Таким образом, кошка описывается сложной волновой функцией, которая является результатом суперпозиции двух возможных состояний, объединенных на пятьдесят процентов:
Кот Шредингера
Некоторые из вас, возможно, слышали выражение «кот Шредингера». Однако большинство людей не знакомы с этим названием.
Если вы считаете себя мыслящим существом и даже претендуете на звание интеллектуала, вы обязательно должны знать, что такое кот Шредингера и почему он стал знаменитым в науке.
Кот Шредингера — это мысленный эксперимент, предложенный австрийским физиком-теоретиком Эрвином Шредингером. Этот талантливый ученый был удостоен Нобелевской премии по физике в 1933 году.
Своим знаменитым экспериментом он хотел показать несовершенство квантовой механики при переходе от субатомных к макроскопическим системам.
Эрвин Шредингер пытался объяснить свою теорию на примере кошки. Он хотел сделать ее как можно более простой, чтобы ее смысл был понятен каждому.
Вы узнаете, был ли он успешен или нет, когда дочитаете статью до конца.
Суть эксперимента Кот Шредингера
Физик опубликовал свою теорию в 1935 г. Ниже приводится отрывок из оригинальной статьи Шредингера с описанием эксперимента. Не пугайтесь, если сразу не поймете — ниже мы постараемся объяснить все простыми словами.
Предположим, что кошка заперта в стальной камере с такой злой машиной (которая должна быть защищена от прямого воздействия кошки): Внутри счетчика Гейгера находится такое малое количество радиоактивного вещества, что за один час может распасться только один атом, и с равной вероятностью — нет; когда это происходит, считывающая трубка разряжается и запускает реле, которое разбивает бутылку с цианистым водородом.
Если всю систему оставить на час, то можно сказать, что кошка по истечении этого времени будет жива, при условии, что не произойдет атомного распада.
Первый распад атома отравил бы кошку. Пси-функция общей системы выражала бы это, смешивая или размазывая живую и мертвую кошку (простите за выражение) в равных частях.
Характерно, что в таких случаях неопределенность, первоначально ограниченная индивидуальным миром, становится макроскопической неопределенностью, которая может быть устранена прямым наблюдением.
Это не позволяет нам наивно принимать «модель неопределенности» за отражение реальности. Это само по себе не подразумевает ничего неопределенного или противоречивого.
Есть разница между размытой или расфокусированной фотографией и фотографией с облаками или туманом.
Другими словами: У нас есть коробка и кошка. В коробке находится устройство с радиоактивным ядром и контейнер с ядовитым газом.
В эксперименте вероятность того, что ядро распадется или не распадется, составляет 50%. Если это происходит, животное умирает, в то время как кошка Шредингера живет, если ядро не умирает.
Мы запираем кошку в коробку и ждем час, размышляя о хрупкости жизни.
Согласно законам квантовой механики, ядро (а значит, и сама кошка) может принимать все возможные состояния одновременно (см. квантовая суперпозиция).
Поскольку коробка еще не была открыта, система «ядро кошки» предполагает два возможных события: «ядро распалось — кошка мертва» с вероятностью 50 % и «ядро не распалось — кошка жива» с той же вероятностью.
Оказывается, что кот Шредингера, сидящий в коробке, жив и мертв одновременно.
Копенгагенская интерпретация утверждает, что кошка жива и мертва одновременно в каждом случае. Решение о расщеплении ядра принимается не в момент открытия коробки, а уже тогда, когда ядро попадает в детектор.
Это происходит потому, что редукция волновой функции системы кошка-детектор-ядро никак не связана с наблюдением за человеком извне. Он напрямую связан с детектором-наблюдателем ядра.
Кот Шредингера простыми словами
Согласно законам квантовой механики, если атомное ядро не наблюдается, оно может быть продублировано, т.е. распад либо происходит, либо нет.
Это означает, что кот в коробке, представляющий ядро, может быть живым и мертвым одновременно.
