых «запутанных» состояний (см. Эксперимент Эйнштейна-Подольского-Розена). Запутанность возникает только для явлений на атомном уровне и на ограниченных расстояниях, которые сохраняют когерентность двухчастичных волновых функций, изолируя системы (и их собственные функции) от взаимодействия с окружающей средой. На самом деле мы никогда не «видим» и не измеряем какую-либо систему (будь то микроскопический электрон или макроскопический кот) в двух различных состояниях. Квантовая механика просто предсказывает значительную вероятность нахождения системы в этих различных состояниях.И эти вероятностные предсказания подтверждаются статистикой большого числа идентичных экспериментов.
Принцип исключения Паули говорит (правильно), что две идентичные неразличимые (фермионные) частицы не могут находиться в одном и том же месте в одно и то же время. Запутанность часто интерпретируется (неправильно) как говорящая о том, что одна частица может находиться в двух местах одновременно. Принцип суперпозиции Дирака не говорит, что частица , , находится в двух состояниях одновременно, только то, что существует ненулевая вероятность найти ее в любом из состояний, если ее измерить.
Макс Борн описал несколько парадоксальный результат:
Движение частицы подчиняется законам вероятности, но сама вероятность распространяется в соответствии с законами причинности.
Эйнштейн писал Шредингеру с идеей, что распад радиоактивного ядра может быть устроен так, чтобы вызвать большой взрыв. Поскольку момент распада неизвестен, Эйнштейн утверждал, что суперпозиция распавшихся и неразложившихся ядерных состояний подразумевает суперпозицию взрыва и отсутствия взрыва.Это не. И в микроскопическом, и в макроскопическом случаях квантовая механика просто оценивает амплитуды вероятностей для этих двух случаев. Много лет спустя Ричард Фейнман превратил предположение Эйнштейна в ядерный взрыв! (Что такого в некоторых ученых?) Эйнштейну и Шредингеру не нравилась фундаментальная случайность, подразумеваемая квантовой механикой. Они хотели восстановить детерминизм в физике. Действительно, волновое уравнение Шредингера предсказывает совершенно детерминированную временную эволюцию волновой функции.Но то, что детерминированно развивается, - это только абстрактные вероятности. И эти вероятности подтверждаются только статистикой большого количества идентично подготовленных экспериментов. Случайность возникает только тогда, когда производится измерение и волновая функция «схлопывается» в одно из возможных состояний системы. Шредингер разработал вариант, в котором случайный радиоактивный распад убил бы кошку. Наблюдатели не могли знать, что произошло, пока ящик не был открыт. Детали безвкусного эксперимента включают:
  • счетчик Гейгера, который производит лавину электронов, когда альфа-частица проходит через него
  • немного радиоактивного материала с периодом полураспада, который может испустить альфа-частицу в направлении счетчика Гейгера за время T
  • электрическая цепь, возбуждаемая электронами, которая бросает молоток
  • колба со смертоносным газом синильной кислоты, разбитая молотком.
Газ убьет кошку, но точное время смерти непредсказуемо и случайно из-за неразрешимой квантовой неопределенности времени распада (и направления распадающейся частицы, которая может пропустить счетчик Гейгера!). Этот мысленный эксперимент широко неправильно понимается. Это означало (как Эйнштейн, так и Шредингер) предположить, что квантовая механика описывает одновременное (и явно противоречивое) существование живой и мертвой кошки. Вот знаменитая диаграмма с мертвым и живым котом.

Что не так с этой картинкой?

Квантовая механика утверждает только, что временная эволюция волновых функций Шредингера для амплитуд вероятности ядерного распада точно предсказывает долю ядерных распадов, которые произойдут в заданном временном интервале.

(Классические) вероятности (без интерференции между терминами) просто предсказывают количество живых и мертвых кошек, которое будет наблюдаться в большом количестве идентичных экспериментов.
Квантовые «амплитуды вероятности» действительно допускают интерференцию между возможными состояниями квантового объекта, но не между макроскопическими объектами, такими как живые и мертвые кошки.

