В поисках кота шредингера: Книга: «В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность» — Джон Гриббин. Купить книгу, читать рецензии | In Search of Schroedinger’s Cat | ISBN 978-5-386-09614-4

Читать «В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность» — Гриббин Джон — Страница 1

Джон Гриббин

В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

Мне все это не нравится, и я сожалею, что вообще был в этом замешан.

Эрвин Шрёдингер 1887-1961

Ничто не реально.

Джон Леннон 1940-1980

JOHN GRIBBIN

IN SEARCH OF SCHRÖDINGER’S CAT

Quantum Physics and Reality

Перевод с английского З. А. Мамедьярова, Е. А. Фоменко

© 1984 by John and Mary Gribbin

Благодарности

Мое знакомство с квантовой теорией состоялось более двадцати лет назад, еще в школе, когда я обнаружил, что теория оболочечного строения атома магическим образом объясняла всю периодическую систему элементов и практически всю химию, с которой я мучился на множестве скучных уроков. Я сразу же начал копать дальше, прибег к помощи библиотечных книг, как утверждалось, «слишком сложных» для моей скромной научной подготовки, и сразу же заметил прекрасную простоту объяснения атомного спектра с позиции квантовой теории и впервые открыл для себя, что лучшее в науке одновременно прекрасно и просто, а этот факт слишком многие учителя – случайно или нарочно – скрывают от своих учеников. Я чувствовал себя прямо как герой романа «Поиск» Ч. П. Сноу (хотя и прочитал его гораздо позже), который открыл то же самое:

Я заметил, как перепутанные случайные факты вдруг встали на свои места… «Но это истина, – сказал я себе. – Это прекрасно. И это истина». (Издание А, 1963, с. 27.)

Отчасти благодаря этому озарению в университете я решил изучать физику. В положенный срок мои амбиции осуществились, и я стал студентом университета Сассекса в Брайтоне. Но там простоту и красоту глубинных идей затмило многообразие деталей и математических методов решения конкретных проблем с помощью уравнений квантовой механики. Применение этих идей к миру современной физики давало, пожалуй, примерно такое же представление о глубинной красоте и истине, какое дает пилотирование Boeing 747 о дельтапланеризме. Хотя сила изначального озарения по-прежнему оказывала наиболее существенное влияние на мою карьеру, долгое время я не обращал внимания на квантовый мир и открывал для себя другие прелести науки.

Угольки того раннего интереса разгорелись вновь благодаря сочетанию нескольких факторов. В конце 1970-х и начале 1980-х годов начали появляться книги и статьи, которые с переменным успехом пытались объяснить странный квантовый мир далекой от науки аудитории. Некоторые из так называемых «популярных текстов» были так чудовищно далеки от правды, что я не мог даже вообразить, что найдется читатель, который поймет истинность и красоту науки, изучив их, а потому захотел рассказать все как есть. В то же время появились сведения о длительных сериях научных экспериментов, которые доказали реальность ряда самых странных аспектов квантовой теории, и эти сведения заставили меня снова отправиться в библиотеки и освежить свое представление об этих удивительных вещах. И наконец, однажды на Рождество представители ВВС пригласили меня принять участие в радиопрограмме в качестве своеобразного научного оппонента Малкольма Маггериджа, который только что объявил о своем обращении в католичество и был главным гостем в то праздничное время. После того как этот великий человек высказал свою точку зрения, подчеркнув загадочность христианства, он повернулся ко мне и сказал: «Но здесь есть тот, кто знает все ответы – или утверждает, что знает их все». Время было ограниченно, и я постарался дать достойный отпор, указав, что наука не утверждает, будто располагает всеми ответами, и как раз религия, а не наука, полностью полагается на безграничную веру и убеждение, что истина известна. «Я ни во что не верю», – сказал я и начал было объяснять свою позицию, но в этот момент программа подошла к концу. Все рождественские каникулы друзья и знакомые напоминали мне об этих словах, а я часами твердил, что отсутствие у меня безграничной веры во что-либо не мешает мне жить нормальной жизнью, используя вполне разумную рабочую гипотезу о том, что солнце вряд ли исчезнет за одну ночь.

Все это помогло мне разложить по полочкам собственные мысли о сущности науки в процессе длительных дискуссий о базовой реальности – или нереальности – квантового мира, и этого оказалось достаточно, чтобы я убедился, что могу написать книгу, которую вы теперь держите в руках. Работая над ней, я проверил многие из более тонких аргументов в ходе своих регулярных появлений в научной радиопрограмме Вещательной корпорации Британских вооруженных сил, ведущим которой был Томми Вэнс. Пытливые вопросы Тома быстро вскрывали несовершенства моей презентации, и с их помощью я смог организовать свои идеи лучшим образом. Основным источником справочных материалов, которые я использовал при написании книги, стала библиотека университета Сассекса, где содержится, пожалуй, одна из лучших коллекций книг по квантовой теории в мире, а более редкие материалы мне подобрала Мэнди Кэплин из журнала New Scientist, которая настойчиво слала мне сообщения по телетайпу, в то время как Кристина Саттон скорректировала мое неверное представление о физике частиц и теории поля. Моя жена не только оказала мне неоценимую помощь при обзоре литературы и организации материала, но и смягчила множество острых углов. Я также благодарен профессору Рудольфу Пирлсу за то, что он в деталях объяснил мне кое-какие тонкости эксперимента с часами в коробке и парадокса Эйнштейна – Подольского – Розена.

Всем хорошим, что есть в этой книге, она обязана: «сложным» текстам по химии, названий которых я уже не помню и которые я обнаружил в Библиотеке графства Кент в возрасте шестнадцати лет; горе-«популяризаторам» квантовых идей, убедившим меня в том, что я смогу описать их лучше; Малкольму Маггериджу и ВВС; библиотеке университета Сассекса; Томми Вэнсу и BFBS; Мэнди Кэплин и Кристине Саттон и особенно Мин. Любые жалобы, касающиеся тех недостатков, что все же остались в этой книге, должны быть, конечно, адресованы мне.

Джон Гриббин

Июль 1983 года

Введение

Если сложить все книги и статьи о теории относительности, написанные для простых людей, то стопка, вероятно, дотянется до Луны. «Все знают», что теория относительности Эйнштейна – это самое великое достижение науки XX столетия, и все ошибаются. Однако если сложить все книги и статьи о квантовой теории, написанные для простых людей, то они легко поместятся на моем столе. Это не значит, что о квантовой теории не слышали за стенами академий. Квантовая механика даже стала популярна в определенных слоях: при помощи нее пытались объяснить телепатию и сгибание ложек, в ней черпали вдохновение для множества научно-фантастических историй. В популярной мифологии квантовая механика связывается – если связывается вообще – с оккультизмом и экстрасенсорным восприятием, то есть странной, эзотерической ветвью науки, которую никто не понимает и которой никто не может найти практического применения.

Эта книга написана в противовес такому восприятию того, что по сути является самой фундаментальной и важной областью научного знания. Своим происхождением эта книга обязана нескольким обстоятельствам, которые возникли летом 1982 года. Во-первых, я только что дочитал книгу о теории относительности под названием «Искривления пространства» и решил, что пора взяться за демистификацию другой великой ветви науки двадцатого века. Во-вторых, в то время меня все больше раздражали неверные идеи, которые бытовали под именем квантовой теории в среде людей, далеких от науки. Великолепная книга «Дао физики» Фритьофа Капры способствовала появлению множества подражателей, которые не понимали ни физики, ни дао, но чувствовали, что можно сделать деньги, связав западную науку с восточной философией. И наконец, в августе 1982 года из Парижа пришли новости о том, что группа ученых успешно провела важнейший эксперимент, который подтвердил – для тех, кто все еще сомневался, – точность квантово-механического представления о мироздании.

Гриббин Д. В поисках кота Шредингера: квантовая физика и реальность (М., 2017)

Благодарности ................................................... 7
Введение ....................................................... 11
Пролог ......................................................... 13

                            ЧАСТЬ ПЕРВАЯ
                               КВАНТ
Глава первая. Свет ............................................. 19
   Волны или частицы? Торжество волновой теории
Глава вторая.  Атомы ............................................ 33
   Атомы в XIX столетии; Атомы Эйнштейна; Электроны; Ионы; 
   Рентгеновские лучи; Радиоактивность; Внутри атома
Глава третья. Свет и атомы ..................................... 50
   Зацепка абсолютно черного тела; Непрошеная революция; 
   Что такое h? Эйнштейн, свет и кванты 
Глава четвертая. Атом Бора ..................................... 71
   Прыгающие электроны; Водород получает объяснение; Элемент 
   случайности: Бог и игральные кости; Атомы в перспективе; 
   Химия получает объяснение

                            ЧАСТЬ ВТОРАЯ
                         КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА
Глава пятая. Фотоны и электроны ............................... 107
   Частицы света; Корпускулярно-волновой дуализм; Волны 
   электронов; Разрыв с прошлым; Принцип исключения Паули;
   Куда дальше?
Глава шестая. 
 Матрицы и волны ................................. 133
   Прорыв в Гельголанде; Квантовая математика; Теория
   Шредингера; Шаг назад; Квантовая кулинария
Глава седьмая. На кухне с квантом ............................. 160
   Антиматерия; Внутри ядра; Лазеры и мазеры; Могучее микро; 
   Сверхпроводники; Сама жизнь

                           ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ
                          ...И НЕ ТОЛЬКО
Глава восьмая. Случайность и неопределенность ................. 201
   Смысл неопределенности; Копенгагенская интерпретация;
   Опыт с двумя прорезями; Редукция волн; Законы 
   дополнительности
Глава девятая. Парадоксы и возможности ........................ 227
   Часы в коробке; Парадокс Эйнштейна - Подольского -
   Розена; Путешествия во времени; Время Эйнштейна; Нечто из
   ничего; Кот Шредингера; Соучастная Вселенная
Глава десятая. Где собака зарыта .............................. 270
   Парадокс спина; Загадка поляризации; Эксперимент Белла; 
   Доказательство; Что это означает?; Подтверждение и 
   практическое применение
Глава одиннадцатая.  Множество миров ........................... 293
   Кто наблюдает за наблюдателями? Коты Шредингера; 
   Превосходя научную фантастику; Превосходя Эйнштейна? 
   Второй взгляд; Превосходя Эверетта; Наше особенное место

Эпилог. Неоконченное дело ..................................... 318
Кода. Обращаясь к современности ............................... 344

В поисках кота Шредингера. (Prisma)

Научный баттл,или Битва престолов.Как гуманитарии и математики не поделили мир.(Лингванонфикшн)

Научный баттл, или Битва престолов. Как гуманитарии и математики не поделили мир. (Лингванонфикшн)

ISBN: 978-5-17-105961-3 

42238

Автор: Брокшмидт
 

420 ք 

Квантовый кот вселенной.(Квант науки)

Квантовый кот вселенной. (Квант науки)

ISBN: 978-5-907024-95-3 

42050

1

Автор: Шредингер
 

294 ք 

ДНК-не приговор.Удивительная связь между вами и вашими генами.(МИФ)

ДНК-не приговор. Удивительная связь между вами и вашими генами. (МИФ)