Но в тот момент, когда наблюдатель решит открыть коробку, он сможет увидеть только одно из двух возможных состояний.
Но теперь возникает закономерный вопрос: когда именно система перестает существовать в двойном состоянии?
Основываясь на этом опыте, Шредингер принял точку зрения, что квантовая механика неполна без конкретных правил, объясняющих, когда происходит коллапс волновой функции.
Поскольку кот Шредингера рано или поздно должен быть либо жив, либо мертв, то же самое относится и к атомному ядру: оно либо распадается, либо нет.
Суть опыта человеческим языком
Шредингер хотел на примере кошки показать, что, согласно квантовой механике, животное может быть живым и мертвым одновременно. Это в принципе невозможно, что приводит к выводу, что квантовая механика сегодня имеет существенные недостатки.
Видеоролик из «Теории большого взрыва»
Персонаж Шелдона Купера пытается объяснить своей «поверхностной» подружке суть эксперимента с котом Шредингера. Для этого он использовал пример отношений между мужчиной и женщиной.
Чтобы выяснить их отношения, достаточно открыть коробку. И пока он будет закрыт, их отношения могут быть положительными и отрицательными одновременно.
Выжил ли кот Шредингера после опыта?
Если кто-то из наших читателей беспокоится о кошке, им следует успокоиться. Во время эксперимента ни одна из кошек не умерла, а сам Шредингер назвал свой эксперимент мысленным экспериментом, то есть экспериментом, проводимым исключительно в уме.
Надеемся, что вы поняли суть эксперимента с котом Шредингера. Если у вас остались вопросы, не стесняйтесь задавать их в комментариях. И, конечно же, поделитесь этой статьей в социальных сетях.
Если вы любите интересные факты — подписывайтесь на I nteresnye F akty.org как вам нравится. С нами всегда интересно!
Копенгагенская интерпретация
В копенгагенской интерпретации система перестает быть смесью состояний и выбирает одно из них в момент наблюдения. Эксперимент с кошкой показывает, что в этой интерпретации природа самого наблюдения — измерения — недостаточно определена. Некоторые считают, что опыт учит нас тому, что когда ящик закрыт, система одновременно находится в обоих состояниях, в суперпозиции состояний «распавшееся ядро, мертвая кошка» и «нераспавшееся ядро, живая кошка», и что волновая функция распадается на одну из двух возможностей только тогда, когда ящик открывается. Другие предполагают, что «наблюдение» происходит, когда частица из ядра попадает в детектор; однако (и в этом суть мысленного эксперимента) в копенгагенской интерпретации нет явного правила, которое бы говорило, когда это происходит, и поэтому эта интерпретация неполна, пока такое правило не будет введено в нее или не будет сказано, как оно может быть введено. Точное правило таково: случайность возникает там, где впервые применяется классический подход.
Поэтому мы можем полагаться на следующий подход: В макроскопических системах мы не наблюдаем квантовых эффектов (за исключением эффектов сверхтекучести и сверхпроводимости), поэтому если мы наложим макроскопическую волновую функцию на квантовое состояние, мы должны заключить из опыта, что суперпозиция разрушается. Хотя не совсем понятно, что значит «макроскопичность», в случае с кошкой мы точно знаем, что это макроскопический объект. Таким образом, копенгагенская интерпретация не говорит, что кот находится в состоянии смешения живого и мертвого до того, как коробка будет открыта.
Многоми́ровая интерпретация Эверетта и совместные истории
В многомировой интерпретации квантовой механики, которая не рассматривает процесс измерения как нечто особенное, оба состояния кошки существуют, но распадаются. Когда наблюдатель открывает коробку, он запутывается с кошкой, и это порождает два состояния наблюдателя, соответствующие живой и мертвой кошке, которые (состояния) не взаимодействуют друг с другом. Тот же механизм квантовой декогеренции важен и для общих историй. При таком толковании в общей истории может встречаться только «мертвая кошка» или «живая кошка».
