Schrödingerova mačka a jeho ťažký osud. Schrödingerova mačka jednoduchými slovami

Jurij Gordejev
Programátor, vývojár hier, dizajnér, umelec

„Schrödingerova mačka“ je myšlienkový experiment navrhnutý jedným z priekopníkov kvantovej fyziky, aby ukázal, ako zvláštne kvantové efekty vyzerajú pri aplikácii na makroskopické systémy.

Pokúsim sa vysvetliť naozaj jednoduchými slovami: páni fyzikovia, nepresnejšie. Fráza „zhruba povedané“ je naznačená ďalej pred každou vetou.

Vo veľmi, veľmi malom meradle sa svet skladá z vecí, ktoré sa správajú veľmi nezvyčajným spôsobom. Jednou z najpodivnejších vlastností takýchto objektov je schopnosť byť súčasne v dvoch vzájomne sa vylučujúcich stavoch.

Čo je z intuitívneho hľadiska ešte neobvyklejšie (niekto povie až strašidelné) - akt cieľavedomého pozorovania túto neistotu eliminuje a objekt, ktorý sa práve nachádzal v dvoch protichodných stavoch súčasne, sa pred pozorovateľom objaví iba v jeden z nich, akoby sa nič nestalo, odvráti pohľad nabok a nevinne zapíska.

Na subatomárnej úrovni je na tieto huncútstva každý už dávno zvyknutý. Existuje matematický aparát, ktorý tieto procesy popisuje a poznatky o nich našli rôzne aplikácie: napríklad v počítačoch a kryptografii.

Na makroskopickej úrovni sa tieto účinky nepozorujú: nám známe predmety sú vždy v jedinom špecifickom stave.

A teraz myšlienkový experiment. Vezmeme mačku a vložíme ju do krabice. Položíme tam aj banku s jedovatým plynom, rádioaktívnym atómom a Geigerovým počítačom. Rádioaktívny atóm sa môže alebo nemusí kedykoľvek rozpadnúť. Ak sa rozpadne, počítadlo zaznamená žiarenie, jednoduchý mechanizmus rozbije banku s plynom a naša mačka zomrie. Ak nie, mačka bude žiť.

Krabicu zatvoríme. Od tohto momentu je z pohľadu kvantovej mechaniky náš atóm v stave neistoty - rozpadol sa s pravdepodobnosťou 50% a nerozpadol sa s pravdepodobnosťou 50%. Predtým, ako otvoríme krabicu a pozrieme sa dovnútra (urobíme pozorovanie), bude v oboch stavoch naraz. A keďže osud mačky priamo závisí od stavu tohto atómu, ukazuje sa, že mačka je tiež doslova živá a mŕtva súčasne („... rozmazanie živej a mŕtvej mačky (prepáčte za výraz) v rovnaké proporcie ...“ - píše autor experimentu). Takto by túto situáciu opísala kvantová teória.

Schrödinger sotva tušil, aký rozruch jeho nápad spôsobí. Samozrejme, samotný experiment, dokonca aj v origináli, je opísaný mimoriadne hrubo a bez predstierania vedeckej presnosti: autor chcel svojim kolegom sprostredkovať myšlienku, že teóriu je potrebné doplniť o jasnejšie definície takých procesov, ako je „pozorovanie“ s cieľom vylúčiť zo svojej jurisdikcie scenáre s mačkami v krabiciach.

Myšlienka mačky bola dokonca použitá na „dokázanie“ existencie Boha ako supermysle, ktorá svojím neustálym pozorovaním umožňuje našu existenciu. V skutočnosti „pozorovanie“ nevyžaduje vedomého pozorovateľa, čo zbavuje kvantové efekty akejsi mystiky. Ale aj tak zostáva dnes kvantová fyzika na čele vedy s mnohými nevysvetliteľnými javmi a ich interpretáciami.

Ivan Boldin
Kandidát fyzikálnych a matematických vied, vedecký pracovník, absolvent MIPT

Správanie objektov v mikrosvete (elementárnych častíc, atómov, molekúl) sa výrazne líši od správania objektov, s ktorými sa bežne musíme potýkať. Napríklad elektrón môže preletieť súčasne cez dve priestorovo vzdialené miesta alebo byť súčasne na niekoľkých obežných dráhach v atóme. Na popis týchto javov bola vytvorená teória – kvantová fyzika. Podľa tejto teórie môžu byť častice napríklad rozmazané vo vesmíre, ale ak chcete určiť, kde sa častica napokon nachádza, potom vždy nájdete celú časticu na nejakom mieste, to znamená, že sa akosi zrúti zo svojho rozmazaný stav na nejaké konkrétne miesto. To znamená, že sa verí, že kým nezmeriate polohu častice, nemá vôbec žiadnu polohu a fyzika môže iba predpovedať, s akou pravdepodobnosťou, na akom mieste nájdete časticu.

Erwin Schrödinger, jeden z tvorcov kvantovej fyziky, si položil otázku: čo ak v závislosti od výsledku merania stavu mikročastice dôjde alebo nenastane nejaká udalosť. Napríklad by to mohlo byť implementované takto: rádioaktívny atóm sa odoberie s polčasom rozpadu, povedzme, hodina. Atóm sa dá umiestniť do nepriehľadnej škatule, dať tam zariadenie, ktoré keď naň dopadnú produkty rádioaktívneho rozpadu atómu, rozbije ampulku s jedovatým plynom a do tejto škatule vloží mačku. Potom zvonku neuvidíte, či sa atóm rozpadol alebo nie, to znamená, že podľa kvantovej teórie sa súčasne rozpadol a nerozpadol sa, a preto je mačka živá aj mŕtva. Takáto mačka sa stala známou ako Schrödingerova mačka.

Môže sa zdať prekvapujúce, že mačka môže byť živá a mŕtva súčasne, hoci formálne tu nie je žiadny rozpor a nejde o vyvrátenie kvantovej teórie. Môžu však vzniknúť otázky, napríklad: kto môže uskutočniť kolaps atómu z rozmazaného stavu do určitého stavu a kto pri takomto pokuse sám prechádza do rozmazaného stavu? Ako prebieha tento proces kolapsu? Alebo ako to, že ten, kto vykonáva kolaps, sám neposlúcha zákony kvantovej fyziky? Či tieto otázky dávajú zmysel, a ak áno, aké sú na ne odpovede, stále nie je jasné.