ISBN: 978-5-00146-004-6 

42007

Автор: Хэйне
 

771 ք 

Вся физика в 50 экспериментах.Кот Шредингера

Вся физика в 50 экспериментах. Кот Шредингера

ISBN: 978-5-4461-0934-0 

41999

Автор: Харт-Дэвис
 

620 ք 

Записки примата:Необычная жизнь ученого среди павианов

Записки примата: Необычная жизнь ученого среди павианов

ISBN: 978-5-91671-795-2 

41847

Автор: Сапольски
 

670 ք 

Телескоп во льдах.Как на Южном полюсе рождалась новая астрономия.(Наука:открытия и первооткрыватели)

Телескоп во льдах. Как на Южном полюсе рождалась новая астрономия. (Наука: открытия и первооткрыватели)

ISBN: 978-5-17-110837-3 

41300

1

Автор: Боуэн
 

540 ք 

Астрономия.История,теории и практики.(Большая научная энц-я)

Астрономия. История, теории и практики. (Большая научная энц-я)

ISBN: 978-5-17-983193-8 

41219

2

Автор:  

801 ք 

Математика для безнадежных гуманитариев.Для тех,кто учил языки,литературу и прочую лирику.(Безнадежн

Математика для безнадежных гуманитариев. Для тех, кто учил языки, литературу и прочую лирику. (Безнадежн

ISBN: 978-5-17-983359-8 

40627

Автор: Литвак
 

364 ք 

На заре новой эры.Автобиография «отца» виртуальной реальности.(Гении компьютерного века)

На заре новой эры. Автобиография «отца» виртуальной реальности. (Гении компьютерного века)

ISBN: 978-5-04-098628-6 

40582

Автор: Ланье
 

490 ք 

Химия для тех,кто все забыл.(Наука на пальцах)

Химия для тех, кто все забыл. (Наука на пальцах)

ISBN: 978-5-17-109991-6 

39939

Автор: Шляхов
 

291 ք 

Как работает иммунитет.(Б-ка Гуттенберга)

Как работает иммунитет. (Б-ка Гуттенберга)

ISBN: 978-5-17-112323-9 

39810

Автор: Умнякова
 

260 ք 

Удивительные планеты.(Миссия «Космос»)

Удивительные планеты. (Миссия «Космос»)

ISBN: 978-5-699-91905-5 

39546

1

Автор: Натарадж
 

1 160 ք 

Джон Гриббин — В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность читать онлайн бесплатно

Джон Гриббин

В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

Мне все это не нравится, и я сожалею, что вообще был в этом замешан.

Ничто не реально.

JOHN GRIBBIN

IN SEARCH OF SCHRÖDINGER’S CAT

Quantum Physics and Reality

Перевод с английского З. А. Мамедьярова, Е. А. Фоменко

© 1984 by John and Mary Gribbin

Благодарности

Мое знакомство с квантовой теорией состоялось более двадцати лет назад, еще в школе, когда я обнаружил, что теория оболочечного строения атома магическим образом объясняла всю периодическую систему элементов и практически всю химию, с которой я мучился на множестве скучных уроков. Я сразу же начал копать дальше, прибег к помощи библиотечных книг, как утверждалось, «слишком сложных» для моей скромной научной подготовки, и сразу же заметил прекрасную простоту объяснения атомного спектра с позиции квантовой теории и впервые открыл для себя, что лучшее в науке одновременно прекрасно и просто, а этот факт слишком многие учителя – случайно или нарочно – скрывают от своих учеников. Я чувствовал себя прямо как герой романа «Поиск» Ч. П. Сноу (хотя и прочитал его гораздо позже), который открыл то же самое:

Я заметил, как перепутанные случайные факты вдруг встали на свои места… «Но это истина, – сказал я себе. – Это прекрасно. И это истина». (Издание А, 1963, с. 27.)

Отчасти благодаря этому озарению в университете я решил изучать физику. В положенный срок мои амбиции осуществились, и я стал студентом университета Сассекса в Брайтоне. Но там простоту и красоту глубинных идей затмило многообразие деталей и математических методов решения конкретных проблем с помощью уравнений квантовой механики. Применение этих идей к миру современной физики давало, пожалуй, примерно такое же представление о глубинной красоте и истине, какое дает пилотирование Boeing 747 о дельтапланеризме. Хотя сила изначального озарения по-прежнему оказывала наиболее существенное влияние на мою карьеру, долгое время я не обращал внимания на квантовый мир и открывал для себя другие прелести науки.

Угольки того раннего интереса разгорелись вновь благодаря сочетанию нескольких факторов. В конце 1970-х и начале 1980-х годов начали появляться книги и статьи, которые с переменным успехом пытались объяснить странный квантовый мир далекой от науки аудитории. Некоторые из так называемых «популярных текстов» были так чудовищно далеки от правды, что я не мог даже вообразить, что найдется читатель, который поймет истинность и красоту науки, изучив их, а потому захотел рассказать все как есть. В то же время появились сведения о длительных сериях научных экспериментов, которые доказали реальность ряда самых странных аспектов квантовой теории, и эти сведения заставили меня снова отправиться в библиотеки и освежить свое представление об этих удивительных вещах. И наконец, однажды на Рождество представители ВВС пригласили меня принять участие в радиопрограмме в качестве своеобразного научного оппонента Малкольма Маггериджа, который только что объявил о своем обращении в католичество и был главным гостем в то праздничное время. После того как этот великий человек высказал свою точку зрения, подчеркнув загадочность христианства, он повернулся ко мне и сказал: «Но здесь есть тот, кто знает все ответы – или утверждает, что знает их все». Время было ограниченно, и я постарался дать достойный отпор, указав, что наука не утверждает, будто располагает всеми ответами, и как раз религия, а не наука, полностью полагается на безграничную веру и убеждение, что истина известна. «Я ни во что не верю», – сказал я и начал было объяснять свою позицию, но в этот момент программа подошла к концу. Все рождественские каникулы друзья и знакомые напоминали мне об этих словах, а я часами твердил, что отсутствие у меня безграничной веры во что-либо не мешает мне жить нормальной жизнью, используя вполне разумную рабочую гипотезу о том, что солнце вряд ли исчезнет за одну ночь.

Все это помогло мне разложить по полочкам собственные мысли о сущности науки в процессе длительных дискуссий о базовой реальности – или нереальности – квантового мира, и этого оказалось достаточно, чтобы я убедился, что могу написать книгу, которую вы теперь держите в руках. Работая над ней, я проверил многие из более тонких аргументов в ходе своих регулярных появлений в научной радиопрограмме Вещательной корпорации Британских вооруженных сил, ведущим которой был Томми Вэнс. Пытливые вопросы Тома быстро вскрывали несовершенства моей презентации, и с их помощью я смог организовать свои идеи лучшим образом. Основным источником справочных материалов, которые я использовал при написании книги, стала библиотека университета Сассекса, где содержится, пожалуй, одна из лучших коллекций книг по квантовой теории в мире, а более редкие материалы мне подобрала Мэнди Кэплин из журнала New Scientist, которая настойчиво слала мне сообщения по телетайпу, в то время как Кристина Саттон скорректировала мое неверное представление о физике частиц и теории поля. Моя жена не только оказала мне неоценимую помощь при обзоре литературы и организации материала, но и смягчила множество острых углов. Я также благодарен профессору Рудольфу Пирлсу за то, что он в деталях объяснил мне кое-какие тонкости эксперимента с часами в коробке и парадокса Эйнштейна – Подольского – Розена.

Всем хорошим, что есть в этой книге, она обязана: «сложным» текстам по химии, названий которых я уже не помню и которые я обнаружил в Библиотеке графства Кент в возрасте шестнадцати лет; горе-«популяризаторам» квантовых идей, убедившим меня в том, что я смогу описать их лучше; Малкольму Маггериджу и ВВС; библиотеке университета Сассекса; Томми Вэнсу и BFBS; Мэнди Кэплин и Кристине Саттон и особенно Мин. Любые жалобы, касающиеся тех недостатков, что все же остались в этой книге, должны быть, конечно, адресованы мне.

Джон Гриббин

Июль 1983 года

Если сложить все книги и статьи о теории относительности, написанные для простых людей, то стопка, вероятно, дотянется до Луны. «Все знают», что теория относительности Эйнштейна – это самое великое достижение науки XX столетия, и все ошибаются. Однако если сложить все книги и статьи о квантовой теории, написанные для простых людей, то они легко поместятся на моем столе. Это не значит, что о квантовой теории не слышали за стенами академий. Квантовая механика даже стала популярна в определенных слоях: при помощи нее пытались объяснить телепатию и сгибание ложек, в ней черпали вдохновение для множества научно-фантастических историй. В популярной мифологии квантовая механика связывается – если связывается вообще – с оккультизмом и экстрасенсорным восприятием, то есть странной, эзотерической ветвью науки, которую никто не понимает и которой никто не может найти практического применения.

Книга «В поисках кота Шредингера»

Джон Гриббин В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

Благодарности

Введение

Пролог Ничто не реально

Часть первая Квант

Глава первая Свет

Волны или частицы?

Торжество волновой теории

Глава вторая Атомы

Атомы в XIX столетии

Атомы Эйнштейна

Электроны

Ионы

Рентгеновские лучи

Радиоактивность

Внутри атома

Глава третья Свет и атомы

Зацепка абсолютно черного тела

Непрошеная революция

Что такое h?

Эйнштейн, свет и кванты

Глава четвертая Атом бора

Прыгающие электроны

Водород получает объяснение

Элемент случайности: боги игральные кости

Атомы в перспективе

Химия получает объяснение

Часть вторая Квантовая механика

Глава пятая Фотоны и электроны

Частицы света

Корпускулярно-волновой дуализм

Волны электронов

Разрыв с прошлым

Принцип исключения Паули

Куда дальше?

Глава шестая Матрицы и волны

Прорыв в Гельголанде

Квантовая математика

Теория Шрёдингера

Шаг назад

Квантовая кулинария

Глава седьмая На кухне с квантом

Антиматерия

Внутри ядра

Лазеры и мазеры

Могучее микро

Сверхпроводники

Сама жизнь

Часть третья …И не только

Глава восьмая Случайность и неопределенность

Смысл неопределенности

Копенгагенская интерпретация

Опыт с двумя прорезями

Редукция волн

Законы дополнительности

Глава девятая Парадоксы и возможности

Часы в коробке

Парадокс Эйнштейна – Подольского – Розена

Путешествия во времени

Время Эйнштейна

Нечто из ничего

Кот Шрёдингера

Соучастная Вселенная

Глава десятая Где собака зарыта

Парадокс спина

Загадка поляризации

Эксперимент Белла

Доказательство

Что это означает?

Подтверждение и практическое применение

Глава одиннадцатая Множество миров

Кто наблюдает за наблюдателями?

Коты Шрёдингера

Превосходя научную фантастику

Превосходя Эйнштейна?

Второй взгляд

Превосходя Эверетта

Наше особенное место

Эпилог Неоконченное дело

Искривленное пространство-время

Нарушенная симметрия

Супергравитация

Является ли вселенная флуктуацией вакуума?