Другими словами: Когда коробка открывается, вселенная разделяется на две разные вселенные: один наблюдатель смотрит на коробку с мертвой кошкой, а другой — на живую кошку. Парадокс?
Космолог Макс Тегмарк предложил вариант эксперимента с котом Шредингера — «квантовую машину самоубийства». Он рассматривает эксперимент с кошкой с точки зрения самой кошки и утверждает, что таким образом можно экспериментально провести различие между копенгагенской интерпретацией и мультивселенной. Другая вариация эксперимента — опыт с другом Вигнера.
Физик Стивен Хокинг однажды воскликнул: «Когда я слышу о кошке Шредингера, я достаю пистолет!». Он перефразировал известную немецкую цитату нацистского «поэта-лауреата» Ганса Йоста: «Когда я слышу «культура», я снимаю с предохранителя свой «Браунинг»!». («Когда я слышу слово «культура», моя рука тянется к браунингу!»).
Действительно, Хокинг и многие другие физики считают, что интерпретация «копенгагенской школы» квантовой механики неоправданно подчеркивает роль наблюдателя. Физики еще не пришли к окончательному согласию по этому вопросу.
Параллелизм миров в каждый момент времени соответствует истинному недетерминированному автомату в отличие от вероятностного, где на каждом шаге выбирается один из возможных путей в соответствии с его вероятностью.
Практическое применение
Все вышесказанное применяется на практике: в квантовых вычислениях и квантовой криптографии. Световой сигнал в суперпозиции двух состояний передается по оптоволоконному кабелю. Если злоумышленник подключается к кабелю где-то посередине и прослушивает передаваемую там информацию, волновая функция разрушается (в смысле копенгагенской интерпретации) и свет переключается в одно из состояний. Путем статистической выборки света на приемном конце кабеля можно определить, находится ли свет в суперпозиции состояний или он уже был замечен и передан в другое место. Это позволяет создавать средства связи, исключающие тонкий перехват и подслушивание сигналов.
Эксперимент (который в принципе осуществим, хотя функционирующие системы квантовой криптографии, способные передавать большие объемы информации, еще не созданы) также показывает, что «наблюдение» в копенгагенской интерпретации не имеет ничего общего с сознанием наблюдателя, поскольку в данном случае совершенно безжизненная ветвь кабеля приводит к изменению статистики на конце кабеля.
В квантовых вычислениях состоянием Шредингеровского кота называется особое запутанное состояние кубитов, при котором они все находятся в одинаковой суперпозиции всех нулей или единиц, то есть>(|00\dots 0\rangle+|11\dots 1\rangle)» width=»» height=»» />.
Суть эксперимента
О мысленном эксперименте под названием «кот Шредингера» ученый рассказал в 1935 г. Эксперимент был основан на принципе суперпозиции. Ученый отметил, что пока фотон не наблюдается, его можно наблюдать:
- частицей или волной;
- красным или зеленым;
- круглым или квадратным.
Из теории квантового дуализма вытекает принцип неопределенности, который лег в основу эксперимента с кошкой.
По сути, эксперимент проходит следующим образом:
- В закрытом ящике находятся кот, емкость с синильной кислотой и радиоактивное вещество.
- В течение часа ядро может распасться с вероятностью 50%.
- В случае распада атомного ядра, счетчик Гейгера зафиксирует это событие. Произойдет срабатывание механизма, будет разбита емкость с отравой, и кот умрет.
- Соответственно, если ядро не распадается, кот остается живым.
В эксперименте утверждается, что хотя кошка и атомное ядро не наблюдаются, они одновременно находятся в двух взаимоисключающих состояниях: Кошка одновременно жива и мертва, атомное ядро одновременно распадается и не распадается. Ученый доказал, что то, что возможно в квантовом мире, невозможно в макрокосмическом мире. Кошка не может умереть и остаться в живых одновременно.