George Panin
absolvovali ich RKhTU. DI. Mendelejev, hlavný špecialista oddelenia výskumu (marketingový výskum)

Ako nám vysvetlil Heisenberg, kvôli princípu neurčitosti je popis objektov kvantového mikrosveta iného charakteru ako bežný popis objektov newtonského makrokozmu. Namiesto priestorových súradníc a rýchlosti, ktorými sme popisovali mechanický pohyb napríklad gule na biliardovom stole, sa v kvantovej mechanike objekty opisujú takzvanou vlnovou funkciou. Hrebeň "vlny" zodpovedá maximálnej pravdepodobnosti nájdenia častice vo vesmíre v okamihu merania. Pohyb takejto vlny je opísaný Schrödingerovou rovnicou, ktorá nám hovorí, ako sa mení stav kvantového systému s časom.

Teraz o mačke. Každý vie, že mačky sa radi schovávajú v krabiciach (thequestion.ru). Uvedomil si to aj Erwin Schrödinger. Navyše s čisto severskou divokosťou túto vlastnosť využil v slávnom myšlienkovom experimente. Jeho podstatou bolo, že mačka bola zavretá v krabici s pekelným strojom. Stroj je cez relé spojený s kvantovým systémom, napríklad s rádioaktívne sa rozpadajúcou látkou. Pravdepodobnosť rozpadu je známa a je 50%. Pekelný stroj funguje, keď sa kvantový stav systému zmení (nastane rozpad) a mačka úplne zomrie. Ak systém „Cat-box-infernal machine-quanta“ necháte pre seba na jednu hodinu a zapamätáte si, že stav kvantového systému je opísaný z hľadiska pravdepodobnosti, potom je jasné, že je pravdepodobne nemožné zistiť, či mačka je v danom okamihu nažive alebo nie, rovnako ako nebude možné presne predpovedať pád mince na hlavu alebo chvost vopred. Paradox je veľmi jednoduchý: vlnová funkcia popisujúca kvantový systém zmiešava dva stavy mačky – je živá a mŕtva zároveň, rovnako ako sa viazaný elektrón s rovnakou pravdepodobnosťou môže nachádzať kdekoľvek v priestore rovnako vzdialenom od atómového jadra. Ak krabicu neotvoríme, nevieme presne, ako sa mačka má. Bez toho, aby sme robili pozorovania (merania) na atómovom jadre, môžeme opísať jeho stav iba superpozíciou (zmiešaním) dvoch stavov: rozpadnutého a nerozpadnutého jadra. Mačka závislá od jadra je živá aj mŕtva súčasne. Otázka znie: kedy systém prestane existovať ako zmes dvoch stavov a vyberie si jeden konkrétny?

Kodanská interpretácia experimentu nám hovorí, že systém prestáva byť zmesou stavov a vyberie si jeden z nich v momente, keď sa uskutoční pozorovanie, ktoré je zároveň meraním (otvorí sa rámček). To znamená, že samotná skutočnosť merania mení fyzikálnu realitu, čo vedie ku kolapsu vlnovej funkcie (mačka sa buď stane mŕtvou, alebo zostane nažive, ale prestane byť zmesou oboch)! Myslite na to, experiment a merania, ktoré ho sprevádzajú, menia realitu okolo nás. Osobne tento fakt robí môj mozog oveľa silnejším ako alkohol. Tento paradox ťažko berie aj notoricky známy Steve Hawking, ktorý opakuje, že keď počuje o Schrödingerovej mačke, jeho ruka siaha po Browningovi. Ostrosť reakcie vynikajúceho teoretického fyzika je spôsobená tým, že podľa jeho názoru je úloha pozorovateľa pri kolapse vlnovej funkcie (pri jej páde do jedného z dvoch pravdepodobnostných) stavov značne prehnaná.

Samozrejme, keď profesor Erwin v roku 1935 vymyslel svoj mačací podvod, bol to šikovný spôsob, ako ukázať nedokonalosť kvantovej mechaniky. V skutočnosti mačka nemôže byť živá a mŕtva súčasne. Výsledkom bolo, že jednou z interpretácií experimentu bol zjavný rozpor medzi zákonmi makrosveta (napríklad druhý termodynamický zákon - mačka je buď živá alebo mŕtva) a mikrosveta (mačka je živý a mŕtvy zároveň).

Uvedené sa uplatňuje v praxi: v kvantových výpočtoch a v kvantovej kryptografii. Kábel z optických vlákien vysiela svetelný signál, ktorý je v superpozícii dvoch stavov. Ak sa útočníci pripojí ku káblu niekde v strede a urobia tam signálny odposluch, aby odpočúvali prenášané informácie, tak to skolabuje vlnovú funkciu (z pohľadu kodanskej interpretácie dôjde k pozorovaniu) a svetlo prejde do jedného zo stavov. Po vykonaní štatistických testov svetla na prijímacom konci kábla bude možné zistiť, či je svetlo v superpozícii stavov alebo či už bolo pozorované a prenesené do iného bodu. To umožňuje vytvárať komunikačné prostriedky, ktoré vylučujú nepostrehnuteľné zachytenie signálu a odpočúvanie.

Ďalšou najnovšou interpretáciou Schrödingerovho myšlienkového experimentu je príbeh Sheldona Coopera, hrdinu série Teória veľkého tresku, ktorý nahovoril s menej vzdelanou susedkou Penny. Pointou Sheldonovho príbehu je, že koncept Schrödingerovej mačky možno aplikovať na vzťahy medzi ľuďmi. Aby ste pochopili, čo sa deje medzi mužom a ženou, aký je medzi nimi vzťah: dobrý alebo zlý, stačí otvoriť krabicu. Dovtedy sú vzťahy dobré aj zlé. youtube.com

Nedávno uverejnený na známom vedeckom portáli "PostNauka" autorský článok Emila Akhmedova o príčinách slávneho paradoxu, ako aj o tom, čo ním nie je.

Fyzik Emil Akhmedov o pravdepodobnostnej interpretácii, uzavretých kvantových systémoch a formulácii paradoxov.