Инфляция и Вселенная

Кода Обращаясь к современности

Примечания

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

61

62

63

64

65

66

67

68

69

70

71

72

73

74

75

76

77

78

79

80

81

82

83

84

85

86

В поисках кота Шрёдингера. Квантовая физика и реальность

Мир квантов так необычен, что даже Альберт Эйнштейн счел его непонятным и отказался признавать следствия теории, выведенные в 1920-х годах австрийцем Эрвином Шрёдингером и его коллегами. Тем не менее, эта теория и ее уравнения легли в основу всей современной науки, «полной красот, таинств и сюрпризов». Автор книги, известный английский ученый, узнал это «более 20 лет назад, еще в школе, когда теория оболочечного строения атома магическим образом объяснила всю периодическую систему элементов и практически всю химию, с которой я мучился на множестве скучных уроков». Вдохновленный собственным открытием, школьник начал «копать дальше» и окончательно убедился в блистательном союзе ума, красоты и простоты, существующем в подлинной науке, которую «слишком многие учителя случайно или нарочно скрывают от своих учеников». Конечно, дальнейший путь по научной стезе не проходил в состоянии первичной эйфории, но кто однажды познал такое состояние на основе ученых упражнений, тот не свернет с избранного пути – «в поисках кота Шрёдингера». Легендарный кот сидит в легендарной комнате как часть реального мира, зависимая, как и все в реальности, от воздействия обстоятельств, вернее, от их возможного воздействия. Но… существует ли реальность? И исчерпывается ли вероятность возможного пятьюдесятью процентами по схеме «да – нет»: если случится одно, то следствие будет такое-то, а если случится другое – то и следствие будет другое? Теоретики квантовой механики в ее чистой версии утверждают, что «ничто не реально, пока не установлено наблюдение». При этом «составляющие Вселенную частицы неразрывно связаны друг с другом, и каждая знает, что происходит с другими». Книга – о том, как возникла и что успела натворить квантовая теория в области компьютеров, телевидения, атомного оружия, молекулярной биологии и т.д.

В поисках кота Шредингера

Парадоксы и странности квантовой теории.

Гриббин Д. «В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность» Рипол классик, 2017 год, 352 стр., ISBN: 978-5-386-09614-4; (2,40 мб. fb2 + 2,44 мб. pdf)

Сейчас существует множество научных трудов по квантовой теории и теории относительности. Но большинство этих книг специализированы и специфичны, а потому доступны для восприятия только узкому кругу специалистов и научных работников. В представленной книге автор попытался рассказать о сложной теме простым языком (насколько возможно), без специальных математических выкладок.

«В поисках кота Шредингера», Джона Гриббина, считается одной из наиболее удачных популяризаций современной физики. В ней изложена история квантовой механики, взгляды на строение атома, природа радиации, рассмотрены вопросы путешествиях во времени и рождении Вселенной.

Автор ставит вопрос: «Что такое реальность? Определена ли она?» – и делится неожиданным выводам. Показывается вся удивительность, странность и парадоксальность следствий, которые вытекают из принятия квантовой теории. Книга ориентирована на читателей, интересующихся современной наукой.

Оглавление книги

Содержание.

Введение 5
Пролог. Ничто не реально 6

Часть первая. Квант 7
Глава первая. Свет 7
Глава вторая. Атомы 15
Глава третья. Свет и атомы 22
Глава четвертая. Атом бора 31

Часть вторая. Квантовая механика 47
Глава пятая. Фотоны и электроны 47
Глава шестая. Матрицы и волны 58
Глава седьмая. На кухне с квантом 70

Часть третья. …И не только 87
Глава восьмая. Случайность и неопределенность 88
Глава девятая. Парадоксы и возможности 100
Глава десятая. Где собака зарыта 126
Глава одиннадцатая. Множество миров 137

Эпилог. Неоконченное дело 148
Искривленное пространство — время 152
Нарушенная симметрия 153
Супергравитация 156
Является ли вселенная флуктуацией вакуума? 159
Инфляция и Вселенная 160
Когда. Обращаясь к современности 161

Похожая литература

388

Этот поворот парадокса кота Шредингера имеет большое значение для квантовой теории

Каково это — быть одновременно живым и мертвым?

Этот вопрос раздражал и вдохновлял венгерско-американского физика Юджина Вигнера в 1960-х годах. Его разочаровали парадоксы, возникающие из капризов квантовой механики — теории, управляющей микроскопической областью, которая предполагает, среди многих других противоречивых вещей, что пока квантовая система не наблюдается, она не обязательно имеет определенные свойства.Возьмем, к примеру, знаменитый мысленный эксперимент его коллеги-физика Эрвина Шредингера, в котором кошка оказывается в ящике с ядом, который выделяется при распаде радиоактивного атома. Радиоактивность — это квантовый процесс, поэтому история гласит, что еще до того, как ящик открылся, атом распался и не распался, оставив несчастную кошку в подвешенном состоянии — так называемая суперпозиция между жизнью и смертью. Но переживает ли кошка нахождение в суперпозиции?

Вигнер обострил парадокс, представив своего друга (человека) в лаборатории, измеряющего квантовую систему.Он утверждал, что абсурдно утверждать, что его друг существует в суперпозиции, состоящей из того, что он видел и не видел разложения, пока Вигнер не откроет дверь лаборатории. «Мысленный эксперимент« друга Вигнера »показывает, что все может стать очень странным, если наблюдатель также будет наблюдать», — говорит Нора Тишлер, квантовый физик из Университета Гриффита в Брисбене, Австралия.

Теперь Тишлер и ее коллеги провели версию теста друга Вигнера. Объединив классический мысленный эксперимент с другой квантовой головной болью, называемой запутанностью — феноменом, который связывает частицы на огромных расстояниях — они также вывели новую теорему, которая, как они утверждают, накладывает самые сильные ограничения на фундаментальную природу реальности.Их исследование, опубликованное 17 августа в Nature Physics , имеет значение для роли, которую сознание может играть в квантовой физике, и даже для того, нужно ли заменить квантовую теорию.

Новая работа — «важный шаг вперед в области экспериментальной метафизики», — говорит квантовый физик Эфраим Стейнберг из Университета Торонто, который не принимал участия в исследовании. «Это начало того, что, как я ожидаю, будет огромной исследовательской программой».

Дело вкуса

До появления квантовой физики в 1920-х годах физики ожидали, что их теории будут детерминированными, с уверенностью производящими предсказания результатов экспериментов.Но квантовая теория кажется вероятностной по своей сути. Версия из учебника — иногда называемая копенгагенской интерпретацией — гласит, что до тех пор, пока свойства системы не будут измерены, они могут охватывать множество значений. Эта суперпозиция схлопывается в единственное состояние только тогда, когда система наблюдается, и физики никогда не могут точно предсказать, каким будет это состояние. Вигнер придерживался популярной тогда точки зрения, согласно которой сознание каким-то образом вызывает коллапс суперпозиции. Таким образом, его гипотетический друг мог бы различить определенный результат, когда она или он проводил измерения, и Вигнер никогда не увидел бы ее или его в суперпозиции.

С тех пор эта точка зрения перестала быть популярной. «Сторонники квантовой механики быстро отвергают точку зрения Вигнера как призрачную и неопределенную, потому что она делает наблюдателей особенными, — говорит Дэвид Чалмерс, философ и ученый-когнитивист из Нью-Йоркского университета. Сегодня большинство физиков сходятся во мнении, что неодушевленные объекты могут вывести квантовые системы из суперпозиции посредством процесса, известного как декогеренция. Конечно, исследователи, пытающиеся манипулировать сложными квантовыми суперпозициями в лаборатории, могут обнаружить, что их тяжелая работа разрушена быстрыми частицами воздуха, сталкивающимися с их системами.Поэтому они проводят свои испытания при ультрахолодных температурах и стараются изолировать свои устройства от вибраций.

За десятилетия появилось несколько конкурирующих квантовых интерпретаций, в которых используются менее мистические механизмы, такие как декогеренция, для объяснения того, как суперпозиции разрушаются без привлечения сознания. Другие интерпретации придерживаются еще более радикальной позиции, что никакого коллапса нет. У каждого есть свой необычный и замечательный подход к тесту Вигнера. Самой экзотической является точка зрения «множества миров», которая гласит, что всякий раз, когда вы производите квантовое измерение, реальность ломается, создавая параллельные вселенные, чтобы учесть все возможные исходы.Таким образом, друг Вигнера разделился на две копии, и, «с помощью достаточно хорошей супертехнологии», он действительно мог измерить суперпозицию этого человека извне лаборатории, говорит квантовый физик и поклонник многих миров Лев Вайдман из Тель-Авивского университета.

Альтернативная «бомовская» теория (названная в честь физика Дэвида Бома) утверждает, что на фундаментальном уровне квантовые системы действительно обладают определенными свойствами; мы просто недостаточно знаем об этих системах, чтобы точно предсказать их поведение. В этом случае у друга есть единственный опыт, но Вигнер все еще может измерить, что этот человек находится в суперпозиции из-за своего собственного невежества.Напротив, относительный новичок в блоке, называемый интерпретацией QBism, полностью охватывает вероятностный элемент квантовой теории (QBism, произносится как «кубизм», на самом деле является сокращением от квантового байесовства, отсылки к работе математика 18-го века Томаса Байеса о вероятности). QBists утверждают, что человек может использовать квантовую механику только для расчета того, как откалибровать свои убеждения о том, что он или она будет измерять в эксперименте. «Результаты измерения должны рассматриваться как личные дела агента, который проводит измерения», — говорит Рюдигер Шак из Royal Holloway, Лондонский университет, который является одним из основателей QBism.Согласно принципам QBism, квантовая теория не может ничего рассказать вам о состоянии реальности, а Вигнер не может использовать ее, чтобы строить предположения на опыте своего друга.

Другая интригующая интерпретация, называемая ретропричинностью, позволяет событиям в будущем влиять на прошлое. «В ретропричинной оценке друг Вигнера действительно что-то переживает», — говорит Кен Уортон, физик из Университета Сан-Хосе, который является сторонником этой поворотной точки зрения. Но то «что-то», которое испытывает друг в точке измерения, может зависеть от выбора Вигнером того, как наблюдать за этим человеком позже.

Проблема в том, что каждая интерпретация одинаково хороша или плоха для предсказания результатов квантовых тестов, поэтому выбор между ними зависит от вкуса. «Никто не знает, какое решение есть», — говорит Стейнберг. «Мы даже не знаем, является ли список возможных решений, которые у нас есть, исчерпывающим».

Другие модели, называемые теориями коллапса, действительно делают предсказания, которые можно проверить. Эти модели используют механизм, который заставляет квантовую систему коллапсировать, когда она становится слишком большой, объясняя, почему кошки, люди и другие макроскопические объекты не могут находиться в суперпозиции.Ведутся эксперименты по поиску сигнатур таких обрушений, но пока ничего не нашли. Квантовые физики также помещают все более крупные объекты в суперпозицию: в прошлом году группа из Вены сообщила, что сделала это с молекулой из 2000 атомов. Большинство квантовых интерпретаций говорят, что нет причин, по которым эти усилия по увеличению суперпозиций не должны продолжаться вечно, предполагая, что исследователи могут разработать правильные эксперименты в чистых лабораторных условиях, чтобы можно было избежать декогеренции. Теории коллапса, однако, постулируют, что предел однажды будет достигнут, независимо от того, насколько тщательно готовятся эксперименты. «Если вы попытаетесь манипулировать классическим наблюдателем — скажем, человеком — и рассматривать его как квантовую систему, она немедленно рухнет», — говорит Анджело Басси, квантовый физик и сторонник теорий коллапса из Университета Триеста в Италии.

Как посмотреть на друга Вигнера

Тишлер и ее коллеги считали, что анализ и выполнение эксперимента друга Вигнера может пролить свет на пределы квантовой теории.Их вдохновила новая волна теоретических и экспериментальных работ, в которых исследовалась роль наблюдателя в квантовой теории, привнося запутанность в классическую схему Вигнера. Допустим, вы берете две частицы света или фотоны, поляризованные так, что они могут колебаться горизонтально или вертикально. Фотоны также могут быть помещены в суперпозицию одновременных горизонтальных и вертикальных колебаний, точно так же, как парадоксальная кошка Шредингера может быть и живой, и мертвой до того, как ее заметят.