В частности, квантовая механика дает нам точное предсказание, что если этот эксперимент будет повторяться много раз (SPCA не одобряет), половина экспериментов приведет к мертвым кошкам.Обратите внимание, что это проблема эпистемологии. Какие знания дает квантовая физика? Если мы откроем коробку в момент времени T , когда существует 50% -ная вероятность выброса альфа-частицы, физик может знать максимум, что существует 50% -ная вероятность того, что произойдет радиоактивный распад, и кошка будет наблюдается как мертвый или умирающий. Если бы ящик был открыт раньше, скажем, по адресу T / 2 , вероятность того, что кошка умерла, составляет всего 25%. Наложение Шредингера живых и мертвых кошек выглядело бы так.Если бы коробку открыли позже, скажем, в 2T , вероятность того, что кошка все еще жива, составляет всего 25%. Квантовая механика дает нам только статистическую информацию - знания о вероятностях. Шредингер просто ошибается в том, что смесь ядерных волновых функций, которая точно описывает распад, может быть увеличена до макроскопического мира, чтобы описать аналогичную смесь волновых функций живой кошки и мертвой кошки и одновременное существование живых и мертвых кошек. Вид когерентной суперпозиции состояний , необходимой для описания атомной системы в виде линейной комбинации состояний (см. Объяснение Полом Дираком суперпозиции с использованием трех поляризаторов), не описывает макроскопические системы.Вместо линейной комбинации чистых квантовых состояний с квантовой интерференцией между состояниями, т. Е.

| Cat > = (1 / √2) | Live > + (1 / √2) | Мертв >,

квантовая механика говорит нам только, что есть 50% шанс найти кошку в живом или мертвом состоянии, т. е.

Кошки = (1/2) Живые + (1/2) Мертвые .

Как и в квантовом случае, это вероятностное предсказание подтверждается статистикой повторных идентичных экспериментов, но интерференции между этими состояниями не наблюдается.То, что одновременно существует в макроскопическом мире, является подлинными альтернативными возможностями для будущих событий. Существует реальная возможность появления живой или мертвой кошки в любом конкретном эксперименте. Какой из них будет найден, является неснижаемо случайным, непредсказуемым и чисто случайным. Подлинные альтернативные возможности - вот что беспокоило таких физиков, как Эйнштейн, Шредингер и Макс Планк, которые хотели вернуться к детерминированной физике. Это также беспокоит философов-детерминистов и компатибилистов, у которых есть то, что Уильям Джеймс называет «антипатией к случайности».«По иронии судьбы, именно Эйнштейн в 1916 году открыл существование неснижаемой случайности в элементарных взаимодействиях материи и излучения. Пока информация не появится, будущее неопределенно. Как только информация закодирована макроскопически, определяется прошлое.

Как физика информации разрешает парадокс?

Как только альфа-частица запускает лавину электронов в счетчике Гейгера (необратимое событие со значительным увеличением энтропии), в мире создается новой информации.Например, простой самописец с перьевой диаграммой, прикрепленный к счетчику Гейгера, мог записывать время распада, которое человек-наблюдатель мог бы прочитать в любое более позднее время. Обратите внимание, что, как обычно при создании информации, энергия, расходуемая записывающим устройством, увеличивает энтропию больше, чем увеличенная информация уменьшает ее, таким образом удовлетворяя второму закону термодинамики. Даже без механического регистратора смерть кошки приводит в движение биологические процессы, которые представляют собой эквивалентную, хотя и ужасную, запись.Когда в результате появляется мертвая кошка, сложное вскрытие может дать приблизительное время смерти, потому что тело кошки действует как регистратор событий. Никогда не бывает суперпозиции (в смысле одновременного существования) живых и мертвых кошек. Парадокс ясно указывает на решение информационной философии проблемы измерения. Наблюдатели не требуются для проведения измерений. В этом случае кошка - наблюдатель. В большинстве физических измерений новая информация улавливается аппаратурой задолго до того, как какой-либо физик сможет прочитать любые шкалы или указатели, указывающие на то, что произошло.Действительно, в сегодняшних экспериментах по взаимодействию частиц высоких энергий данные могут быть получены, но не проанализированы полностью до тех пор, пока компьютерная обработка данных в течение многих дней или даже месяцев не установит то, что наблюдалось. В этом случае экспериментальной аппаратурой является наблюдатель. И вообще Вселенная - это собственный наблюдатель , способный записывать (а иногда и сохранять) созданную информацию.
Основное предположение, сделанное в экспериментах Шредингера с кошачьей мыслью, состоит в том, что детерминированное уравнение Шредингера, описывающее микроскопических суперпозиций распавшихся и нераспавшихся радиоактивных ядер, детерминированно эволюционирует в макроскопическую суперпозицию живых и мертвых кошек.Но поскольку сущность «измерения» - это взаимодействие с другой системой (квантовой или классической), которая создает информацию, которую может увидеть (позже) наблюдатель, взаимодействия между ядром и кошкой более чем достаточно, чтобы коллапсировать волновую функцию. . Расчет вероятностей этого коллапса позволяет нам оценить вероятности живых и мертвых кошек. Это вероятности, а не амплитуды вероятностей. Они не мешают друг другу. После взаимодействия они не находятся в суперпозиции состояний.У нас всегда есть или - живая кошка или мертвая кошка, точно так же, как мы всегда наблюдаем полный фотон после измерения поляризации, а не суперпозицию фотонных состояний, как так просто и ясно объясняет П.А.М. Дирак.
Согласно квантовой механике, результатом этого эксперимента будет то, что иногда можно найти целый фотон с энергией, равной энергии падающего фотона, на задней стороне, а иногда не найти ничего. Если найти целый фотон, он будет поляризован перпендикулярно оптической оси.На тыльной стороне никогда не найдешь только часть фотона. Если повторить эксперимент большое количество раз, можно найти фотон на обратной стороне в доле sin 2 α от общего числа раз.