Копенгагенская интерпретация теории
Копенгагенская интерпретация — это современная интерпретация эксперимента Шредингера. Она заключается в следующем: Пока в системе нет наблюдателя за атомным ядром, оно распадается и не распадается одновременно. Но утверждение о живой и мертвой кошке одновременно неверно, потому что в макромире нет таких явлений, как в микромире. В этом эксперименте мы должны рассмотреть атомное ядро и счетчик Гейгера.
Предполагается, что Шредингер не полностью описал свою систему опыта. Во время измерения атомное ядро может выбрать одно из двух состояний. Но этот выбор не имеет значения, когда кошачий ящик открыт. Открытие коробки относится к макрокосмосу, удаленному от индивидуального мира. Ядро, с другой стороны, выбирает свое состояние в тот момент, когда его обнаруживает счетчик Гейгера.
Многомировая интерпретация Эверетта
В интерпретации квантовой механики не существует дилеммы взаимоисключающих состояний. Оба состояния кошки — живое и мертвое — существуют, но они не связаны между собой. То есть, когда коробка открывается, происходит разделение или параллелизм Вселенной на две части, из которых наблюдатель видит в одной мертвую кошку, а в другой — живую.
Теория Шредингера имела практическое применение:
- в квантовых вычислениях;
- в квантовой криптографии.
Вот пример:
Световой сигнал передается по оптическому волокну, которое находится в суперпозиции двух состояний. Когда злоумышленник подключается к кабелю и принимает сигнал для прослушивания передаваемой информации, волновая функция разрушается (согласно копенгагенской интерпретации, появляется наблюдатель) и свет переходит в одно из двух состояний. Измеряя свет на приемном конце оптического волновода, можно определить, находится ли свет в суперпозиции состояний, вычислить результаты наблюдения и передать их в другую точку. Таким образом, можно создать средство связи, которое предотвращает перехват сигнала третьей стороной без обнаружения его передатчиком.
Как видите, эксперимент с кошкой Шредингера — не самое сложное понятие в физике. Это легко понять. Эксперты Phoenix.Help могут так же легко объяснить более сложные эксперименты, концепции и формулы. Не стесняйтесь обращаться за помощью!
Кот Шредингера: простыми словами о знаменитом эксперименте
Наверняка многие сталкивались с этой загадочной фразой. И большинство из них не смогли докопаться до сути. Кот Шредингера — это эксперимент, названный в честь его создателя, австрийского физика и одного из основателей квантовой механики. В нашем материале мы просто и лаконично объясняем значение эксперимента. Почему?
Эрвин Шредингер был известным физиком-теоретиком. В 1935 году он решил провести виртуальный эксперимент с кошкой. Все это для того, чтобы доказать, что копенгагенская интерпретация суперпозиции (смешение двух состояний) не совсем верна с точки зрения квантовой теории.
В чем суть эксперимента?
Шредингер мысленно помещает живую кошку в стальную камеру вместе с молотком, пузырьком коклюшной кислоты и очень небольшим количеством радиоактивного вещества. Если хотя бы один атом радиоактивного вещества распадается в течение времени испытания, релейный механизм запускает молоток. В результате баллон с ядовитым газом опрокидывается, и кошка умирает.
Так что же может суперпозировать?
Ни в одном учебнике по квантовой механике, который я читал, я не нашел критерия возможности суперпозиции. И только у Фейнмана я наткнулся на рецепт эксперимента по двухщелевому рассеянию.
Критерий Фейнмана
Никогда не суммируйте амплитуды различных, отличных друг от друга конечных состояний. Как только фотон улавливается одним из счетчиков фотонов вблизи щелей, мы всегда можем узнать, какая из альтернатив (взаимоисключающих событий) произошла, если это необходимо, без дальнейшего нарушения системы. Каждая альтернатива имеет свою собственную вероятность, совершенно независимую от других. Опять же, апостериори для различных конечных состояний не складываются (под «конечным состоянием» мы понимаем момент, когда нас интересует вероятность, т.е. когда опыт «заканчивается»). Но сложите амплитуды для различных неразличимых альтернатив во время самого опыта, пока весь процесс не закончился. В конце процесса вы можете сказать, если хотите: «Вы не хотите видеть фотон». Это ваше личное дело, но, повторюсь, задворки не открываются. Природа не знает, что вы смотрите на нее, и ей все равно, интересуетесь вы ее данными или нет. Поэтому мы не должны складывать спины.