Такие пары фотонов можно приготовить вместе — запутать — так, чтобы их поляризации всегда находились в противоположном направлении при наблюдении. Это может не показаться странным — если вы не помните, что эти свойства не фиксируются до тех пор, пока не будут измерены. Даже если один фотон передан физику по имени Алиса в Австралии, а другой доставлен ее коллеге Бобу в лабораторию в Вене, запутанность гарантирует, что, как только Алиса наблюдает за своим фотоном и, например, обнаруживает, что его поляризация является горизонтальной. , поляризация фотона Боба мгновенно синхронизируется с вертикальной вибрацией.Поскольку два фотона, кажется, общаются быстрее скорости света — что запрещено его теориями относительности — это явление глубоко обеспокоило Альберта Эйнштейна, который назвал его «жутким действием на расстоянии».

Эти опасения оставались теоретическими до 1960-х годов, когда физик Джон Белл изобрел способ проверить, действительно ли реальность пугает, или может быть более приземленное объяснение корреляции между запутанными партнерами. Белл представил теорию здравого смысла, которая была локальной, то есть такой, в которой влияния не могли перемещаться между частицами мгновенно.Кроме того, она была скорее детерминированной, чем вероятностной по своей природе, поэтому экспериментальные результаты, в принципе, можно было бы с уверенностью предсказать, если бы только физики лучше понимали скрытые свойства системы. И это было реалистично, что для квантового теоретика означает, что системы обладали бы этими определенными свойствами, даже если бы на них никто не смотрел. Затем Белл вычислил максимальный уровень корреляции между серией запутанных частиц, который могла поддержать такая локальная, детерминированная и реалистичная теория.Если этот порог был нарушен в эксперименте, то одно из предположений, лежащих в основе теории, должно быть ложным.

С тех пор были проведены такие «испытания Bell», в 2015 году была проведена серия водонепроницаемых версий, и они подтвердили жуткость реальности. «Квантовые основы — это область, которая действительно была начата экспериментально [теоремой] Белла, которой уже более 50 лет. И мы потратили много времени на повторную реализацию этих экспериментов и обсуждение их значения », — говорит Стейнберг. «Очень редко люди могут придумать новый тест, выходящий за рамки Bell.”

Целью команды из Брисбена было вывести и проверить новую теорему, которая позволила бы сделать именно это, предоставляя еще более строгие ограничения — границы «локального дружелюбия» — на природу реальности. Как и теория Белла, воображаемая теория исследователей локальна. Они также прямо запрещают «супердетерминизм» — то есть они настаивают на том, что экспериментаторы могут выбирать, что измерять, без влияния событий в будущем или далеком прошлом. (Белл неявно предполагал, что экспериментаторы тоже могут делать свободный выбор.Наконец, команда предписывает, что, когда наблюдатель производит измерение, результатом является реальное, единственное событие в мире — оно не относится ни к кому или к чему-либо.

Для проверки дружелюбия местных жителей требуется хитрая установка с участием двух «супер-наблюдателей», Алисы и Боба (которые играют роль Вигнера), наблюдающих за своими друзьями Чарли и Дебби. У Алисы и Боба есть собственный интерферометр — устройство, используемое для управления пучками фотонов. Перед измерением поляризации фотонов находятся в суперпозиции как горизонтальной, так и вертикальной.Пары запутанных фотонов подготавливаются таким образом, что, если измеренная поляризация одного из них является горизонтальной, поляризация его партнера должна немедленно измениться на вертикальную. Один фотон от каждой запутанной пары отправляется в интерферометр Алисы, а его партнер отправляется в интерферометр Боба. В этом тесте Чарли и Дебби на самом деле не друзья-люди. Скорее, они представляют собой вытеснители пучка в передней части каждого интерферометра. Когда фотон Алисы попадает в вытеснитель, его поляризация эффективно измеряется, и он отклоняется влево или вправо, в зависимости от направления поляризации, в которую он входит.Это действие играет роль друга Алисы Чарли, «измеряющего» поляризацию. (Дебби также находится в интерферометре Боба.)

Затем Алиса должна сделать выбор: она может немедленно измерить новый отклоненный путь фотона, что было бы равносильно открытию двери лаборатории и вопросу у Чарли, что он видел. Или она может позволить фотону продолжить свое путешествие, пройдя через второй вытеснитель луча, который рекомбинирует левый и правый пути — это то же самое, что держать дверь лаборатории закрытой.Затем Алиса может непосредственно измерить поляризацию своего фотона на выходе из интерферометра. На протяжении всего эксперимента Алиса и Боб независимо друг от друга выбирают, какие измерения следует сделать, а затем сравнивают записи, чтобы вычислить корреляции, наблюдаемые в серии запутанных пар.

Тишлер и ее коллеги провели 90 000 запусков эксперимента. Как и ожидалось, корреляции нарушили исходные границы Белла — и, что очень важно, они также нарушили новый порог локального удобства. Команда также могла изменить настройку, чтобы уменьшить степень запутанности между фотонами, отправив одну из пары в объезд, прежде чем она войдет в свой интерферометр, мягко нарушив идеальную гармонию между партнерами.Когда исследователи провели эксперимент с этим немного более низким уровнем запутанности, они обнаружили точку, в которой корреляции все еще нарушали границы Белла, но не локальное дружелюбие. Этот результат доказал, что эти два набора оценок не эквивалентны и что новые ограничения локального удобства более сильные, говорит Тишлер. «Если вы их нарушите, вы узнаете больше о реальности», — добавляет она. А именно, если ваша теория утверждает, что «друзей» можно рассматривать как квантовые системы, тогда вы должны либо отказаться от локальности, либо признать, что измерения не имеют единственного результата, с которым должны согласиться наблюдатели, или допустить супердетерминизм.Каждый из этих вариантов имеет серьезные — и, по мнению некоторых физиков, явно неприятные — последствия.

Переосмысление реальности

«Эта статья представляет собой важное философское исследование», — говорит Мишель Рейли, соучредитель Turing, компании, занимающейся квантовыми вычислениями, из Нью-Йорка, которая не принимала участия в работе. Она отмечает, что физики, изучающие квантовые основы, часто изо всех сил пытались придумать выполнимый тест, чтобы подтвердить свои большие идеи. «Я очень рад видеть эксперимент, стоящий за философскими исследованиями», — говорит Рейли.Стейнберг называет эксперимент «чрезвычайно элегантным» и хвалит команду за непосредственное раскрытие тайны роли наблюдателя в измерениях.

Хотя неудивительно, что квантовая механика вынуждает нас отказаться от здравого предположения — физики знали это от Белла, — «прогресс здесь состоит в том, что мы сужаемся к тому, какое из этих предположений оно есть», — говорит Уортон, который также был не является частью исследования. Тем не менее, отмечает он, сторонники большинства квантовых интерпретаций не потеряют сон.Поклонники ретропричинности, такие как он сам, уже примирились с супердетерминизмом: с их точки зрения, не удивительно, что будущие измерения влияют на прошлые результаты. Между тем QBists и приверженцы многих миров давно отказались от требования, согласно которому квантовая механика предписывает единственный результат, с которым должен согласиться каждый наблюдатель.

И как бомовская механика, так и модели спонтанного коллапса уже успешно отказались от локальности в ответ на Белл. Более того, модели коллапса говорят, что настоящим макроскопическим другом нельзя манипулировать как квантовой системой.

Вайдман, который также не принимал участия в новой работе, однако менее воодушевлен ею и критикует отождествление друга Вигнера с фотоном. Методы, использованные в статье, «смехотворны; друг должен быть макроскопическим, — говорит он. Философ физики Тим Модлин из Нью-Йоркского университета, который не участвовал в исследовании, соглашается. «Никто не думает, что фотон является наблюдателем, если только вы не панпсихик», — говорит он. Поскольку ни один физик не задается вопросом, можно ли поместить фотон в суперпозицию, Модлин считает, что в этом эксперименте нет смысла.«Это что-то исключает — просто то, чего никто никогда не предлагал», — говорит он.

Тишлер принимает критику. «Мы не хотим преувеличивать то, что сделали», — говорит она. Ключом к будущим экспериментам станет увеличение размера «друга», — добавляет член группы Говард Вайзман, физик из Университета Гриффита. По его словам, наиболее драматичным результатом будет использование искусственного интеллекта, воплощенного в квантовом компьютере, в качестве друга. Некоторые философы предполагали, что такая машина могла бы иметь человеческий опыт, позиция, известная как сильная гипотеза ИИ, отмечает Уайзман, хотя пока никто не знает, окажется ли эта идея верной.Но если гипотеза верна, этот квантовый общий искусственный интеллект (AGI) будет микроскопическим. Таким образом, с точки зрения моделей спонтанного коллапса, он не вызовет коллапса из-за своего размера. Если бы такой тест был запущен и не было нарушено ограничение локального удобства, этот результат означал бы, что сознание AGI не может быть помещено в суперпозицию. В свою очередь, этот вывод предполагает, что Вигнер был прав в том, что сознание вызывает коллапс. «Не думаю, что доживу до такого эксперимента, — говорит Уайзман.«Но это было бы революционно».

Рейли, однако, предупреждает, что физики, надеясь, что будущий ИИИ поможет им разобраться в фундаментальном описании реальности, ставят телегу впереди лошади. «Для меня не исключено, что квантовые компьютеры станут новой парадигмой, которая приведет нас к ОИИ», — говорит она. «В конечном счете, нам нужна теория всего, чтобы построить ОИИ на квантовом компьютере, точка, точка».

Это требование может исключить более грандиозные планы.Но команда также предлагает более скромные промежуточные тесты с участием систем машинного обучения в качестве друзей, что нравится Стейнбергу. По его словам, такой подход «интересен и провокационен». «Становится возможным, что все более и более крупные вычислительные устройства могут фактически измеряться квантовым способом».

Ренато Реннер, квантовый физик из Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе (ETH Zurich), делает еще более сильное заявление: независимо от того, можно ли проводить будущие эксперименты, по его словам, новая теорема говорит нам, что квантовая механика должна быть заменены.В 2018 году Реннер и его коллега Даниэла Фраучигер, тогда работавшая в ETH Zurich, опубликовали мысленный эксперимент, основанный на друге Вигнера, и использовали его для вывода нового парадокса. Их установка отличается от установки команды из Брисбена, но также включает в себя четырех наблюдателей, измерения которых могут запутаться. Реннер и Фраучигер подсчитали, что, если наблюдатели применяют квантовые законы друг к другу, они могут в конечном итоге получить разные результаты в одном и том же эксперименте.

«Новая статья — еще одно подтверждение того, что у нас есть проблемы с текущей квантовой теорией», — говорит Реннер, который не принимал участия в работе.Он утверждает, что ни одна из сегодняшних квантовых интерпретаций не может выбраться из так называемого парадокса Фраухигера-Реннера, если сторонники не признают, что их не волнует, дает ли квантовая теория последовательные результаты. По словам Реннера, QBists предлагают самые приятные средства для бегства, потому что с самого начала они говорят, что квантовую теорию нельзя использовать для вывода того, что будут измерять другие наблюдатели. «Но это все еще меня беспокоит: если для меня все является личным, как я могу сказать что-нибудь, имеющее отношение к вам?» он добавляет.Реннер сейчас работает над новой теорией, которая предоставляет набор математических правил, которые позволят одному наблюдателю выяснить, что другой должен увидеть в квантовом эксперименте.