Точно так же квантовая механика дает нам только вероятность найти живых кошек (или мертвых кошек) в большом количестве идентично подготовленных экспериментов (, SPCA)

Таким образом, мы можем сказать, что фотон имеет вероятность sin 2 α пройти через турмалин и появиться на обратной стороне, поляризованной перпендикулярно оси, и вероятность cos 2 α быть поглощенным.Эти значения вероятностей приводят к правильным классическим результатам для падающего пучка, содержащего большое количество фотонов. Таким образом мы сохраняем индивидуальность фотона во всех случаях. Однако мы можем сделать это только потому, что отказываемся от детерминированности классической теории. Результат эксперимента не определяется, как это было бы согласно классическим представлениям, условиями, контролируемыми экспериментатором. Максимум, что можно предсказать, - это набор возможных результатов с вероятностью появления для каждого... Когда мы заставляем фотон встретиться с кристаллом турмалина, мы подвергаем его наблюдению. Мы наблюдаем, поляризованы ли они параллельно или перпендикулярно оптической оси. В результате этого наблюдения фотон полностью переходит в состояние параллельной или полностью в состояние перпендикулярной поляризации. Он должен совершить внезапный скачок от частичного нахождения в каждом из этих двух состояний к полностью тому или иному из них. Невозможно предсказать, в какое из двух состояний он войдет, оно регулируется только законами вероятности.Если он переходит в параллельное состояние, он поглощается, а если он переходит в перпендикулярное состояние, он проходит через кристалл и появляется на другой стороне, сохраняя это состояние поляризации.

Суперпозиция и неопределенность

Неклассический характер процесса суперпозиции становится очевидным, если мы рассмотрим суперпозицию двух состояний, A и B , так что существует наблюдение, которое, когда оно выполняется в системе в состоянии A , является наверняка приведет к одному конкретному результату, скажем, a , а при выполнении в системе в состоянии B обязательно приведет к какому-то другому результату, скажем, b .Каков будет результат наблюдения, когда он будет выполнен в системе в наложенном состоянии? Ответ заключается в том, что результат иногда будет a , а иногда b , согласно закону вероятности в зависимости от относительных весов A и B в процессе наложения. Он никогда не будет отличаться от a и b .

Нет никаких оснований предполагать промежуточное (и абсурдное) условие одновременного существования живых и мертвых кошек.«Промежуточным» является вероятность, а не результат.

Промежуточный характер состояния, образованного суперпозицией, таким образом, выражается через вероятность того, что конкретный результат для наблюдения будет промежуточным между соответствующими вероятностями для исходных состояний †, а не через сам результат, являющийся промежуточным между соответствующими результатами для исходных состояний. .

† Вероятность конкретного результата для состояния, образованного суперпозицией, не всегда является промежуточным между таковыми для исходных состояний в общем случае, когда для исходных состояний не равны нулю или единице, поэтому существуют ограничения на «промежуточность» состояние, образованное суперпозицией.