Поэтому, конечно, если существуют неразличимые пути, которые достигают точки, где мы рассматриваем интерполяцию, то амплитуды этих путей складываются, и мы имеем интерполяцию. Если они физически неразличимы, то вероятности складываются, и помех нет. Под траекторией мы понимаем не только движение в обычном пространстве. Таким образом, если существует два способа разделения частицы с эффектом, то это должна быть суперпозиция.
Назовем приведенный выше постулат Фейнмана критерием суперпозиции Фейнмана. Поэтому Фейнман говорит, что накладываться могут только физически неразличимые орбиты.
Высказывание Дирака
каждый фотон интерферирует только с самим собой. Интерференция между двумя различными фотонами никогда не происходит.
Мы должны предположить, что это верно для каждого объекта. Поэтому кошка может мешать только самой себе. Мертвая кошка и живая кошка — это очень разные кошки. И нельзя называть труп дохлой кошкой. Это мертвая кошка, но это не кошка ни в каком смысле.
Сомнения
Что считается системой в принципе суперпозиции? Если мы рассматриваем состояния с различными значениями импульса электрона, то они, несомненно, являются различными состояниями системы, называемой электроном. Если рассматривать различные энергетические состояния атома водорода, то это тоже система, атом водорода. Однако Гейзенберг предложил рассматривать протон и нейтрон как разные состояния нуклона. Какова тогда возможная суперпозиция протона и нейтрона? Но тогда почему суперпозиция электрона и позитрона невозможна? Вы утверждаете, что это противоречит закону сохранения электрического заряда. Почему же тогда суперпозиция различных энергетических состояний не противоречит закону сохранения энергии? Передается ли энергия фотоном? Тогда заряд может быть передан и зарождающейся частицей. Можно обоснованно утверждать (Кемпфер, Липкин), что в природе не наблюдалось суперпозиций с разными электрическими зарядами, хотя такая суперпозиция не противоречит никакому закону.
О физической различимости орбит системы. Каковы отличительные особенности? Точки в пространстве? Нет. Точки времени? Заряды: Массовые, электрические, лептонные, барионные? Ротация? Только внутренние свойства? Фейнман говорит, что именно признаки во внешней среде могут быть обнаружены. Когда нейтроны рассеиваются в кристалле, нейтрон с обратным спином оставляет в кристалле след — ядро с обратным спином. Каждое неупругое рассеяние оставляет след (энергия, спин…) в рассеивающей среде, в то время как упругое рассеяние — нет. Это означает, что только упруго рассеивающиеся фотоны взаимодействуют при прохождении через стому.
Что не может суперпозировать?
Суперпозиция разных частиц
Представим себе эксперимент с двумя щелями, где через одну щель проходит плоская волна электронов, а через другую — плоская волна протонов. Предполагается, что длины волн де Бройля постоянны и одинаковы. Будут ли помехи? Если рассматривать волну протона формально, то она описывается точно так же, как и волна электрона. И почему не должно быть никакого вмешательства? В квантовой теории поля, однако, волны будут идентичны только в пространственной части. И они будут неравны в плоскости прямолинейности и вращения. Но давайте останемся в контексте обычного эксперимента по делению. Рассмотрим пучок электронов и отрицательных мюонов. И заряды, и вращения там равны. Но будет ли вмешательство? Критерий Фейнмана дает ответ. Поскольку частицы физически разделены, интерференция отсутствует. Подобно тому, как в эксперименте с одинаковыми частицами, когда прохождение через щель контролируется, частицы становятся различимыми благодаря контролю и интерференция исчезает, в эксперименте с разными частицами они уже изначально различимы. Помех не будет. И наоборот, частицы дискретны, если не наблюдается интерференции с внешне идентичными частицами, но из разных источников. Хотя эта дискретность (признак, ответственный за дискретность) еще не определена.