Тем не менее, те, кто твердо верит, что их любимая интерпретация верна, не видят особой ценности в исследовании Тишлера. «Если вы думаете, что квантовая механика нездорова и требует замены, тогда это полезно, потому что она сообщает вам о новых ограничениях», — говорит Вайдман. «Но я не согласен, что это так — многие миры все объясняют.”

На данный момент физикам придется продолжать соглашаться, чтобы не прийти к согласию относительно того, какая интерпретация лучше всего или нужна ли совершенно новая теория. «На этом мы остановились в начале 20 века — мы искренне сбиты с толку», — говорит Рейли. «Но эти исследования — как раз то, что нужно сделать, чтобы обдумать это».

Отказ от ответственности: автор часто пишет для Института фундаментальных вопросов, который спонсирует исследования в области физики и космологии и частично финансирует исследование команды Брисбена.

Новый взгляд на кошку Шредингера ломает квантовую механику и ставит физиков в тупик

Кредит: Алексей Исаченко / Алами

В самом известном в мире мысленном эксперименте физик Эрвин Шредингер описал, как кошка в ящике может оказаться в неопределенном затруднительном положении. Своеобразные правила квантовой теории означали, что кошка может быть как мертвой, так и живой, пока коробка не будет открыта и состояние кошки не будет измерено. Теперь два физика изобрели современную версию парадокса, заменив кошку физиком, проводящим эксперименты — с шокирующими последствиями.

Квантовая теория имеет долгую историю мысленных экспериментов, и в большинстве случаев они используются, чтобы указать на слабые места в различных интерпретациях квантовой механики. Но последняя версия, в которой участвуют несколько игроков, необычна: она показывает, что если стандартная интерпретация квантовой механики верна, то разные экспериментаторы могут прийти к противоположным выводам о том, что измерил физик в коробке. Это означает, что квантовая теория противоречит сама себе.

Концептуальный эксперимент с энтузиазмом обсуждался в физических кругах более двух лет — и оставил большинство исследователей в тупике, даже в области, привыкшей к странным концепциям.«Я думаю, что это совершенно новый уровень странностей», — говорит Мэтью Лейфер, физик-теоретик из Университета Чепмена в Ориндж, Калифорния.

Авторы, Даниэла Фраучигер и Ренато Реннер из Швейцарского федерального технологического института (ETH) в Цюрихе, опубликовали свою первую версию аргументации в Интернете в апреле 2016 года. Заключительный документ опубликован в журнале Nature Communications 18 сентября. . (Фраучигер покинула академию.)

Странный мир

Квантовая механика лежит в основе почти всей современной физики, объясняя все, от структуры атомов до того, почему магниты прилипают друг к другу.Но его концептуальные основы по-прежнему заставляют исследователей искать ответы. Его уравнения не могут предсказать точный результат измерения — например, положения электрона — только вероятности того, что он может дать определенные значения.

Квантовые объекты, такие как электроны, поэтому живут в облаке неопределенности, математически закодированной в «волновой функции», которая плавно меняет форму, подобно обычным волнам в море. Но когда измеряется такое свойство, как положение электрона, оно всегда дает одно точное значение (и дает то же значение снова, если измеряется сразу после этого).

Наиболее распространенный способ понимания этого был сформулирован в 1920-х годах пионерами квантовой теории Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом и получил название Копенгагенской интерпретации в честь города, в котором жил Бор. Он говорит, что акт наблюдения квантовой системы заставляет волновую функцию «схлопнуться» с кривой распространения до единственной точки данных.

Копенгагенская интерпретация оставила открытым вопрос, почему разные правила должны применяться к квантовому миру атома и классическому миру лабораторных измерений (и повседневного опыта).Но это также обнадеживает: хотя квантовые объекты живут в неопределенных состояниях, экспериментальное наблюдение происходит в классической сфере и дает однозначные результаты.

Теперь Фраухигер и Реннер вытряхивают физиков из этого успокаивающего положения. Их теоретические рассуждения говорят о том, что основная картина Копенгагена, а также другие интерпретации, которые разделяют некоторые из ее основных предположений, внутренне непоследовательны.

Что в коробке?

Их сценарий значительно более сложен, чем кот Шредингера, предложенный в 1935 году, в котором животное из семейства кошачьих живет в ящике с механизмом, который высвобождает яд на основе случайного явления, такого как распад атомного ядра.В этом случае состояние кошки было неопределенным, пока экспериментатор не открыл коробку и не проверил ее.

В 1967 году венгерский физик Юджин Вигнер предложил версию парадокса, в которой он заменил кошку и яд на друга-физика, который жил в коробке с измерительным прибором, который мог выдать один из двух результатов, например, монету. показывает орла или решку. Коллапсирует ли волновая функция, когда друг Вигнера узнает о результате? Одна школа мысли утверждает, что это так, предполагая, что сознание находится за пределами квантовой области.Но если к физику применима квантовая механика, то он должен находиться в неопределенном состоянии, объединяющем оба результата, пока Вигнер не откроет ящик.

У Фраухигера и Реннера есть еще более изощренная версия (см. «Новые кошки в городе»). У них есть два Вигнера, каждый из которых проводит эксперимент над своим другом-физиком, которого они держат в ящике. Один из двух друзей (назовите ее Алисой) может подбросить монетку и — используя свои знания квантовой физики — подготовить квантовое сообщение для отправки другому другу (назовите его Боб).Используя свои знания квантовой теории, Боб может обнаружить сообщение Алисы и угадать результат ее подбрасывания монеты. Когда два Вигнера открывают свои ящики, в некоторых ситуациях они могут с уверенностью сделать вывод, на какую сторону приземлилась монета, говорит Реннер, но иногда их выводы противоречивы. «Один говорит:« Я уверен, что это решка », а другой говорит:« Я уверен, что это решка », — говорит Реннер.

Эксперимент не может быть осуществлен на практике, потому что он потребовал бы от Вигнеров измерить все квантовые свойства своих друзей, включая чтение их мыслей, отмечает теоретик Лидия Дель Рио, коллега Реннера из ETH Zurich.

Тем не менее, можно было бы заставить два квантовых компьютера играть роли Алисы и Боба: логика аргумента требует только, чтобы они знали правила физики и принимали решения на их основе, и в принципе можно обнаружить полную квантовую систему. состояние квантового компьютера. (Квантовые компьютеры, достаточно сложные, чтобы делать это, пока не существуют, — отмечает Реннер.)

Дуэльные интерпретации

Физики все еще пытаются понять значение результата.Это вызвало бурную реакцию со стороны экспертов по основам квантовой теории, многие из которых склонны защищать свою любимую интерпретацию. «Некоторые становятся эмоциональными, — говорит Реннер. И разные исследователи склонны делать разные выводы. «Большинство людей утверждают, что эксперимент показывает, что их интерпретация является единственно верной».

По мнению Лейфера, получение противоречивых результатов не обязательно должно быть препятствием для сделки. Некоторые интерпретации квантовой механики уже допускают взгляды на реальность, зависящие от перспективы.По его словам, это может быть менее неприятно, чем признание того, что квантовая теория неприменима к таким сложным вещам, как люди.

Роберт Спеккенс, физик-теоретик из Института теоретической физики Периметра в Ватерлоо, Канада, говорит, что выход из парадокса может скрываться в некоторых тонких допущениях в аргументе, в частности, в общении между Алисой и Бобом.

«На мой взгляд, во многих ситуациях принятие чьих-либо знаний требует некоторого перевода их знаний.«Возможно, несоответствие возникает из-за того, что Боб неправильно интерпретирует сообщение Алисы», — говорит он. Но признает, что решения пока не нашел.

А пока физики, скорее всего, продолжат споры. «Я не думаю, что мы поняли это, — говорит Лейфер.

Beyond Weird: Decoherence, Quantum Weirdness, and Schrödinger’s Cat

Ранее я предположил, что единственное, что «все знают» о квантовой механике, — это то, что квантовый мир нечеткий и неопределенный.Собственно, есть еще кое-что. «Все» слышали о кошке Шредингера.

Вот почему про это так много шуток. Шредингер едет, когда его останавливает полицейский. Офицер осматривает машину и спрашивает Шредингера, есть ли у него что-нибудь в багажнике.

«Кот», — отвечает Шредингер.

Полицейский открывает багажник и кричит: «Эй! Этот кот мертв! »

Шредингер сердито отвечает: «Ну, теперь он».

Что же касается шуток о физике, то все не так уж и плохо.По крайней мере, это иллюстрирует, какую хорошую работу сделал Шредингер, найдя изображение, достаточно броское, чтобы стать культурным мемом.

Можно даже сказать, что он был слишком успешным. Кошку по-прежнему вытаскивают сегодня, как будто намереваясь, как и прежде, озадачить нас тем фактом, что квантовый мир в малых масштабах превращается в мир классической физики в человеческих масштабах. Однако на самом деле этот так называемый квантово-классический переход в настоящее время в значительной степени изучен.Все идет своим чередом, и мы можем сказать гораздо точнее, чем Шредингер и его современники, почему и как квант становится классическим. Ответ элегантен и довольно удивителен.

Ведь квантовая физика не заменяется другим видом физики в больших масштабах. Фактически это дает начало классической физике. С этой точки зрения, наша повседневная реальность, основанная на здравом смысле, — это просто то, на что похожа квантовая механика, когда вы ростом шесть футов. Вы можете сказать, что он квантовый.

Вопрос не в том, почему квантовый мир «странный», а в том, почему наш тоже не выглядит таким.

Во времена Шредингера прохождение квантово-классического перехода казалось пересечением океана между двумя континентами: рисование границы где-нибудь в открытом море может быть произвольным упражнением, но континенты, несомненно, различны. Страна квантов, сказал Шредингер, случайна и непредсказуема, но классическая область упорядочена и детерминирована, потому что она зависит только от статистических закономерностей в этом хаосе атомного масштаба.

Шредингер придумал свой «дьявольский» (по его словам) мысленный эксперимент в 1935 году. Он был задуман как вызов интерпретации квантовой механики Нильсом Бором, к которой Шредингер разделял большую часть скептицизма Альберта Эйнштейна.

Для Бора было очень хорошо наложить строгое разделение на квантовое и классическое и сделать наблюдение процессом, которым они различаются, — но что же тогда, если квантовое и макроскопическое связаны без какого-либо наблюдения? Шредингер искал то, что он назвал «нелепым случаем»: reductio ad absurdum, не следует понимать буквально, в котором мы сталкиваемся с суперпозицией макроскопических состояний, которая кажется не просто странной (например, большой объект находится в «двух места сразу »), но логически несовместимы.Эйнштейн высказал предположение, что бочонок с порохом находится в суперпозиции взорванного и невзорвавшегося состояний, а Шредингер повысил ставку со своей кошкой, чья жизнь или смерть связана с квантовым событием, таким как радиоактивный распад атома. Если, как сказал Бор, состояние атома не определено (в суперпозиции), пока мы не посмотрим, то таким же должно быть состояние кошки.

Кот Шредингера заставляет нас переосмыслить вопрос о том, что отличает квантовое поведение от классического. Почему мы должны соглашаться с утверждением Бора о том, что это принципиально разные вещи, если мы не можем указать, в чем это различие?