Podľa môjho názoru je najťažšou časťou kvantovej mechaniky, psychologicky aj filozoficky a v mnohých iných ohľadoch, jej pravdepodobnostná interpretácia. Mnoho ľudí argumentovalo pravdepodobnostným výkladom. Napríklad Einstein spolu s Podolským a Rosenom prišli na paradox, ktorý vyvracia pravdepodobnostnú interpretáciu.

Okrem nich Schrödinger argumentoval aj pravdepodobnostným výkladom kvantovej mechaniky. Ako logický rozpor v pravdepodobnostnej interpretácii kvantovej mechaniky prišiel Schrödinger s takzvaným Schrödingerovým mačacím paradoxom. Môže byť formulovaný rôznymi spôsobmi, napríklad: povedzme, že máte krabicu, v ktorej sedí mačka a k tejto krabici je pripojená fľaša smrtiaceho plynu. K spínaču tohto valca, ktorý pripúšťa alebo neprepúšťa smrtiaci plyn, je pripojené nejaké zariadenie, ktoré funguje nasledovne: je tam polarizačné sklíčko a ak prejde fotón požadovanej polarizácie, valec sa zapne, plyn prúdi do mačky; ak fotón nemá správnu polarizáciu, tak sa balónik nezapne, kľúč sa nezapne, balónik neprepustí plyn do mačky.

Predpokladajme, že fotón je kruhovo polarizovaný a zariadenie reaguje na lineárnu polarizáciu. Nemusí to byť jasné, ale nie je to veľmi dôležité. S určitou pravdepodobnosťou bude fotón polarizovaný jedným spôsobom, s určitou pravdepodobnosťou iným spôsobom. Schrodinger povedal: Ukáže sa taká situácia, že v určitom okamihu, kým neotvoríme veko a neuvidíme, či je mačka mŕtva alebo živá (a systém je zatvorený), bude mačka s určitou pravdepodobnosťou nažive a bude s určitým množstvom mŕtva. pravdepodobnosť. Možno len tak mimochodom formulujem paradox, ale výsledkom je zvláštna situácia, že mačka nie je ani živá, ani mŕtva. Takto je formulovaný paradox.

Tento paradox má podľa mňa úplne jasné a presné vysvetlenie. Možno je to môj osobný názor, ale pokúsim sa vysvetliť. Hlavná vlastnosť kvantovej mechaniky je nasledovná: ak opisujete uzavretý systém, potom kvantová mechanika nie je nič iné ako vlnová mechanika, mechanika vĺn. To znamená, že je popísaný diferenciálnymi rovnicami, ktorých riešením sú vlny. Kde sú vlny a diferenciálne rovnice, tam sú matice a tak ďalej. Sú to dva ekvivalentné popisy: maticový popis a vlnový popis. Matricový popis patrí Heisenbergovi, vlnový patrí Schrödingerovi, ale opisujú rovnakú situáciu.

Dôležité je, že kým je systém uzavretý, je popísaný vlnovou rovnicou a to, čo sa s touto vlnou deje, je popísané nejakou vlnovou rovnicou. Celá pravdepodobnostná interpretácia kvantovej mechaniky vzniká po otvorení systému – zvonku naň pôsobí nejaký veľký klasický, teda nekvantový objekt. V momente dopadu sa prestáva popisovať touto vlnovou rovnicou. Dochádza k takzvanej redukcii vlnovej funkcie a pravdepodobnostnej interpretácii. Až do okamihu otvorenia sa systém vyvíja v súlade s vlnovou rovnicou.

Teraz musíme urobiť niekoľko poznámok o tom, ako sa veľký klasický systém líši od malého kvantového. Vo všeobecnosti možno aj veľký klasický systém opísať pomocou vlnovej rovnice, hoci tento popis je zvyčajne ťažké poskytnúť av skutočnosti je úplne zbytočný. Tieto systémy sa matematicky líšia v činnosti. Takzvaný objekt existuje v kvantovej mechanike, v teórii poľa. Pre klasický veľký systém je akcia obrovská, ale pre kvantovo malý systém je akcia malá. Navyše, gradient tejto akcie - rýchlosť zmeny tejto akcie v čase a priestore - je obrovský pre veľký klasický systém a malý pre malý kvantový. Toto je hlavný rozdiel medzi týmito dvoma systémami. Vzhľadom na to, že dej je pre klasický systém veľmi veľký, je vhodnejšie ho opísať nie nejakými vlnovými rovnicami, ale jednoducho klasickými zákonmi ako Newtonov zákon a pod. Napríklad z tohto dôvodu sa Mesiac neotáča okolo Zeme ako elektrón okolo jadra atómu, ale po určitej, jasne definovanej dráhe, po klasickej dráhe, trajektórii. Zatiaľ čo elektrón, ktorý je malým kvantovým systémom, sa vo vnútri atómu okolo jadra pohybuje ako stojatá vlna, jeho pohyb je opísaný stojatou vlnou, a to je rozdiel medzi týmito dvoma situáciami.

Meranie v kvantovej mechanike je, keď ovplyvníte malý kvantový systém veľkým klasickým systémom. Potom dôjde k zníženiu vlnovej funkcie. Podľa môjho názoru je prítomnosť balóna alebo mačky v Schrödingerovom paradoxe rovnaká ako prítomnosť veľkého klasického systému, ktorý meria polarizáciu fotónu. Meranie teda prebieha nie v momente, keď otvoríme veko krabičky a uvidíme, či je mačka živá alebo mŕtva, ale v momente, keď fotón interaguje s polarizačným sklom. V tomto momente teda nastáva redukcia funkcie fotónových vĺn, balónik je v úplne definitívnom stave: buď sa otvorí, alebo sa neotvorí, a mačka zomrie alebo nezomrie. Všetko. Neexistujú žiadne „pravdepodobnostné mačky“, že je s určitou pravdepodobnosťou živý, s určitou pravdepodobnosťou mŕtvy. Keď som povedal, že Schrodingerov mačací paradox má mnoho rôznych formulácií, hovoril som len o tom, že existuje mnoho rôznych spôsobov, ako prísť so zariadením, ktoré zabije alebo nechá mačku nažive. V skutočnosti sa formulácia paradoxu nemení.