Таким образом, мы видим, что такой радикальный отход от обычных представлений, как предположение о суперпозиционных отношениях между состояниями, возможен только благодаря признанию важности возмущения, сопровождающего наблюдение, и вытекающей из этого неопределенности в результате наблюдения. . Когда наблюдение проводится над любой атомной системой, находящейся в данном состоянии, в общем случае результат не будет определен, то есть, если эксперимент повторяется несколько раз в идентичных условиях, можно получить несколько различных результатов.Однако по закону природы, если эксперимент повторяется большое количество раз, каждый конкретный результат будет получен за определенную долю от общего числа раз, так что существует определенная вероятность того, что он будет полученный. Эта вероятность - это то, что теория пытается вычислить.

Декогеренция и отсутствие макроскопических суперпозиций

Несмотря на утверждения теоретиков декогеренции, микроскопические суперпозиции квантовых состояний не позволяют нам «видеть» систему в двух разных состояниях.Квантовая механика просто предсказывает значительную вероятность нахождения системы в этих различных состояниях. Поэтому неудивительно, что мы не видим макроскопических «суперпозиций живых и мертвых кошек» одновременно. Что действительно существует в любой момент времени, так это вероятности двух состояний (в макроскопическом мире) и амплитуда вероятности двух состояний (которые могут когерентно интерферировать друг с другом) в микроскопическом мире. Теоретики декогеренции заявляют, что они объясняют «загадочное» отсутствие макроскопических суперпозиций состояний.Но квантовая механика не предсказывает такие состояния, несмотря на популярную идею макроскопического суперпозиции живых и мертвых кошек.

Деконструкция кота Шредингера - решение парадокса

Автор Springer 15 февраля 2020 г.

Французский физик-теоретик Франк Лалоэ представляет модификацию знаменитого уравнения Шредингера, которая гарантирует, что все измеряемые состояния уникальны, помогая решить проблему, которая четко заключена в парадоксе кошки Шредингера.

Парадокс кота Шрёдингера - кота, который, как известно, и жив, и мертв, пока его ящик не открыт - является наиболее широко известным примером повторяющейся проблемы в квантовой механике: его динамика, кажется, предсказывает, что макроскопические объекты (например, кошки) иногда может существовать одновременно в более чем одном полностью отличном состоянии. Многие физики пытались решить этот парадокс на протяжении многих лет, но ни один подход не получил всеобщего признания. Однако теперь физик-теоретик Франк Лалоэ из Лаборатории Кастлера Бросселя (ENS-Université PSL) в Париже предложил новую интерпретацию, которая могла бы объяснить многие особенности парадокса.Он излагает модель этой возможной теории в новой статье в EPJ D .

Один из подходов к решению этой проблемы включает добавление небольшого случайного дополнительного члена в уравнение Шредингера, которое позволяет вектору квантового состояния «схлопнуться», гарантируя, что - как это наблюдается в макроскопической Вселенной - результат каждого измерения уникален. Теория Лалоэ сочетает эту интерпретацию с другой интерпретацией де Бройля и Бома и связывает происхождение квантового коллапса с универсальным гравитационным полем.Этот подход может быть применен в равной степени ко всем объектам, квантовым и макроскопическим: то есть как к кошкам, так и к атомам.

Идея связи квантового коллапса с гравитацией уже была предложена великим английским физиком и философом Роджером Пенроузом, но он так и не развил свои идеи в законченную теорию. Лалоэ предлагает модель, которая идет в том же направлении, согласуется с физическими наблюдениями и может однажды оказаться экспериментально проверенной. Это относительно просто - даже "наивно" - и вводит только один дополнительный параметр в стандартное уравнение.Лалоэ планирует исследовать больше последствий своей модели в различных ситуациях. Кроме того, он предполагает, что теория, сочетающая квантовую механику с гравитацией, может иметь значение в астрофизике.

Ссылка: «Модель квантового коллапса, вызванного гравитацией», Франк Лалоэ, 6 февраля 2020 г., The European Physical Journal D .
DOI: 10.1140 / epjd / e2019-100434-1

Кот Шредингера выдвинул веские возражения против Копенгагенской интерпретации

Дэн Хупер, Ph.D., Чикагский университет,

В период с конца 1920-х до середины 1930-х годов вокруг копенгагенской интерпретации квантовой механики сложился консенсус. Большинство выдающихся физиков того времени, за исключением Альберта Эйнштейна, приняли этот консенсус. Эйнштейн активно пытался дискредитировать копенгагенскую интерпретацию, и в австрийском физике Эрвине Шредингере он нашел кого-то, кто симпатизировал его позиции.