Тогда мы могли бы быть склонны указать на особенности, которые есть у классических объектов, таких как кофейные чашки, но которые не обязательно имеют квантовые объекты: скажем, четко определенные положения и скорости или характеристики, которые локализованы на самом объекте и не распространяются. загадочно через космос.Или мы могли бы сказать, что классический мир определяется определенностью, в то время как квантовый мир (до тех пор, пока классическое измерение не столкнется с ним) не более чем гобелен вероятностей, с индивидуальными результатами измерения, определяемыми случайностью. Однако в основе различия лежит тот факт, что квантовые объекты имеют волновую природу — то есть уравнение, которое Шредингер разработал в 1924 году для количественной оценки их поведения, говорит нам, что их следует описывать так, как если бы они были волнами, хотя и волнами. своеобразного абстрактного вида, которые указывают только на вероятности.

Именно эта волнистость порождает отчетливо квантовые явления, такие как интерференция, суперпозиция и запутанность. Такое поведение становится возможным, когда существует четко определенная взаимосвязь между квантовыми «волнами»: фактически, когда они идут в ногу. Эта координация называется «согласованностью».

Эта концепция пришла из науки об обычных волнах. И здесь упорядоченная интерференция волн (например, от двойных щелей) происходит только при наличии когерентности в колебаниях интерферирующих волн.В противном случае не может быть систематического совпадения пиков и впадин и регулярной интерференционной картины, а только случайные, безликие изменения в результирующей амплитуде волны.

Чтение: экспериментальный импульс для квантовой странности

Точно так же, если квантовые волновые функции двух состояний не когерентны, они не могут ни интерферировать, ни поддерживать суперпозицию. Следовательно, потеря когерентности (декогеренция) разрушает эти фундаментально квантовые свойства, и состояния ведут себя больше как отдельные классические системы.Макроскопические классические объекты не проявляют квантовой интерференции и не существуют в суперпозициях состояний, потому что их волновые функции некогерентны.

Обратите внимание, как я это сформулировал. По-прежнему имеет смысл думать об этих объектах как об имеющих волновые функции. В конце концов, они состоят из квантовых объектов и поэтому могут быть выражены как комбинация соответствующих волновых функций. Просто волновые функции различных состояний макроскопических объектов, таких как чашка кофе, находящаяся в том или ином месте, не связаны.Квантовая когерентность — это, по сути, то, что позволяет «квантовость».

Нет причины (о которой мы еще не знаем), почему в принципе объекты не могут оставаться в когерентных квантовых состояниях, независимо от их размера, при условии, что на них не производятся измерения. Но кажется, что измерения каким-то образом разрушают квантовую когерентность, заставляя нас говорить о волновой функции как о «схлопнувшемся». Если мы сможем понять, как измерение разрушает когерентность, то мы сможем ввести само измерение в рамки квантовой теории, а не делать его границей, на которой теория останавливается.

Решающим фактором в понимании квантовой декогеренции является то, что вездесущая сущность присутствует, но в значительной степени игнорируется во всех научных исследованиях: окружающая среда. Каждая реальная система во Вселенной находится где-то в окружении других вещей и взаимодействует с ними. Кошку Шредингера можно поместить в запечатанный ящик, но там должен быть воздух, чтобы кошка могла остаться в живых. А кошка отдыхает на какой-то поверхности, обмениваясь с ней теплом.

В квантовой механике окружающая среда играет центральную роль в том, как все происходит.Оказывается, именно это и вызывает иллюзию классической физики из квантового супа.

Часто предполагают, что квантовые состояния, такие как суперпозиции, являются хрупкими и хрупкими. Поместите их в шумную среду (как гласит история), и все эти тряски и тряски окружающей среды разрушают эти хрупкие квантовые состояния, коллапсируя волновые функции и разрушая суперпозиции. Но это не совсем так. В самом деле, почему квантовые состояния должны быть хрупкими, если квантовая механика дает наиболее фундаментальное описание Вселенной? Что это за законы, если они так легко избавляются от призрака?

Правда в том, что они этого не делают.Квантовые суперпозиции состояний не хрупкие. Напротив, они очень заразны и быстро распространяются. И это, кажется, их и уничтожает.

Если квантовая система в наложенном состоянии взаимодействует с другой частицей, эти две частицы становятся связанными в составную суперпозицию. Именно это и есть квантовая запутанность: наложение двух частиц, взаимодействие которых превратило их в единую квантовую сущность. То же самое и с квантовой частицей, от которой, скажем, отскакивает фотон света: фотон и частица могут тогда запутаться.Точно так же, если частица сталкивается с молекулой воздуха, взаимодействие переводит два объекта в запутанное состояние. Фактически, это единственное, что может произойти при таком взаимодействии согласно квантовой механике. Можно сказать, что в результате квантовость — когерентность — распространяется немного дальше.

Теоретически этому процессу нет конца. Эта запутанная молекула воздуха попадает в другую, и вторая молекула также оказывается запутанной. По прошествии времени исходная квантовая система становится все более и более запутанной со своим окружением.Фактически, тогда у нас больше нет четко определенной квантовой системы, встроенной в окружающую среду. Скорее система и среда слились в одну суперпозицию.

Таким образом, квантовые суперпозиции не разрушаются окружающей средой, а, наоборот, заражают окружающую среду своей квантовостью, постепенно превращая весь мир в одно большое квантовое состояние.

Это распространение и есть то, что разрушает проявление суперпозиции в исходной квантовой системе.Поскольку суперпозиция теперь является общим свойством системы и ее окружения, мы больше не можем «видеть» суперпозицию, просто глядя на ее небольшую часть. За деревьями леса не видно. То, что мы понимаем под декогеренцией, на самом деле не является потерей суперпозиции, а потерей нашей способности обнаруживать ее в исходной системе.

Прочтите: аргументы против реальности

Только внимательно изучив состояния всех этих запутанных частиц в системе и ее окружении, мы можем сделать вывод, что они находятся в когерентной суперпозиции.И как мы можем надеяться на это — отслеживать каждый отраженный фотон, каждую сталкивающуюся молекулу воздуха? Нет — как только квантовость просочится в окружающую среду, в целом мы никогда не сможем сконцентрировать суперпозицию обратно в исходной системе.

Декогеренция, таким образом, представляет собой постепенное и реальное физическое событие, которое происходит с определенной скоростью. Для некоторых относительно простых систем мы можем использовать квантовую механику для расчета этой скорости: чтобы определить, сколько времени требуется для декогеренции, чтобы саботировать возможность наблюдения, скажем, интерференции между волновыми функциями квантового объекта в двух разных положениях.Чем дальше друг от друга в пространстве эти две позиции, тем быстрее когерентность между ними запутается в окружающей среде и просочится в нее.

Возьмите микроскопическую крупинку пыли, плавающую в воздухе моего кабинета, размером в сотую миллиметра в поперечнике. Как быстро декогерируются две позиции зерна, если их разделение (скажем) примерно того же размера, что и ширина самого зерна, так что они не перекрываются? Пока не обращайте внимания на фотоны — допустим, в комнате темно — и просто подумайте о взаимодействиях между зерном и всеми молекулами воздуха вокруг него.Квантовые расчеты показывают, что тогда декогеренция занимает примерно 10 ^-31 секунд.

Это настолько коротко, что мы почти можем сказать, что декогеренция происходит мгновенно. Это происходит менее чем за миллионную часть времени, необходимого фотону, движущемуся со скоростью света, чтобы пройти от одной стороны одного протона к другой. Так что, если вы думаете, что увидите квантовую суперпозицию неперекрывающихся состояний пылинки в моем исследовании, подумайте еще раз.

Для микроскопических объектов мы действительно можем избежать декогеренции.В этом весь смысл — вот почему мы действительно можем проводить эксперименты с атомами, субатомными частицами и фотонами, которые показывают, что они находятся в квантовых суперпозициях. Для большой молекулы (скажем, размером с белок) декогеренция происходит в течение 10 ^-19 секунд, если бы она плавала в воздухе вокруг нас, но в идеальном вакууме при той же температуре она могла бы оставаться когерентной более чем неделя.

Декогеренция — это то, что разрушает возможность наблюдения макроскопических суперпозиций, включая живую / мертвую кошку Шредингера.И это не имеет ничего общего с наблюдением в обычном смысле слова: нам не нужен сознательный разум, чтобы «смотреть», чтобы «схлопнуть волновую функцию». Все, что нам нужно, — это окружающая среда, чтобы рассеять квантовую когерентность. Мы получаем классическую уникальность из квантовой множественности, когда декогеренция взяла свое.

Эйнштейн однажды выразил свое недовольство позицией Бора относительно квантовых странностей молодому физику Абрахаму Пайсу. «Я помню, — писал Пайс, — что во время одной прогулки Эйнштейн внезапно остановился, повернулся ко мне и спросил, действительно ли я верю, что Луна существует, только когда я смотрю на нее.«С пониманием декогеренции у нас есть ответ на вопрос Эйнштейна. Да, он появляется тогда, когда его никто не наблюдает, потому что окружающая среда уже и непрестанно его «измеряет». Все фотоны солнечного света, которые отражаются от Луны, являются агентами декогеренции и более чем достаточны, чтобы зафиксировать ее положение в пространстве и придать ей четкие очертания. Вселенная всегда ищет.

Этот пост адаптирован из новой книги Болла « Beyond Weird: Почему все, что вы думали, что вы знали о квантовой физике, отличается».

Что мы ошибаемся насчет кота Шредингера?

Если вы настроите квантовую систему, в которой результат затем определяет что-то макроскопическое, например … [+] жизнь или смерть кошки в коробке, вы можете интуитивно догадаться, что это означает, что пока вы не откроете коробку, кошка останется в суперпозиции мертвого и живого состояний. Настоящая история намного богаче.

Одна из самых причудливых идей о квантовой Вселенной — понятие неопределенных состояний.В нашей обычной макроскопической Вселенной мы привыкли к тому, что вещи просто существуют определенным, непротиворечивым образом. Смотрим мы на что-то или нет, оно просто существует, независимо от наших наблюдений. Но в квантовой Вселенной отдельные системы демонстрируют разное поведение в зависимости от того, измеряете вы их или нет. Возможно, самая известная популяризация этой идеи происходит в форме кота Шредингера, где система устроена так, что если радиоактивный атом распадается, кошка умирает, а если нет, то кошка живет.Но вокруг этого эксперимента больше мифов, чем правды, и Дэйв Вагнер хочет, чтобы мы распутали их, предлагая:

Я как раз читал одну из ваших статей «Топ n мифов / недоразумений о …» и подумал, что хорошей идеей для одной будет «Топ n мифов / недоразумений о коте Шредингера».

Давайте посмотрим, что на самом деле происходит за этим знаменитым мысленным экспериментом.

Электроны обладают волновыми свойствами, а также свойствами частиц, и их можно использовать для построения… [+] изображения или зондирование размеров частиц не хуже света. Здесь вы можете увидеть результаты эксперимента, в котором электроны (или, с эквивалентными результатами, фотоны) запускаются по одному через двойную щель. Как только будет выпущено достаточное количество электронов, можно отчетливо увидеть интерференционную картину.

Прежде всего, важно понять, откуда взялась идея кота Шредингера: настоящий физический эксперимент с однозначными, но очень неинтуитивными результатами.Все, что вам нужно сделать, это направить свет на две тонкие, близко расположенные щели и наблюдать, какой визуальный узор появляется на экране с другой стороны. Пока ваш свет имеет одинаковую длину волны и вы смотрите только на экран, вы получите интерференционную картину или альтернативный набор из множества светлых и темных полос.