Počul som o iných pokusoch vysvetliť tento paradox z hľadiska viacerých svetov a podobne. Podľa môjho názoru všetky tieto vysvetlenia neobstoja pri skúmaní. To, čo som počas tohto videa vysvetlil slovami, sa dá dať do matematickej podoby a overiť si správnosť tohto tvrdenia. Ešte raz zdôrazňujem, že podľa mňa k meraniu a redukcii vlnovej funkcie malého kvantového systému dochádza v momente interakcie s veľkým klasickým systémom. Takýmto veľkým klasickým systémom je mačka so zariadením, ktoré ho zabije, a nie človek, ktorý otvorí škatuľu s mačkou a pozrie sa, či mačka žije alebo nie. To znamená, že meranie prebieha v momente interakcie tohto systému s kvantovou časticou a nie v momente kontroly mačky. Takéto paradoxy podľa mňa nachádzajú vysvetlenia z aplikácie teórií a zdravého rozumu.

Podstata experimentu

Pôvodný Schrödingerov dokument opisuje experiment takto:

Môžete tiež skonštruovať prípady, v ktorých stačí burleska. Istá mačka je zavretá v oceľovej komore spolu s nasledujúcim pekelným strojom (ktorý musí byť chránený pred priamym zásahom mačky): vo vnútri Geigerovho počítača je malé množstvo rádioaktívneho materiálu, tak malé, že sa môže rozpadnúť iba jeden atóm za hodinu, ale s rovnakou pravdepodobnosťou sa môže a nie rozpadnúť; ak k tomu dôjde, čítacia trubica sa vybije a aktivuje sa relé, ktoré spustí kladivo, čím sa zlomí kužeľ kyseliny kyanovodíkovej. Ak celý tento systém necháme hodinu pre seba, potom môžeme povedať, že po tomto čase bude mačka nažive, pokiaľ sa atóm nerozpadne. Prvý rozpad atómu by mačku otrávil. Psi-funkcia systému ako celku to vyjadrí zmiešaním v sebe alebo rozmazaním živej a mŕtvej mačky (prepáčte ten výraz) v rovnakých pomeroch. Typické v takýchto prípadoch je, že neistota, pôvodne obmedzená na atómový svet, sa premení na makroskopickú neistotu, ktorú možno eliminovať priamym pozorovaním. To nám bráni naivne akceptovať „model rozmazania“ ako odrážajúci realitu. To samo o sebe neznamená nič nejasné alebo protirečivé. Je rozdiel medzi neostrou alebo neostrou fotkou a záberom z oblaku alebo hmly. Podľa kvantovej mechaniky, ak sa nad jadrom nepozoruje, jeho stav je opísaný superpozíciou (zmiešaním) dvoch stavov - rozpadnutého jadra a nerozpadnutého jadra, takže mačka sediaca v krabici je živá aj mŕtva. zároveň. Ak sa škatuľka otvorí, potom môže experimentátor vidieť iba jeden konkrétny stav – „jadro sa rozpadlo, mačka je mŕtva“ alebo „jadro sa nerozpadlo, mačka žije“. Otázka znie: kedy systém prestane existovať ako zmes dvoch stavov a vyberie si jeden konkrétny? Účelom experimentu je ukázať, že kvantová mechanika je neúplná bez niektorých pravidiel, ktoré špecifikujú, za akých podmienok sa vlnová funkcia zrúti a mačka buď zomrie, alebo zostane nažive, ale prestane byť zmesou oboch.

Keďže je jasné, že mačka musí byť nevyhnutne buď živá alebo mŕtva (neexistuje žiadny stav, ktorý by spájal život a smrť), bude to rovnaké pre atómové jadro. Musí byť nevyhnutne buď rozpadnutý, alebo nerozpadnutý.

Pôvodný článok vyšiel v roku 1935. Účelom článku bolo diskutovať o paradoxe Einstein-Podolsky-Rosen (EPR), ktorý publikovali Einstein, Podolsky a Rosen začiatkom toho roku.

Určite ste už viackrát počuli, že existuje taký fenomén ako „Schrödingerova mačka“. Ale ak nie ste fyzik, potom si s najväčšou pravdepodobnosťou len vzdialene predstavujete, aký druh mačky je a prečo je to potrebné.

« Shroedingerova mačka“- to je názov slávneho myšlienkového experimentu slávneho rakúskeho teoretického fyzika Erwina Schrödingera, ktorý je aj nositeľom Nobelovej ceny. Pomocou tohto fiktívneho experimentu chcel vedec ukázať neúplnosť kvantovej mechaniky pri prechode od subatomárnych systémov k makroskopickým systémom.

V tomto článku sa pokúšame jednoducho vysvetliť podstatu Schrödingerovej teórie o mačke a kvantovej mechanike tak, aby bola prístupná aj pre človeka, ktorý nemá vyššie technické vzdelanie. Článok tiež predstaví rôzne interpretácie experimentu, vrátane tých zo série Teória veľkého tresku.

Popis experimentu

Pôvodný článok Erwina Schrödingera vyšiel v roku 1935. V ňom bol experiment opísaný pomocou alebo dokonca zosobnený:

Môžete tiež skonštruovať prípady, v ktorých stačí burleska. Nech je nejaká mačka zavretá v oceľovej komore spolu s nasledujúcim diabolským strojom (ktorý by mal byť nezávislý od zásahu mačky): vo vnútri Geigerovho počítača je malé množstvo rádioaktívneho materiálu, tak malé, že len jeden atóm sa môže rozpadnúť. hodinu, ale s rovnakou pravdepodobnosťou sa nemusí rozpadnúť; ak k tomu dôjde, čítacia trubica sa vybije a aktivuje sa relé, ktoré spustí kladivo, čím sa zlomí kužeľ kyseliny kyanovodíkovej.

Ak celý tento systém necháme hodinu pre seba, potom môžeme povedať, že po tomto čase bude mačka nažive, pokiaľ sa atóm nerozpadne. Prvý rozpad atómu by mačku otrávil. Psi-funkcia systému ako celku to vyjadrí zmiešaním v sebe alebo rozmazaním živej a mŕtvej mačky (prepáčte ten výraz) v rovnakých pomeroch. Typické v takýchto prípadoch je, že neistota, pôvodne obmedzená na atómový svet, sa premení na makroskopickú neistotu, ktorú možno eliminovať priamym pozorovaním. To nám bráni naivne akceptovať „model rozmazania“ ako odrážajúci realitu. To samo o sebe neznamená nič nejasné alebo protirečivé. Je rozdiel medzi neostrou alebo neostrou fotkou a záberom z oblaku alebo hmly.