Суперпозиция мертвого и живого
Принцип суперпозиции относится к состояниям конкретной квантовой системы. Мертвая кошка и живая кошка — это совершенно разные физические системы. Накладывать можно только физически неразличимые альтернативы. И мертвые, и живые физически очень разные. Можно даже сказать, что не может быть большей разницы между мертвыми и живыми. Наше незнание того, жив кот или мертв, проистекает не из суперпозиции, а из недостатка информации, как и в любой классической вероятностной задаче. А в случае суперпозиции не может быть и речи о недостатке информации, и, как гласит копенгагенская интерпретация квантовой механики, не может быть.
Если эксперимент показывает, что упруго рассеянный нейтрон и неупруго рассеянный нейтрон не могут быть наложены друг на друга, то разумно сказать, что мертвая кошка и живая кошка не могут быть наложены друг на друга. Они принципиально отличаются друг от друга.
Суперпозиция живого и живого
В живой системе происходит постоянный обмен веществом и энергией с внешней средой. Таким образом, она постоянно маркируется — и становится физически очевидной. Жизнь, следовательно, не может вмешиваться. Она не может застыть и остаться идентичной. Оно не всегда тождественно самому себе. Это всегда другая система.
Таким образом, применяя критерий Фейнмана, мы приходим к выводу, что.
- Нейтрон с перевернутым спином и не перевернутым при рассеянии нейтронов на кристалле не суперпозируют
- Частицы с разными зарядами не могут суперпозировать. Протон и нейтрон суперпозируют только если забыть про электрические заряды — при отключении электромагнитного взаимодействия. Реально этого не сделать. И значит в реальности могут наблюдаться только некие следы от возможной суперпозиции. Например, сечения рассеяния протон-протон, нейтрон-нейтрон, протон-нейтрон будут близкими настолько насколько электромагнитное взаимодействие слабее сильного.
- Протон и электрон не могут суперпозировать
- Молекулы разных веществ не могут суперпозировать
Сомнения
Но почему суперпозиция кварка и лептона разрешена в суперсимметрии? Возможно, суперпозиция относительна, и если суперпозиции нет при определенных условиях, это не значит, что она невозможна в других ситуациях. Тогда принцип суперпозиции должен быть дополнен описанием состояния суперпозиции. Поэтому в случае развязки электромагнитного поля возможна суперпозиция протонов и нейтронов.
Что хотел показать Шредингер
Шредингер никогда не добивался такого успеха, как в случае со знаменитым котом-зомби.
На самом деле, это нежное животное из семейства кошачьих породило всевозможные причудливые альтернативные интерпретации.
Например, тот, который считает, что кошка жива в одной вселенной и мертва в другой, и занимается теориями мультивселенных.
Парадокс кота Шредингера — один из самых известных в мире, но мало кто в состоянии его понять. Поэтому мы не можем точно сказать, жива кошка или мертва, в каком она состоянии, голодна или спит.
Сколько бы лет ни прошло, он по-прежнему вызывает много споров. Хотя это, несомненно, самое известное животное семейства кошачьих на планете, и, вероятно, самое долгоживущее, потому что если оно живо, то сохранилось на долгие годы в своей коробке….. Или нет?
Кот Шредингера существует только в фантастике, но ученые потратили десятилетия на создание котов (квантовых систем в суперпозиции состояний) со все большим количеством частиц или даже на попытки спасти жизнь животного.
Все это — небольшой шаг вперед в трудной задаче решения загадок квантовой механики, потому что это математический подход. Сегодня он в основном используется в квантовых вычислениях, но также может применяться для точных измерений и квантовой криптографии.