Но если вы затем осознаете, «эй, свет состоит из фотонов, и каждый отдельный фотон должен пройти через одну или другую щель», вы начнете видеть странность в игре.Даже посылка фотонов по одному по-прежнему дает вам интерференционную картину. И тогда у вас появляется прекрасная идея измерить, через какую щель проходит каждый фотон. Как только вы это сделаете — и вы добьетесь успеха, интерференционная картина исчезнет.

Если вы измеряете, через какую щель проходит электрон при проведении эксперимента с двумя … [+] щелями по одной частице за раз, вы не получите интерференционной картины на экране позади него. Вместо этого электроны (или фотоны) ведут себя не как волны, а как классические частицы.

Как нам понять это? Этот эксперимент во многих отношениях является наивысшей иллюстрацией того, как работает квантовая физика, а также того, почему это так странно. Как будто отдельные кванты сами ведут себя как волны и интерферируют сами с собой, проходя через обе щели одновременно и создавая наблюдаемую картину. Но если вы осмеливаетесь пойти и измерить их — а значит, определить, через какую щель они проходят — они проходят только через одну или другую щель и больше не создают этих помех.

Это проясняет одну вещь: акт наблюдения квантовой системы на самом деле может очень сильно изменить результат. Но это, как и большинство открытий в физике, вызывает только больше вопросов. При каких условиях наблюдение меняет результат? Что составляет наблюдение? И должен ли человек быть «наблюдателем», или может хватить неорганического, неживого измерения?

Результаты «замаскированного» эксперимента с двумя щелями. Учтите, что когда прорезь первая (P1), то вторая… [+] прорезь (P2) или обе прорези (P12) открыты, шаблон, который вы видите, сильно различается в зависимости от того, доступны ли одна или две прорези.

Это все хорошие вопросы, и именно размышления над этими проблемами привели Эрвина Шредингера к формулированию своего знаменитого кошачьего парадокса. Это выглядит примерно так:

• вы настраиваете закрытую систему, т.е. ящик,
• , где внутри коробки находится квантовая система, подобная одиночному радиоактивному атому,
• и когда атом распадается, открывается дверь,
• за этой дверью — отравленный корм для кошек,
• , а также в коробке кот, который будет есть еду, когда она станет доступной,
• , так что вы ждете один период полураспада,
• , а затем вы задаете ключевой вопрос: кошка жива или мертва?

Вот и все.Это полная идея мысленного эксперимента с кошкой Шредингера.

Кот жив или мертв? Хотя мы можем подумать, что сама кошка находится в суперпозиции … [+] мертвых и живых состояний, пока мы не откроем коробку, это ошибочное мышление, которое сохраняется многие десятилетия, несмотря на то, что сам Шредингер никогда не утверждал такого.

Итак, что происходит, когда вы открываете коробку?

Открытие коробки должно быть эквивалентно наблюдению, поэтому либо:

1. вы найдете мертвую кошку, которая съела пищу, обнаруженную при распаде радиоактивного атома, или
2. : вы найдете живого кота, в котором не было обнаружено еды и исходный радиоактивный атом еще не распался.

Но прежде чем вы откроете коробку — потому что так работают квантовые системы — система кошка / еда / атом должна находиться в суперпозиции обоих состояний. Существует лишь неопределенная вероятность того, что атом распался, и поэтому атом должен одновременно находиться в суперпозиции распавшегося и нераспавшегося состояний. Поскольку распад атома управляет дверью, дверь контролирует пищу, а еда определяет, будет ли кошка жить или умирает, то сама кошка должна находиться в суперпозиции квантовых состояний.Каким-то образом кошка и частично мертва, и частично жива, пока не будет проведено наблюдение.

В традиционном эксперименте Шредингера с кошкой вы не знаете, произошел ли результат квантового … [+] распада, который привел к гибели кошки или нет. Внутри коробки кот будет либо жив, либо мертв, в зависимости от того, распалась радиоактивная частица или нет. Если бы кошка была настоящей квантовой системой, она была бы ни живой, ни мертвой, а была бы в суперпозиции обоих состояний, пока ее не наблюдали.Однако вы никогда не сможете наблюдать, как кошка одновременно мертва и жива.

И это, в двух словах, самый большой миф и заблуждение, связанное с кошкой Шредингера.

На самом деле, сам Эрвин Шредингер не представил свою «кошачью» идею как предполагаемый эксперимент. Он не придумал его, чтобы задавать глубокие вопросы о роли человека в процессе наблюдения. На самом деле он не утверждал, что кошка сама будет находиться в суперпозиции квантовых состояний, где она частично мертва и частично жива одновременно, так, как фотон частично проходит через обе щели в эксперименте с двумя щелями.

Каждая идея в этом направлении сама по себе является мифом и заблуждением, которое противоречит первоначальной цели Шредингера в проведении этого мысленного эксперимента. Его истинная цель? Чтобы проиллюстрировать, насколько легко прийти к абсурдному предсказанию — например, к предсказанию одновременно полумертвого и полуживого кота — если вы неправильно истолковываете или неправильно понимаете квантовую механику.

Когда вы проводите эксперимент с состоянием кубита, которое начинается как | 10100>, и вы его пропускаете… [+] 10 импульсов ответвителя (т.е. квантовые операции), вы не получите плоское распределение с равными вероятностями для каждого из 10 возможных результатов. Вместо этого некоторые исходы будут иметь аномально высокую вероятность, а некоторые — очень низкую. Измерение результатов работы квантового компьютера может определить, сохраняете ли вы ожидаемое квантовое поведение или теряете его в эксперименте. Поддержание его даже для нескольких кубитов в течение значительного количества времени — одна из самых больших проблем, с которыми сегодня сталкиваются квантовые вычисления; удачи в этом для чего-то столь же сложного, как кошка.

Другими словами, почти все, что вы когда-либо слышали о коте Шредингера, вероятно, является мифом, за единственным исключением того факта, что квантовые системы на самом деле хорошо описываются вероятностно взвешенной суперпозицией всех возможных, допустимых состояний, и что наблюдение или измерение всегда выявляют одно и только одно окончательное состояние.

Это не только верно, но и верно независимо от того, какую квантовую интерпретацию вы выберете.Не имеет значения, выбираете ли вы один результат из множества всех возможных результатов; не имеет значения, сводите ли вы неопределенную волновую функцию к определенному состоянию; не имеет значения, попадаете ли вы в одну конкретную Вселенную из бесконечного набора параллельных Вселенных.

Важно только то, что квантовое наблюдение произошло.

Множественная интерпретация квантовой механики утверждает, что существует бесконечное количество… [+] Существующие параллельные вселенные, содержащие все возможные результаты квантово-механической системы, и которые при наблюдении просто выбирают один путь. Эта интерпретация интересна с философской точки зрения, но наша кошка будет либо мертвой, либо живой, а не суперпозицией того и другого, независимо от поведения стороннего наблюдателя.

На самом деле, кошка сама по себе является прекрасным наблюдателем. Сам факт открытия двери или ворот и срабатывание механизма, управляющего этим, — вполне достоверное наблюдение.Бросок туда счетчика Гейгера, прибора, чувствительного к радиоактивным распадам, будет считаться наблюдением. И, по сути, любое необратимое взаимодействие, которое происходит в этой системе, даже если она полностью изолирована от внешнего мира в этой коробке, обнаружит одно и только одно окончательное состояние: либо атом распался, либо нет.

Причина, лежащая в основе этого, проста в том, что каждое взаимодействие между двумя квантовыми частицами может определять квантовое состояние, эффективно коллапсируя квантовую волновую функцию в наиболее распространенной интерпретации.На самом деле, распад (или нераспад) атома вызовет (или не сработает) дверной механизм, и только в этом, прямо здесь, происходит переход от этого странного квантового поведения к нашему знакомому классическому поведению.

На этом графике показано (розовым цветом) количество радиоактивного образца, которое остается после нескольких периодов полураспада … [+]. После одного периода полураспада остается половина образца; после двух периодов полураспада остается половина остатка (или одна четверть); и после трех периодов полураспада остается половина этого (или одна восьмая).Однако, если этот распад служит спусковым крючком для того, чтобы что-то произошло или не произошло, этого самого по себе достаточно, чтобы составить наблюдение.

Сам Шредингер очень четко высказался по этому поводу, заявив:

Для этих случаев типично, что неопределенность, первоначально ограниченная атомной областью, превращается в макроскопическую неопределенность, которая затем может быть разрешена прямым наблюдением.Это мешает нам так наивно принять в качестве действительной «размытую модель» для представления реальности. Само по себе оно не будет содержать ничего неясного или противоречивого. Есть разница между шаткой или расфокусированной фотографией и снимком облаков и туманов.

Другими словами, Шредингер знал, что кошка должна быть либо мертва, либо жива. Сама кошка никогда не будет находиться в суперпозиции квантовых состояний, но будет либо окончательно мертва, либо окончательно жива в любой момент времени.Он утверждает, что то, что ваша камера не в фокусе, не означает, что реальность в корне размыта.

На этих двух панелях показаны наблюдения Галактического центра с адаптивной оптикой и без нее, … [+] иллюстрируя увеличение разрешения. Фактическое положение звезд (справа) не является неопределенным по своей природе из-за ограничений нашего оборудования (слева), и точно так же кошка не сомневается в своей смерти или жизненном статусе из-за коробки, в которую мы ее поместили.

Когда Эйнштейн говорил о том, что «Бог не играет в кости со Вселенной», он имел в виду именно это. Фактически, Эйнштейн написал следующее самому Шредингеру, риторически задавая вопрос: «Разве состояние кошки может быть создано только тогда, когда физик исследует ситуацию в определенное время?»

Ответ, возможно, к сожалению, «конечно, нет». Это неопределенное квантовое поведение на самом деле чрезвычайно трудно поддерживать; это одна из основных проблем при построении более крупных квантовых систем.Запутывание всего нескольких тысяч атомов на короткое время — очень недавнее достижение, и одна из причин, по которой квантовые вычисления так сложны, заключается в том, что запутанные кубиты могут поддерживаться в неопределенном состоянии только в течение таких коротких интервалов времени.

Квантовая Вселенная, несомненно, является незнакомым местом почти всем нам, и кот Шредингера в основном является иллюстрацией того, как легко нам неверно истолковать ее. Возможно, главный миф о кошке Шредингера состоит в том, что он вообще имеет какое-то отношение к квантовой странности.

Физика, лежащая в основе парадокса кота Шредингера

Его мысленный эксперимент с кошачьим парадоксом стал основным продуктом поп-культуры, но именно работа Эрвина Шредингера в области квантовой механики закрепила его статус в мире физики.

Физику, лауреату Нобелевской премии, в понедельник исполнилось бы 126 лет, и в ознаменование его рождения компания Google отметила его рождение фигуркой на тему кошки, которая отдает дань уважения парадоксу, предложенному Шредингером в 1935 году в следующем теоретическом эксперименте.

Кошку помещают в стальной ящик вместе со счетчиком Гейгера, пузырьком с ядом, молотком и радиоактивным веществом. Когда радиоактивное вещество распадается, Гейгер обнаруживает его и запускает молоток, чтобы выпустить яд, который впоследствии убивает кошку. Радиоактивный распад — это случайный процесс, и невозможно предсказать, когда он произойдет. Физики говорят, что атом существует в состоянии, известном как суперпозиция, когда он распался и не распался одновременно.