Inými slovami:

1. Je tam krabica a mačka. Krabička obsahuje mechanizmus obsahujúci rádioaktívne atómové jadro a nádobu s jedovatým plynom. Experimentálne parametre sú zvolené tak, aby pravdepodobnosť rozpadu jadra za 1 hodinu bola 50 %. Ak sa jadro rozpadne, plynová nádoba sa otvorí a mačka zomrie. Ak nedôjde k rozpadu jadra, mačka zostáva živá a zdravá.
2. Zatvoríme mačku do krabice, počkáme hodinu a pýtame sa sami seba: je mačka živá alebo mŕtva?
3. Kvantová mechanika nám hovorí, že atómové jadro (a teda mačka) je vo všetkých možných stavoch súčasne (pozri kvantovú superpozíciu). Predtým, ako sme otvorili škatuľku, je systém „mačacie jadro“ v stave „jadro sa rozpadlo, mačka je mŕtva“ s pravdepodobnosťou 50% a v stave „jadro sa nerozpadlo, mačka žije“ s pravdepodobnosťou 50 %. Ukazuje sa, že mačka sediaca v boxe je živá aj mŕtva zároveň.
4. Podľa modernej kodanskej interpretácie je mačka stále nažive / mŕtva bez akýchkoľvek medzistavov. A výber stavu rozpadu jadra nastáva nie v okamihu otvorenia krabice, ale dokonca aj vtedy, keď jadro vstúpi do detektora. Pretože redukcia vlnovej funkcie systému „mačka-detektor-jadro“ nie je spojená s ľudským pozorovateľom krabice, ale je spojená s detektorom-pozorovateľom jadra.

Vysvetlenie jednoduchými slovami

Podľa kvantovej mechaniky, ak jadro atómu nie je pozorované, potom je jeho stav opísaný zmesou dvoch stavov - rozpadnuté jadro a nerozpadnuté jadro, teda mačka sediaca v krabici a zosobňujúca jadro atómu. je živý aj mŕtvy zároveň. Ak sa škatuľka otvorí, potom môže experimentátor vidieť iba jeden konkrétny stav – „jadro sa rozpadlo, mačka je mŕtva“ alebo „jadro sa nerozpadlo, mačka žije“.

Esencia v ľudskom jazyku: Schrödingerov experiment ukázal, že z pohľadu kvantovej mechaniky je mačka živá aj mŕtva zároveň, čo nemôže byť. V dôsledku toho má kvantová mechanika značné nedostatky.

Otázka znie: kedy systém prestane existovať ako zmes dvoch stavov a vyberie si jeden konkrétny? Účelom experimentu je ukázať, že kvantová mechanika je neúplná bez niektorých pravidiel, ktoré špecifikujú, za akých podmienok sa vlnová funkcia zrúti a mačka buď zomrie, alebo zostane nažive, ale prestane byť zmesou oboch. Keďže je jasné, že mačka musí byť nevyhnutne buď živá alebo mŕtva (medzi životom a smrťou neexistuje žiadny medzistav), bude to rovnaké pre atómové jadro. Musí byť nevyhnutne buď rozbité, alebo nerozbité (Wikipedia).

Video z The Big Bang Theory

Ďalšou najnovšou interpretáciou Schrödingerovho myšlienkového experimentu je príbeh Sheldona Coopera, hrdinu série Teória veľkého tresku, ktorý nahovoril s menej vzdelanou susedkou Penny. Pointou Sheldonovho príbehu je, že koncept Schrödingerovej mačky možno aplikovať na vzťahy medzi ľuďmi. Aby ste pochopili, čo sa deje medzi mužom a ženou, aký je medzi nimi vzťah: dobrý alebo zlý, stačí otvoriť krabicu. Dovtedy sú vzťahy dobré aj zlé.

Nižšie je videoklip tohto dialógu Teória veľkého tresku medzi Sheldonom a Peny.

Bola mačka v dôsledku experimentu stále nažive?

Pre tých, ktorí nečítali článok pozorne, no napriek tomu sa o mačku obávajú - dobrá správa: podľa našich údajov sa nebojte, ako výsledok myšlienkového experimentu bláznivého rakúskeho fyzika

ANI JEDNA MAČKA SA NEZRANILA

Na moju hanbu sa chcem priznať, že som tento výraz počul, ale vôbec som nevedel, čo znamená a prinajmenšom na akú tému bol použitý. Poviem vám, čo som čítal na internete o tejto mačke ... -

« Shroedingerova mačka“- to je názov slávneho myšlienkového experimentu slávneho rakúskeho teoretického fyzika Erwina Schrödingera, ktorý je aj nositeľom Nobelovej ceny. Pomocou tohto fiktívneho experimentu chcel vedec ukázať neúplnosť kvantovej mechaniky pri prechode od subatomárnych systémov k makroskopickým systémom.

Pôvodný článok Erwina Schrödingera vyšiel v roku 1935. V ňom bol experiment opísaný pomocou alebo dokonca zosobnený:

Môžete tiež skonštruovať prípady, v ktorých stačí burleska. Nech je nejaká mačka zavretá v oceľovej komore spolu s nasledujúcim diabolským strojom (ktorý by mal byť nezávislý od zásahu mačky): vo vnútri Geigerovho počítača je malé množstvo rádioaktívneho materiálu, tak malé, že len jeden atóm sa môže rozpadnúť. hodinu, ale s rovnakou pravdepodobnosťou sa nemusí rozpadnúť - ak k tomu dôjde, čítacia trubica sa vybije a spustí sa relé, ktoré spustí kladivo, ktoré rozbije kužeľ kyselinou kyanovodíkovou.

Ak celý tento systém necháme hodinu pre seba, potom môžeme povedať, že po tomto čase bude mačka nažive, pokiaľ sa atóm nerozpadne. Prvý rozpad atómu by mačku otrávil. Psi-funkcia systému ako celku to vyjadrí zmiešaním v sebe alebo rozmazaním živej a mŕtvej mačky (prepáčte ten výraz) v rovnakých pomeroch. Typické v takýchto prípadoch je, že neistota, pôvodne obmedzená na atómový svet, sa premení na makroskopickú neistotu, ktorú možno eliminovať priamym pozorovaním. To nám bráni naivne akceptovať „model rozmazania“ ako odrážajúci realitu. To samo o sebe neznamená nič nejasné alebo protirečivé. Je rozdiel medzi neostrou alebo neostrou fotkou a záberom z oblaku alebo hmly.