«Кот Шредингера» - это мысленный эксперимент, созданный физиком Эрвином Шредингером для иллюстрации странных последствий копенгагенской интерпретации.
(Изображение: Tanistaja / Shutterstock)

Эйнштейн находит союзника в Шредингере

Шредингер не выступал против копенгагенской интерпретации так резко, как Эйнштейн. Однако он обнаружил, что новая консенсусная точка зрения проблематична с философской и концептуальной точек зрения.

За прошедшие годы Шредингер и Эйнштейн обменялись несколькими письмами, в которых они выразили свое взаимное недовольство консенсусной версией квантовой теории. По их мнению, теория, для создания которой они оба так много сделали, имела давние проблемы.И хотя Шредингер не чувствовал этого так сильно, как Эйнштейн, он тоже думал, что теория, вероятно, будет неполной в каком-то важном и фундаментальном смысле.

Узнайте больше о том, что ошибались другие великие ученые.

Знаменитый мысленный эксперимент Шредингера

В ноябре 1935 года, всего через несколько месяцев после публикации статьи ЭПР, Шредингер написал и опубликовал эссе, в котором представил мысленный эксперимент, который теперь известен как Кот Шредингера.Это, наверное, самая известная иллюстрация того, насколько странной может быть квантовая механика.

В своем эссе Шредингер описал гипотетический аппарат, предназначенный для иллюстрации и даже преувеличения некоторых странных следствий копенгагенского взгляда на квантовую теорию.

Этот аппарат начинает с радиоактивного вещества, период полураспада которого составляет час. Из-за вероятностной природы квантовой механики вы не можете предсказать, когда или будет ли радиоактивное вещество распадаться.Можно только сказать, что вероятность распада через час составляет 50/50.

Это нестабильное атомное вещество затем присоединяют к счетчику Гейгера. Если вещество распадается, его обнаруживает счетчик Гейгера, который заставляет молоток раскачиваться, разбивая колбу с сильнодействующей кислотой. Этот аппарат помещается вместе со здоровой кошкой в ​​непроницаемую камеру. Наконец, дверь камеры запечатана, и вы ждете.

Этот прибор может показаться сложным, но на самом деле имеет значение только одно: если радиоактивное вещество распадается, кислота убьет кошку, а если радиоактивное вещество не распадется, кошка останется живой.

Узнайте больше о стремлении Эйнштейна перевернуть стандартный взгляд на квантовую механику.

Что об этом говорит Копенгагенская интерпретация?

Давайте посмотрим, как можно было бы рассматривать аппарат Шредингера и кошку с точки зрения копенгагенской интерпретации квантовой механики. После того, как вы закроете дверь камеры, вы не сможете определить, распалось ли радиоактивное вещество или нет, и, следовательно, вы не сможете определить, мертва кошка или жива.

Однако, согласно копенгагенской интерпретации, это не просто вопрос нашего незнания. Радиоактивное вещество находится в состоянии, которое представляет собой комбинацию распавшегося и не распавшегося состояния. Следовательно, кошка одновременно мертва и жива.

Сделайте паузу и подумайте о популярном примере, который используется для иллюстрации теории суперпозиции. Есть электрон, описываемый волновой функцией, которая распространяется через точки A и B. Пока мы не определим его местоположение, этот электрон одновременно находится в точке A и точке B.Физик сказал бы, что волновая функция представляет собой суперпозицию электрона, находящегося в точке A и находящегося в точке B.

Это стенограмма из серии видео Что Эйнштейн ошибся . Смотри сейчас, Вондриум.

В случае аппарата Шредингера волновая функция радиоактивного вещества находится в суперпозиции распавшихся и не распавшихся состояний. Следовательно, волновая функция кошки также находится в суперпозиции мертвого и живого состояний.Только когда вы открываете коробку и наблюдаете за кошкой, ее волновая функция разрушается, заставляя ее принимать однозначно живое или однозначно мертвое состояние.

Какова основная идея этого мысленного эксперимента? Пока дверь камеры не откроется, кошка не «только мертва» или «только жива». Дело не только в том, что мы не знаем, жив он или мертв, кошка одновременно мертва и жива.

Следует ли мир научному реализму?