Пока коробку не откроют, наблюдатель не знает, жива кошка или мертва — потому что судьба кошки неразрывно связана с тем, распался ли атом, и кошка, как выразился Шредингер, будет «живой» и мертв…. в равных частях », пока не будет наблюдаться. (Больше физики: Физика водных горок.)

Другими словами, пока ящик не был открыт, состояние кошки полностью неизвестно, и поэтому кошка считается живой и мертва одновременно, пока его не заметят.

«Если вы поместите кошку в коробку, и если нет возможности сказать, что кошка делает, вы должны относиться к ней так, как если бы она делала все возможные вещи. — быть живым и мертвым одновременно », — объясняет Эрик Мартелл, доцент физики и астрономии в Милликинском университете.»Если вы пытаетесь делать прогнозы и предполагаете, что знаете статус кошки, вы [вероятно] ошибетесь. Если, с другой стороны, вы предположите, что это комбинация всех возможных состояний, может быть, ты будешь прав «.

Сразу же взглянув на кошку, наблюдатель сразу узнает, жива кошка или мертва, и «суперпозиция» кошки — идея, что она была в обоих состояниях — схлопнется либо к знанию, что «кошка есть жив »или« кот мертв », но не то и другое одновременно.

Шредингер разработал парадокс, говорит Мартелл, чтобы проиллюстрировать точку зрения квантовой механики о природе волновых частиц.

«В конце 1800-х и начале 1900-х мы обнаружили, что действительно очень маленькие вещи не подчиняются законам Ньютона», — говорит он. «Таким образом, правила, которые мы использовали для управления движением шара, человека или машины, нельзя было использовать для объяснения того, как работает электрон или атом».

В основе квантовой теории, которая используется для описания поведения субатомных частиц, таких как электроны и протоны, лежит идея волновой функции.Волновая функция описывает все возможные состояния, которые могут иметь такие частицы, включая такие свойства, как энергия, импульс и положение.

«Волновая функция — это комбинация всех возможных волновых функций, которые существуют», — говорит Мартелл. «Волновая функция частицы говорит о некоторой вероятности того, что она может находиться в любом разрешенном положении. Но вы не можете обязательно сказать, что знаете, что она находится в определенном положении, не наблюдая за ней. Если вы поместите электрон вокруг ядра, он может иметь любое из разрешенных состояний или позиций, если мы не посмотрим на это и не узнаем, где оно находится.«

Это то, что Шредингер иллюстрировал парадоксом кошки», — говорит он.

«В любой физической системе без наблюдения нельзя сказать, что что-то делает», — говорит Мартелл. вещи, которые он может делать, даже если вероятность мала ».

Что доказал эксперимент с котом Шредингера?

Категория: Физика Опубликовано: 30 июля 2013 г.

Образ общественного достояния, источник: CDC.

«Кот Шредингера» не был настоящим экспериментом и поэтому ничего научно не доказал.Кот Шредингера даже не является частью какой-либо научной теории. Кот Шредингера был просто учебным пособием, которое Шредингер использовал, чтобы проиллюстрировать, как некоторые люди неверно истолковывают квантовую теорию. Шредингер построил свой воображаемый эксперимент с кошкой, чтобы продемонстрировать, что простое неверное толкование квантовой теории может привести к абсурдным результатам, которые не соответствуют реальному миру. К сожалению, многие популяризаторы науки в наши дни осознали абсурдность Кота Шредингера и утверждают, что именно так устроен мир.

В квантовой теории квантовые частицы могут одновременно существовать в суперпозиции состояний и коллапсировать в одно состояние при взаимодействии с другими частицами. Некоторые ученые в то время, когда разрабатывалась квантовая теория (1930-е годы), перешли из науки в сферу философии и заявили, что квантовые частицы коллапсируют до единственного состояния только тогда, когда их видит сознательный наблюдатель. Шредингер счел эту концепцию абсурдной и разработал свой мысленный эксперимент, чтобы прояснить абсурдный, но логичный результат таких утверждений.

В воображаемом эксперименте Шредингера вы помещаете кошку в ящик с крошечным кусочком радиоактивного вещества. Когда радиоактивное вещество распадается, оно запускает счетчик Гейгера, который вызывает выброс яда или взрыв, убивающий кошку. Теперь распад радиоактивного вещества регулируется законами квантовой механики. Это означает, что атом начинает в комбинированном состоянии «распадаться» и «не распадаться». Если мы применим идею, ведомую наблюдателем, к этому случаю, сознательного наблюдателя нет (все находится в запечатанном ящике), поэтому вся система остается как комбинация двух возможностей.Кот оказывается живым и мертвым одновременно. Поскольку существование кошки, которая одновременно мертва и жива, абсурдно и не происходит в реальном мире, этот мысленный эксперимент показывает, что коллапс волновой функции осуществляется не только сознательными наблюдателями.

Эйнштейн увидел ту же проблему с идеей, управляемой наблюдателем, и поблагодарил Шредингера за его умную иллюстрацию, сказав: «Однако эта интерпретация наиболее элегантно опровергается вашей системой: радиоактивный атом + счетчик Гейгера + усилитель + заряд пороха +. кот в коробке, в которой пси-функция системы содержит кота как живого, так и разнесенного на куски.Разве состояние кошки может быть создано только тогда, когда физик исследует ситуацию в определенное время? »

С тех пор появилось достаточно свидетельств того, что коллапс волновой функции не является результатом одних только сознательных наблюдателей. Фактически, каждое взаимодействие, совершаемое квантовой частицей, может разрушить ее состояние. Тщательный анализ показывает, что «эксперимент» с котом Шредингера будет разыгрываться в реальном мире следующим образом: как только радиоактивный атом взаимодействует со счетчиком Гейгера, он коллапсирует из своего неразложившегося / распавшегося состояния в одно определенное состояние.Счетчик Гейгера однозначно срабатывает, и Кота однозначно убивают. Или счетчик Гейгера точно не срабатывает и кошка точно жива. Но и того и другого не бывает.

Таким образом, коллапс квантового состояния осуществляется не только сознательными наблюдателями, и «Кот Шредингера» был просто обучающим инструментом, изобретенным, чтобы попытаться сделать этот факт более очевидным, сведя идею, управляемую наблюдателем, до абсурда. К сожалению, в наши дни многие научно-популярные писатели продолжают распространять неправильное представление о том, что квантовое состояние (и, следовательно, сама реальность) определяется сознательными наблюдателями.Они используют это ошибочное утверждение как трамплин для несущественных и ненаучных дискуссий о природе реальности, сознания и даже восточного мистицизма. Для них «Кот Шредингера» не является смущающим признаком того, что их утверждения ошибочны, но доказательством того, что мир настолько абсурден, как они утверждают. Такие авторы либо неправильно понимают кота Шредингера, либо намеренно искажают его, чтобы продавать книги.

Темы: Кот Шредингера, наблюдение, квант, суперпозиция, коллапс волновой функции

физиков могут наконец заглянуть в кота Шредингера, не убивая его навсегда

Может быть способ проскользнуть мимо Кот Шредингера — знаменитый мысленный эксперимент на основе кошачьих, описывающий загадочное поведение субатомных частиц — без постоянного убийства (гипотетического) животного.

Несчастный воображаемый кот одновременно жив и мертв внутри коробки или существует в суперпозиции «мертвого» и «живого» состояний, точно так же, как субатомные частицы существуют в суперпозиции многих состояний одновременно. Но взгляд внутрь коробки меняет состояние кошки, которая становится либо живой, либо мертвой.

Теперь, однако, исследование, опубликованное 1 октября в New Journal of Physics , описывает способ потенциально подглядывать за кошкой, не заставляя ее жить или умереть.Поступая таким образом, ученые углубляют понимание одного из самых фундаментальных парадоксов физики.

Связано: 18 крупнейших неразгаданных тайн физики

В нашем обычном, крупномасштабном мире взгляд на объект, кажется, не меняет его. Но увеличьте достаточно, и это не так.

«Обычно мы думаем, что цена, которую мы платим за поиск, — ничто», — сказал ведущий автор исследования Хольгер Ф. Хофманн, доцент физики Хиросимского университета в Японии.«Это неправильно. Чтобы смотреть, нужен свет, а свет меняет объект». Это потому, что даже одиночный фотон света передает энергию от или к объекту, который вы смотрите.

Хофманн и Картик Патекар, которые в то время были приглашенными студентами в Хиросимском университете, а сейчас учатся в Индийском технологическом институте в Бомбее, задались вопросом, есть ли способ смотреть, не «платя цену». Они остановились на математической структуре, которая отделяет начальное взаимодействие (взгляд на кошку) от считывания (зная, жив он или мертв).

«Нашей главной мотивацией было очень внимательно посмотреть на то, как происходит квантовое измерение», — сказал Хофманн. «И ключевым моментом является то, что мы разделяем измерение на два этапа».

Таким образом, Хоффман и Патекар могут предположить, что все фотонов , участвующих в начальном взаимодействии или взгляде на кошку, были захвачены без потери какой-либо информации о состоянии кошки. Таким образом, перед считыванием все, что нужно знать о состоянии кошки (а также о том, как это изменило его), по-прежнему остается доступным.Только когда мы читаем информацию, мы теряем ее часть.

«Интересно то, что процесс считывания выбирает один из двух типов информации и полностью стирает другой», — сказал Хофманн.

Вот как они описали свою работу в терминах кота Шредингера. Скажем, кошка все еще находится в коробке, но вместо того, чтобы смотреть внутрь, чтобы определить, жива кошка или мертва, вы устанавливаете камеру за пределами коробки, которая может каким-то образом сделать снимок внутри нее (ради мысленного эксперимента, игнорируйте тот факт, что физические камеры на самом деле так не работают).После того, как снимок сделан, камера получает информацию двух видов: как кошка изменилась в результате сделанного снимка (то, что исследователи называют квантовым тегом), и была ли кошка живой или мертвой после взаимодействия. Пока ничего из этой информации не утеряно. И в зависимости от того, как вы решите «развивать» изображение, вы извлекаете ту или иную информацию.

Подумайте о подбрасывании монеты , — сказал Хофманн Live Science. Вы можете узнать, подброшена ли монета, орел или решка.Но вы не можете знать обоих. Более того, если вы знаете, как была изменена квантовая система, и если это изменение обратимо, то можно восстановить ее исходное состояние. (В случае с монетой вы должны перевернуть ее.)

«Вы всегда должны сначала нарушить работу системы, но иногда вы можете отменить это», — сказал Хофманн. С точки зрения кошки, это означало бы сделать снимок, но вместо того, чтобы развивать его, чтобы четко видеть кошку, развивать его таким образом, чтобы вернуть кошку обратно в ее мертвое и живое состояние неопределенности.

Важно отметить, что выбор показания связан с компромиссом между разрешающей способностью измерения и его искажением, которые в точности равны, как показано в статье. Разрешение относится к тому, сколько информации извлекается из квантовой системы, а возмущение относится к тому, насколько система необратимо изменена. Другими словами, чем больше вы знаете о текущем состоянии кошки, тем больше вы его безвозвратно изменили.

«Что меня удивило, так это то, что способность устранить возмущение напрямую зависит от того, сколько информации вы получаете о наблюдаемом» или физической величине, которую они измеряют, — сказал Хофманн.«Математика здесь довольно точна».

Хотя в предыдущей работе указывалось на компромисс между разрешением и помехой в квантовых измерениях, эта статья — первая, в которой количественно дано точное соотношение, — сказал Майкл Холл, физик-теоретик из Австралийского национального университета. Университет, сообщил Live Science в электронном письме.