Inými slovami:

1. Je tam krabica a mačka. Krabička obsahuje mechanizmus obsahujúci rádioaktívne atómové jadro a nádobu s jedovatým plynom. Experimentálne parametre sú zvolené tak, aby pravdepodobnosť rozpadu jadra za 1 hodinu bola 50 %. Ak sa jadro rozpadne, plynová nádoba sa otvorí a mačka zomrie. Ak nedôjde k rozpadu jadra, mačka zostáva živá a zdravá.
2. Zatvoríme mačku do krabice, počkáme hodinu a pýtame sa sami seba: je mačka živá alebo mŕtva?
3. Kvantová mechanika nám hovorí, že atómové jadro (a teda mačka) je vo všetkých možných stavoch súčasne (pozri kvantovú superpozíciu). Predtým, ako sme otvorili škatuľku, je systém „mačacie jadro“ v stave „jadro sa rozpadlo, mačka je mŕtva“ s pravdepodobnosťou 50% a v stave „jadro sa nerozpadlo, mačka žije“ s pravdepodobnosťou 50 %. Ukazuje sa, že mačka sediaca v boxe je živá aj mŕtva zároveň.
4. Podľa modernej kodanskej interpretácie je mačka stále nažive / mŕtva bez akýchkoľvek medzistavov. A výber stavu rozpadu jadra nastáva nie v okamihu otvorenia krabice, ale dokonca aj vtedy, keď jadro vstúpi do detektora. Pretože redukcia vlnovej funkcie systému „mačka-detektor-jadro“ nie je spojená s ľudským pozorovateľom krabice, ale je spojená s detektorom-pozorovateľom jadra.

Podľa kvantovej mechaniky, ak jadro atómu nie je pozorované, potom je jeho stav opísaný zmesou dvoch stavov - rozpadnuté jadro a nerozpadnuté jadro, teda mačka sediaca v krabici a zosobňujúca jadro atómu. je živý aj mŕtvy zároveň. Ak sa škatuľka otvorí, potom môže experimentátor vidieť iba jeden konkrétny stav – „jadro sa rozpadlo, mačka je mŕtva“ alebo „jadro sa nerozpadlo, mačka žije“.

Esencia v ľudskom jazyku: Schrödingerov experiment ukázal, že z pohľadu kvantovej mechaniky je mačka živá aj mŕtva zároveň, čo nemôže byť. V dôsledku toho má kvantová mechanika značné nedostatky.

Otázka znie: kedy systém prestane existovať ako zmes dvoch stavov a vyberie si jeden konkrétny? Účelom experimentu je ukázať, že kvantová mechanika je neúplná bez niektorých pravidiel, ktoré špecifikujú, za akých podmienok sa vlnová funkcia zrúti a mačka buď zomrie, alebo zostane nažive, ale prestane byť zmesou oboch. Keďže je jasné, že mačka musí byť nevyhnutne buď živá alebo mŕtva (medzi životom a smrťou neexistuje žiadny medzistav), bude to rovnaké pre atómové jadro. Musí byť nevyhnutne buď rozpadnutý alebo nerozpadnutý ().

Ďalšou najnovšou interpretáciou Schrödingerovho myšlienkového experimentu je príbeh Sheldona Coopera, hrdinu série Teória veľkého tresku, ktorý nahovoril s menej vzdelanou susedkou Penny. Pointou Sheldonovho príbehu je, že koncept Schrödingerovej mačky možno aplikovať na vzťahy medzi ľuďmi. Aby ste pochopili, čo sa deje medzi mužom a ženou, aký je medzi nimi vzťah: dobrý alebo zlý, stačí otvoriť krabicu. Dovtedy sú vzťahy dobré aj zlé.

Nižšie je videoklip tohto dialógu Teória veľkého tresku medzi Sheldonom a Peny.

Schrodingerova ilustrácia je najlepším príkladom na opísanie hlavného paradoxu kvantovej fyziky: podľa jej zákonov častice ako elektróny, fotóny a dokonca aj atómy existujú súčasne v dvoch stavoch („-živé“ – ​​a „-mŕtve“ - ak si spomeniete na dlho trpiacu mačku). Tieto stavy sú tzv.

Americký fyzik Art Hobson () z University of Arkansas (Arkansas State University) navrhol svoje riešenie tohto paradoxu.

„-Merania v kvantovej fyzike sú založené na činnosti určitých makroskopických zariadení, ako je Geigerov počítač, ktoré určujú kvantový stav mikroskopických systémov – atómov, fotónov a elektrónov. Kvantová teória naznačuje, že ak pripojíte mikroskopický systém (časticu) k nejakému makroskopickému zariadeniu, ktoré rozlišuje medzi dvoma rôznymi stavmi systému, potom zariadenie (napríklad Geigerov počítač) prejde do stavu kvantového zapletenia a bude tiež súčasne v dvoch superpozíciách. Priamo pozorovať tento jav je však nemožné, čo ho robí neprijateľným,“ hovorí fyzik.

Hobson hovorí, že v Schrödingerovom paradoxe mačka zohráva úlohu makroskopického zariadenia, Geigerovho počítača, spojeného s rádioaktívnym jadrom, na určenie stavu rozpadu alebo „-nerozpadu“ - tohto jadra. V tomto prípade bude živá mačka indikátorom „-nerozkladu“- a mŕtva mačka – indikátorom rozkladu. Ale podľa kvantovej teórie musí byť mačka, rovnako ako jadro, v dvoch superpozíciách života a smrti.

Namiesto toho musí byť podľa fyzika kvantový stav mačky prepojený so stavom atómu, čo znamená, že sú navzájom v „nelokálnom spojení“. To znamená, že ak sa stav jedného zo zapletených predmetov náhle zmení na opačný, potom sa rovnako zmení aj stav jeho páru, bez ohľadu na to, ako ďaleko sú od seba. Pri tom sa Hobson odvoláva na túto kvantovú teóriu.