Мысленный эксперимент «Кошка Шредингера» сумел достичь того, что он учитывает квантовую странность субатомного мира и показывает, как эти эффекты могут потенциально проявиться в чем-то более макроскопическом и осязаемом.

Мы могли бы согласиться с тем, что электроны, фотоны или другие квантовые частицы могут существовать в нескольких состояниях одновременно, но гораздо труднее представить себе, что это может быть верно в отношении чего-то вроде кошки. Большинству из нас интуиция подсказывает, что кошка должна быть либо живой, либо мертвой. в любой момент времени.

Если мы строго следуем копенгагенской интерпретации квантовой теории или квантовой механики, мы должны сделать вывод, что, пока это не наблюдается, кошка находится в суперпозиции живого и мертвого состояний.Он не жив и не мертв. Он одновременно и жив, и мертв. Однако наша интуиция подсказывает нам настаивать на том, что кошка должна быть однозначно живой или однозначно мертвой в данный момент времени. Дело в том, что наша интуиция просто настаивает на форме научного реализма, подобного тому, за что выступал Эйнштейн.

С точки зрения научного реалиста, существует реальный и четко определенный мир. В таком мире кошки либо живы, либо мертвы, а кошки никогда не бывают одновременно живыми и мертвыми.Независимо от того, что может сказать наша интуиция, нет никаких реальных доказательств того, что мир должен работать таким образом. Вполне возможно, что мир не желает придерживаться принципов научного реализма.

Узнайте больше о поисках Эйнштейном новой теории относительности.

Что такое наблюдение?

Это, по сути, то, о чем спорили выдающиеся физики того периода, такие как Нильс Бор, Макс Борн и Вернер Гейзенберг. Трудно утверждать, что Эйнштейн или Шредингер показали, что они ошибались в этом отношении.

Австрийско-ирландский физик Эрвин Шредингер внес ключевой вклад в развитие квантовой теории. (Изображение: Нобелевский фонд / общественное достояние)

Однако «Кот Шредингера» действительно вызывает веские возражения против копенгагенской интерпретации квантовой механики. С точки зрения Копенгагена, волновая функция объекта коллапсирует, когда он наблюдается, что поднимает вопрос о том, что именно составляет наблюдателя? Что именно представляет собой наблюдение?

В примере с кошкой Шредингера мы говорим, что волновая функция коллапсирует, когда мы открываем дверь в камеру и наблюдаем за кошкой.Но что делать, если на кошке есть блоха? Может ли это также вызвать коллапс волновой функции? И что такого особенного в наблюдателе, который заставляет физическую систему переходить в коллапсированное состояние? Это не может быть просто какое-либо взаимодействие, поскольку эксперименты неоднократно показывали, что квантовые частицы могут взаимодействовать друг с другом без коллапса своих волновых функций.

С точки зрения Копенгагена, в акте наблюдения есть что-то странно особенное. Многим физикам это кажется очень проблематичным, и многие из нас скептически относятся к копенгагенской интерпретации квантовой механики.

Общие вопросы о кошке Шредингера

Вопрос: Выжила ли кошка Шредингера?

В мысленном эксперименте, известном как «Кот Шредингера», кошка представляет собой квантовый объект или квантовую материю и, как говорят, существует в состоянии наложения живых и мертвых одновременно. Радиоактивное вещество внутри устройства также одновременно распадается и не распадается. Следовательно, пока кошка не будет замечена в конце часа, она будет жива и мертва одновременно.

Q: Действительно ли Шредингер поместил кошку в ящик?

Кот Шредингера - это мысленный эксперимент, а не реальный эксперимент. Кошка в этом мысленном эксперименте - воображаемая кошка, и Шредингер никогда не помещал настоящую кошку ни в какую запертую камеру, содержащую радиоактивные вещества.

Q: Как работает квантовая суперпозиция?

Принцип квантовой суперпозиции по существу гласит, что система, состоящая из квантовых частиц, существует как комбинация всех возможных конфигураций системы одновременно.

В: Что пытается доказать кошка Шредингера?

Эрвин Шредингер создал мысленный эксперимент под названием «Кот Шредингера», чтобы продемонстрировать, что квантовая теория может давать чрезвычайно абсурдные или странные результаты из-за простого искажения принципов теории.