„Najzaujímavejšia vec v teórii kvantového zapletenia je, že zmena stavu oboch častíc nastáva okamžite: žiadne svetlo ani elektromagnetický signál by nestihol preniesť informácie z jedného systému do druhého. Dá sa teda povedať, že je to jeden objekt, rozdelený na dve časti priestorom, bez ohľadu na to, aká veľká je medzi nimi vzdialenosť,“ vysvetľuje Hobson.

Schrödingerova mačka už nie je živá a mŕtva zároveň. Je mŕtvy, ak dôjde k rozkladu, a živý, ak k rozkladu nikdy nedôjde.

Dodávame, že podobné riešenia tohto paradoxu navrhli za posledných tridsať rokov ešte tri skupiny vedcov, no nebrali sa vážne a zostali v širokých vedeckých kruhoch nepovšimnuté. Hobson, že riešenie paradoxov kvantovej mechaniky, aspoň teoretické, je pre jej hlboké pochopenie absolútne nevyhnutné.

Schrödinger

A len nedávno TEORETIKY VYSVETLILI, AKO GRAVITÁCIA ZABÍJA SCHROEDINGEROVU MAČKU, ale toto je už zložitejšie ...-

Fyzici spravidla vysvetľujú jav, že superpozícia je možná vo svete častíc, ale nemožná s mačkami alebo inými makro objektmi, interferenciou z prostredia. Keď kvantový objekt prejde poľom alebo interaguje s náhodnými časticami, okamžite nadobudne iba jeden stav – ako keby bol meraný. Takto sa superpozícia zrúti, ako sa vedci domnievali.

Ale aj keby bolo nejakým spôsobom možné izolovať makroobjekt, ktorý je v stave superpozície, od interakcií s inými časticami a poľami, skôr či neskôr by nadobudol jediný stav. Prinajmenšom to platí pre procesy prebiehajúce na povrchu Zeme.

„Niekde v medzihviezdnom priestore by možno mala mačka šancu, ale na Zemi alebo v blízkosti akejkoľvek planéty je to extrémne nepravdepodobné. A dôvodom je gravitácia, “vysvetľuje hlavný autor novej štúdie Igor Pikovsky () z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

Pikovský a jeho kolegovia z Viedenskej univerzity tvrdia, že gravitácia má deštruktívny vplyv na kvantové superpozície makroobjektov, a preto takéto javy v makrokozme nepozorujeme. Základný koncept novej hypotézy, mimochodom, v celovečernom filme "-Interstellar"-.

Einsteinova všeobecná teória relativity tvrdí, že extrémne masívny objekt bude deformovať časopriestor v jeho blízkosti. Ak vezmeme do úvahy situáciu na menšej úrovni, môžeme povedať, že pre molekulu umiestnenú blízko povrchu Zeme pôjde čas o niečo pomalšie ako pre molekulu, ktorá je na obežnej dráhe našej planéty.

Vplyvom gravitácie na časopriestor zaznamená molekula, ktorá spadá pod tento vplyv, odchýlku svojej polohy. A to by zase malo ovplyvniť aj jeho vnútornú energiu – vibrácie častíc v molekule, ktoré sa časom menia. Ak sa molekula uvedie do stavu kvantovej superpozície dvoch miest, potom by vzťah medzi polohou a vnútornou energiou čoskoro prinútil molekulu „vybrať si“ iba jednu z dvoch pozícií v priestore.

"Vo väčšine prípadov je fenomén dekoherencie spojený s vonkajším vplyvom, ale v tomto prípade interaguje vnútorná vibrácia častíc s pohybom samotnej molekuly," vysvetľuje Pikovsky.

Tento efekt ešte nebol pozorovaný, pretože iné zdroje dekoherencie, ako sú magnetické polia, tepelné žiarenie a vibrácie, sú zvyčajne oveľa silnejšie a spôsobujú deštrukciu kvantových systémov dávno pred gravitáciou. Experimentátori sa však snažia otestovať uvedenú hypotézu.

Podobné nastavenie by sa dalo použiť aj na testovanie schopnosti gravitácie ničiť kvantové systémy. Na to bude potrebné porovnať vertikálne a horizontálne interferometre: v prvom sa superpozícia čoskoro stratí v dôsledku dilatácie času v rôznych "-výškach" - dráhach, zatiaľ čo v druhom môže byť kvantová superpozícia zachovalé.

zdrojov

http://4brain.ru/blog/%D0%BA%D0%BE%D1%82-%D1%88%D1%80%D0%B5%D0%B4%D0%B8%D0%BD%D0% B3%D0%B5%D1%80%D0%B0-%D1%81%D1%83%D1%82%D1%8C-%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%81%D1% 82%D1%8B%D0%BC%D0%B8-%D1%81%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BC%D0%B8/

http://www.vesti.ru/doc.html?id=2632838

Tu je to trochu viac vedecké: napríklad a tu. Ak ešte neviete, prečítajte si o tom a čo to je. A zisťujeme čo

Článok popisuje, čo je Schrödingerova teória. Je ukázaný prínos tohto veľkého vedca pre modernú vedu, ako aj myšlienkový experiment, ktorý vynašiel o mačke. Stručne je načrtnutá oblasť použitia tohto druhu vedomostí.

Erwin Schrödinger

Notoricky známa mačka, ktorá nie je ani živá, ani mŕtva, sa teraz používa všade. Točia sa o ňom filmy, sú po ňom pomenované komunity o fyzike a zvieratách, dokonca existuje aj taká značka oblečenia. Najčastejšie však ľudia myslia paradox s nešťastnou mačkou. Na jeho tvorcu Erwina Schrödingera však spravidla zabúdajú. Narodil sa vo Viedni, ktorá bola vtedy súčasťou Rakúsko-Uhorska. Bol synom veľmi vzdelanej a bohatej rodiny. Jeho otec Rudolf vyrábal linoleum a investoval peniaze aj do vedy. Jeho matka bola dcérou chemika a Erwin často chodil počúvať dedkove prednášky na akadémiu.

Keďže jedna z vedcových babičiek bola Angličanka, od detstva sa zaujímal o cudzie jazyky a dokonale ovládal angličtinu. Niet divu, že v škole bol Schrödinger každý rok najlepší v triede a na univerzite kládol ťažké otázky. Vo vede na začiatku dvadsiateho storočia sa už odhalili nezrovnalosti medzi pochopiteľnejšou klasickou fyzikou a správaním častíc v mikro- a nanosvete. Na vyriešenie vznikajúcich rozporov hodil všetku svoju silu

Príspevok k vede

Na začiatok stojí za to povedať, že tento fyzik sa zaoberal mnohými oblasťami vedy. Keď však povieme „Schrödingerova teória“, nemáme na mysli ním vytvorený matematicky koherentný opis farby, ale jeho prínos ku kvantovej mechanike. V tých časoch išli technológie, experiment a teória ruka v ruke. Rozvinula sa fotografia, zaznamenali sa prvé spektrá a objavil sa fenomén rádioaktivity. Vedci, ktorí dostali výsledky, úzko spolupracovali s teoretikmi: súhlasili, dopĺňali sa a argumentovali. Vznikli nové školy a vedné odbory. Svet začal hrať úplne inými farbami a ľudstvo dostalo nové záhady. Napriek zložitosti matematického aparátu je možné jednoduchým jazykom opísať, čo je Schrödingerova teória.

Kvantový svet je jednoduchý!

Dnes je už dobre známe, že mierka študovaných objektov priamo ovplyvňuje výsledky. Objekty viditeľné okom sa riadia pojmami klasickej fyziky. Schrödingerova teória je aplikovateľná na telesá s veľkosťou sto krát sto nanometrov a menej. A najčastejšie hovoríme o jednotlivých atómoch a menších časticiach. Takže každý prvok mikrosystémov má súčasne vlastnosti častice aj vlny (dualizmus častice a vlny). Z hmotného sveta sú elektróny, protóny, neutróny atď. charakterizované hmotnosťou a s ňou spojenou zotrvačnosťou, rýchlosťou a zrýchlením. Z teoretickej vlny - parametre ako frekvencia a rezonancia. Aby vedci pochopili, ako je to zároveň možné a prečo sú od seba neoddeliteľné, museli vedci prehodnotiť celú myšlienku štruktúry látok vo všeobecnosti.

Schrödingerova teória naznačuje, že matematicky tieto dve vlastnosti súvisia prostredníctvom konštrukcie nazývanej vlnová funkcia. Nájdenie matematického popisu tohto konceptu prinieslo Schrödingerovi Nobelovu cenu. Fyzický význam, ktorý jej autor pripísal, sa však nezhodoval s myšlienkami Bohra, Sommerfelda, Heisenberga a Einsteina, ktorí založili takzvanú Kodanskú interpretáciu. Tu vznikol mačací paradox.

vlnová funkcia

Pokiaľ ide o mikrosvet elementárnych častíc, pojmy vlastné makroškálam strácajú význam: hmotnosť, objem, rýchlosť, veľkosť. A nestále pravdepodobnosti si prídu na svoje. Predmety takýchto rozmerov nemôže osoba fixovať - ​​ľuďom sú k dispozícii iba nepriame spôsoby štúdia. Napríklad pruhy svetla na citlivej obrazovke alebo na fólii, počet kliknutí, hrúbka nastriekanej fólie. Všetko ostatné je oblasť výpočtov.

Schrödingerova teória je založená na rovniciach, ktoré tento vedec odvodil. A ich integrálnou súčasťou je vlnová funkcia. Jednoznačne popisuje typ a kvantové vlastnosti skúmanej častice. Predpokladá sa, že ukazuje stav napríklad elektrónu. Sama však, na rozdiel od predstáv jej autora, nemá fyzikálny význam. Je to len šikovný matematický nástroj. Keďže náš článok prezentuje Schrödingerovu teóriu jednoducho, povedzme, že druhá mocnina vlnovej funkcie popisuje pravdepodobnosť nájdenia systému vo vopred určenom stave.

Mačka ako príklad makro objektu

S týmto výkladom, ktorý sa nazýva Kodaň, sám autor až do konca života nesúhlasil. Bol znechutený nejasnosťou pojmu pravdepodobnosti a trval na viditeľnosti samotnej funkcie a nie jej štvorca.

Ako príklad nekonzistentnosti takýchto predstáv uviedol, že v tomto prípade by mikrosvet ovplyvňoval makroobjekty. Teória hovorí nasledovné: ak sa živý organizmus (napríklad mačka) a kapsula s jedovatým plynom umiestnia do zapečatenej skrinky, ktorá sa otvorí, ak sa rozpadne určitý rádioaktívny prvok, a zostane uzavretá, ak k rozpadu nedôjde, potom pred otvorením krabice dostaneme paradox. Podľa kvantových koncepcií sa atóm rádioaktívneho prvku rozpadne s určitou pravdepodobnosťou za určitý čas. Pred experimentálnym objavom je teda atóm neporušený aj nie. A ako hovorí Schrödingerova teória, s rovnakou mierou pravdepodobnosti je mačka mŕtva a inak živá. Čo, vidíte, je absurdné, pretože po otvorení krabice nájdeme iba jeden stav zvieraťa. A v uzavretej nádobe vedľa smrtiacej kapsuly je mačka buď mŕtva alebo živá, pretože tieto indikátory sú diskrétne a neznamenajú medziľahlé možnosti.

Pre tento jav existuje konkrétne, no zatiaľ nie úplne preukázané vysvetlenie: pri absencii časovo limitujúcich podmienok na určenie konkrétneho stavu hypotetickej mačky je tento experiment nepochybne paradoxný. Kvantovo mechanické pravidlá však nemožno použiť pre makroobjekty. Presnú hranicu medzi mikrokozmom a všednosťou sa zatiaľ nepodarilo nakresliť. Napriek tomu zviera veľkosti mačky je bezpochyby makro objekt.

Aplikácie kvantovej mechaniky

Ako pri každom, aj teoretickom jave, vyvstáva otázka, ako môže byť Schrödingerova mačka užitočná. Napríklad teória veľkého tresku je založená práve na procesoch zahrnutých v tomto myšlienkovom experimente. Všetko, čo súvisí s ultravysokými rýchlosťami, ultramalou štruktúrou hmoty, skúmaním vesmíru ako takého, vysvetľuje okrem iného aj kvantová mechanika.