Продолжайте читать


Как Эйнштейн бросил вызов ньютоновской физике
Объяснение специальной теории относительности Эйнштейна
Полевые уравнения Эйнштейна: длинный путь проб и ошибок

В квантовых вычислениях, удвоение кота Шредингера

(Иллюстрация Майкла С.Helfenbein)

Йельские физики дали знаменитому коту Шредингера вторую шкатулку для игры, и результат может способствовать дальнейшим поискам надежных квантовых вычислений.

Кот Шредингера - хорошо известный парадокс, который применяет концепцию суперпозиции в квантовой физике к объектам, встречающимся в повседневной жизни. Идея состоит в том, что кота помещают в герметичный ящик с радиоактивным источником и ядом, который сработает, если атом радиоактивного вещества распадется. Квантовая физика предполагает, что кошка одновременно жива и мертва (суперпозиция состояний) до тех пор, пока кто-нибудь не откроет коробку и при этом не изменит квантовое состояние.

Этот гипотетический эксперимент, задуманный одним из отцов-основателей квантовой механики в 1935 году, в последние годы нашел яркие аналогии в лабораториях. Теперь ученые могут поместить волновой пакет света, состоящий из сотен частиц одновременно, в два совершенно разных состояния. Каждому состоянию соответствует обычная (классическая) форма света, изобилующего природой.

Группа ученых из Йельского университета создала более экзотический тип кошачьего состояния Шредингера, который предлагался для экспериментов более 20 лет.Эта кошка живет или умирает сразу в двух коробках, что является сочетанием идеи кошки Шредингера и другой центральной концепции квантовой физики: запутанности. Запутанность позволяет местному наблюдению мгновенно изменять состояние удаленного объекта. Эйнштейн однажды назвал это «жутким действием на расстоянии», и в данном случае он позволяет распределить состояние кошки в различных пространственных режимах.

Команда Йельского университета построила устройство, состоящее из двух трехмерных микроволновых резонаторов и дополнительного порта для мониторинга - все они соединены сверхпроводящим искусственным атомом.«Кот» состоит из ограниченного микроволнового света в обеих полостях.

«Этот кот большой и умный. Он не находится в одной коробке, потому что квантовое состояние является общим для двух полостей и не может быть описано отдельно », - сказал Чен Ван, научный сотрудник Йельского университета и первый автор исследования в журнале Science, описывая исследование. «Можно также воспользоваться альтернативной точкой зрения, где у нас есть две маленькие и простые кошки Шредингера, по одной в каждой коробке, которые запутались».

Исследование также имеет потенциальные приложения в квантовых вычислениях.Квантовый компьютер сможет решать определенные задачи намного быстрее, чем классические компьютеры, за счет использования суперпозиции и запутанности. И все же одна из основных проблем при разработке надежного квантового компьютера - это исправление ошибок, не искажая информацию.

«Оказывается,« кошачьи »состояния - очень эффективный подход к избыточному хранению квантовой информации для реализации квантовой коррекции ошибок. Создание кота в двух коробках - это первый шаг к логической операции между двумя квантовыми битами с исправлением ошибок », - сказал соавтор Роберт Шёлкопф, профессор прикладной физики и физики Стерлинга и директор Йельского квантового института.

Шелькопф и его частые сотрудники, Мишель Деворе и Стив Гирвин, первыми открыли область квантовой электродинамики схем (cQED), обеспечивая одну из наиболее широко используемых структур для исследований квантовых вычислений. Деворет, профессор физики Йельского университета Ф. В. Бейнеке, и Гирвин, профессор физики и прикладной физики Юджина Хиггинса из Йельского университета, являются соавторами статьи.

Исследование основано на более чем десятилетнем развитии архитектуры cQED. Команда Йельского университета разработала множество новых функций, в том числе цилиндрические трехмерные полости с рекордным временем хранения квантовой информации более 1 миллисекунды в сверхпроводящих схемах и систему измерения, которая отслеживает определенные аспекты квантового состояния точным и неразрушающим образом.«Мы объединили здесь довольно много новейших технологий», - сказал Ван.

Среди соавторов факультетов прикладной физики и физики Йельского университета доцент Лян Цзян; старший научный сотрудник Луиджи Фрунцио; докторанты Рейнир Херес и Ниссим Офек; аспиранты Ивонн Гао, Филип Рейнхольд, Кевин Чоу, Кристофер Акслайн, Мэтью Рейгор, Джейкоб Блюмофф и Катрина Слива; и бывший исследователь Йельского университета Мазьяр Миррахими.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *