O Schrödingerovoj mački jednostavnim riječima. Schrödingerova mačka - poznati paradoksalni eksperiment
Sigurno ste više puta čuli da postoji takav fenomen kao što je "Schrödingerova mačka". Ali ako niste fizičar, onda najvjerojatnije imate samo nejasnu ideju o tome kakva je to mačka i zašto je potrebna.
“Schrödingerova mačka” naziv je poznatog misaonog eksperimenta slavnog austrijskog teorijskog fizičara Erwina Schrödingera, koji je i laureat Nobelova nagrada. Uz pomoć ovog fiktivnog eksperimenta, znanstvenik je želio pokazati nepotpunost kvantna mehanika tijekom prijelaza iz subatomskih sustava u makroskopske sustave.
Ovaj članak pokušava objasniti jednostavnim riječima bit Schrödingerove teorije o mački i kvantnoj mehanici, tako da je dostupna i osobi koja nema visoko tehničko obrazovanje. U članku će biti predstavljene i različite interpretacije eksperimenta, uključujući one iz TV serije “Teorija velikog praska”.
Sadržaj:
1. Opis pokusa
2. Objašnjenje jednostavnim riječima
3. Video iz Teorije velikog praska
4. Recenzije i komentari
Opis pokusa
Izvorni članak Erwina Schrödingera objavljen je 1935. U njemu je eksperiment opisan tehnikom usporedbe ili čak personifikacije:
Također možete konstruirati slučajeve u kojima je prilično burleske. Neka neka mačka bude zatvorena u čeličnu komoru sa sljedećim đavolskim strojem (koji bi trebao biti bez obzira na mačju intervenciju): unutar Geigerovog brojača nalazi se sićušna količina radioaktivne tvari, toliko mala da se samo jedan atom može raspasti u sat vremena, ali s istom vjerojatnošću ne može se raspasti; ako se to dogodi, cijev za očitavanje se isprazni i relej se aktivira, otpuštajući čekić koji razbija tikvicu s cijanovodičnom kiselinom.
Ako cijeli ovaj sustav ostavimo sam sebi na sat vremena, onda možemo reći da će mačka nakon tog vremena biti živa, sve dok se atom ne raspadne. Već prvi raspad atoma otrovao bi mačku. Psi-funkcija sustava kao cjeline će to izraziti miješanjem ili mazanjem žive i mrtve mačke (oprostite na izrazu) u jednakim dijelovima. Ono što je tipično u takvim slučajevima je da se neizvjesnost izvorno ograničena na atomski svijet transformira u makroskopsku nesigurnost, koja se može eliminirati izravnim promatranjem. To nas sprječava da naivno prihvatimo "model zamućenja" kao odraz stvarnosti. To samo po sebi ne znači ništa nejasno ili kontradiktorno. Postoji razlika između mutne fotografije ili fotografije koja nije u fokusu i fotografije oblaka ili magle.
________________________________________
Drugim riječima:
1. Tu su kutija i mačka. Kutija sadrži mehanizam koji sadrži radioaktivnu atomsku jezgru i spremnik s otrovni plin. Eksperimentalni parametri odabrani su tako da je vjerojatnost nuklearnog raspada u 1 sat 50%. Ako se jezgra raspadne, otvara se spremnik plina i mačka umire. Ako se jezgra ne raspadne, mačka ostaje živa i zdrava.
2. Mačku zatvorimo u kutiju, pričekamo sat vremena i pitamo se: je li mačka živa ili mrtva?
3. Čini se da nam kvantna mehanika govori da je atomska jezgra (a time i mačka) u svim mogućim stanjima istovremeno (vidi kvantnu superpoziciju). Prije nego što otvorimo kutiju, sustav cat-core je u stanju "jezgra se raspala, mačka je mrtva" s vjerojatnošću od 50% i u stanju "jezgra se nije raspala, mačka je živa" s vjerojatnost od 50%. Ispostavilo se da je mačka koja sjedi u kutiji i živa i mrtva u isto vrijeme.
4. Prema modernoj kopenhaškoj interpretaciji, mačka je živa/mrtva bez ikakvih međustanja. A izbor stanja raspada jezgre ne događa se u trenutku otvaranja kutije, već čak i kada jezgra uđe u detektor. Jer redukcija valne funkcije sustava “mačka-detektor-jezgra” nije povezana s ljudskim promatračem kutije, već je povezana s detektorom-promatračem jezgre.
Objašnjenje jednostavnim riječima
Prema kvantnoj mehanici, ako se jezgra atoma ne promatra, tada je njeno stanje opisano mješavinom dvaju stanja - raspadnute jezgre i neraspadnute jezgre, dakle, mačka koja sjedi u kutiji i personificira jezgru atoma je i živ i mrtav u isto vrijeme. Ako se kutija otvori, eksperimentator može vidjeti samo jedno specifično stanje - "jezgra se raspala, mačka je mrtva" ili "jezgra se nije raspala, mačka je živa".
Suština ljudskim jezikom: Schrödingerov eksperiment pokazao je da je mačka sa stajališta kvantne mehanike i živa i mrtva, što ne može biti. Stoga kvantna mehanika ima značajne nedostatke.
Pitanje je: kada sustav prestaje postojati kao mješavina dviju država i bira jedno specifično? Svrha je eksperimenta pokazati da je kvantna mehanika nepotpuna bez nekih pravila koja pokazuju pod kojim uvjetima valna funkcija kolabira, a mačka ili postaje mrtva ili ostaje živa, ali prestaje biti mješavina obojega. Budući da je jasno da mačka mora biti ili živa ili mrtva (ne postoji posredno stanje između života i smrti), to će biti slično i za atomsku jezgru. Mora biti ili raspadnuto ili neraspadnuto (Wikipedia).
Video iz Teorije velikog praska
Još jedno novije tumačenje Schrödingerovog misaonog eksperimenta je priča koju je lik iz Teorije velikog praska Sheldon Cooper ispričao svojoj manje obrazovanoj susjedi Penny. Poanta Sheldonove priče je da se koncept Schrödingerove mačke može primijeniti na ljudske odnose. Da biste razumjeli što se događa između muškarca i žene, kakav je odnos između njih: dobar ili loš, samo trebate otvoriti kutiju. Do tada je veza i dobra i loša.
Ispod je video isječak ove Teorije velikog praska razmjene između Sheldona i Penie.
Je li mačka ostala živa kao rezultat pokusa?
Za one koji nisu pažljivo pročitali članak, ali su još uvijek zabrinuti za mačku - dobre vijesti: Ne brinite, prema našim podacima, rezultat je misaonog eksperimenta ludog austrijskog fizičara
NIJEDNA MAČKA NIJE OZLIJEĐENA
Može li mačka biti i živa i mrtva u isto vrijeme? Koliko ima paralelnih svemira? I postoje li uopće? Ovo uopće nisu pitanja znanstvene fantastike, već vrlo stvarni znanstveni problemi koje rješava kvantna fizika.
Pa počnimo s Schrödingerova mačka. Ovo je misaoni eksperiment koji je predložio Erwin Schrödinger kako bi ukazao na paradoks koji postoji u kvantnoj fizici. Suština eksperimenta je sljedeća.
U zatvorenu kutiju istovremeno se nalazi zamišljena mačka, kao i isti zamišljeni mehanizam s radioaktivnom jezgrom i spremnikom otrovnog plina. Prema eksperimentu, ako se jezgra raspadne, aktivirat će mehanizam: plinski spremnik će se otvoriti i mačka će umrijeti. Vjerojatnost nuklearnog raspada je 1 prema 2.
Paradoks je da, prema kvantnoj mehanici, ako se jezgra ne promatra, onda je mačka u takozvanoj superpoziciji, drugim riječima, mačka je istovremeno u međusobno isključivim stanjima (živa je i mrtva). Međutim, ako promatrač otvori kutiju, može potvrditi da je mačka u jednom određenom stanju: ili je živa ili mrtva. Prema Schrödingeru, nepotpunost kvantne teorije leži u činjenici da ona ne precizira pod kojim uvjetima mačka prestaje biti u superpoziciji i ispada ili živa ili mrtva.
Ovaj paradoks je složen Wignerovim eksperimentom, koji dodaje kategoriju prijatelja već postojećem misaonom eksperimentu. Prema Wigneru, kada eksperimentator otvori kutiju, znat će je li mačka živa ili mrtva. Za eksperimentatora mačka prestaje biti u superpoziciji, ali za prijatelja koji je iza vrata, a koji još ne zna za rezultate eksperimenta, mačka je još uvijek negdje “između života i smrti”. To se može nastaviti s beskonačnim brojem vrata i prijatelja, a prema sličnoj logici mačka će biti u superpoziciji sve dok svi ljudi u Svemiru ne saznaju što je eksperimentator vidio kad je otvorio kutiju.
Kako kvantna fizika objašnjava takav paradoks? Kvantna fizika predlaže misaoni eksperiment kvantno samoubojstvo i dva moguća scenarija temeljena na različitim interpretacijama kvantne mehanike.
U misaonom eksperimentu, pištolj je uperen u sudionika i ili će opaliti kao rezultat raspada radioaktivnog atoma ili neće. Opet 50 prema 50. Dakle, sudionik eksperimenta ili će umrijeti ili ne, ali zasad je, poput Schrödingerove mačke, u superpoziciji.
Ova situacija može se tumačiti na različite načine sa stajališta kvantne mehanike. Prema tumačenju Kopenhagena, pištolj će na kraju opaliti i sudionik će umrijeti. Prema Everettovoj interpretaciji, superpozicija osigurava prisutnost dvaju paralelnih svemira u kojima sudionik istovremeno postoji: u jednom od njih je živ (puška nije opalila), u drugom je mrtav (puška je opalila). Međutim, ako je interpretacija više svjetova točna, onda u jednom od svemira sudionik uvijek ostaje živ, što dovodi do ideje o postojanju "kvantne besmrtnosti".
Što se tiče Schrödingerove mačke i promatrača eksperimenta, i on se, prema Everettovoj interpretaciji, nalazi u dva svemira odjednom, odnosno u “kvantnom jeziku” s njim “upleten” u sebe i mačku.
Zvuči kao priča iz fantastični roman međutim, ovo je jedan od mnogih znanstvene teorije, koji se odvija u modernoj fizici.
Kako nam je objasnio Heisenberg, zbog principa nesigurnosti, opis objekata u kvantnom mikrosvijetu je drugačije prirode od uobičajenog opisa objekata u Newtonovom makrosvijetu. Umjesto prostornih koordinata i brzine, kojima smo navikli opisivati mehaničko gibanje, primjerice, kuglice na biljarskom stolu, u kvantnoj mehanici objekte opisujemo takozvanom valnom funkcijom. Vrh “vala” odgovara najvećoj vjerojatnosti pronalaska čestice u prostoru u trenutku mjerenja. Kretanje takvog vala opisuje Schrödingerova jednadžba, koja nam govori kako se stanje kvantnog sustava mijenja tijekom vremena.
Sada o mački. Svi znaju da se mačke vole skrivati u kutijama (). Erwin Schrödinger također je bio upoznat. Štoviše, s čisto nordijskim fanatizmom, upotrijebio je ovu značajku u poznatom misaonom eksperimentu. Suština je bila da je mačka zatvorena u kutiju s paklenim strojem. Stroj je preko releja povezan s kvantnim sustavom, na primjer, radioaktivno raspadnutom tvari. Vjerojatnost propadanja je poznata i iznosi 50%. Pakleni stroj se pokreće kada se kvantno stanje sustava promijeni (dođe do raspada) i mačka potpuno umre. Ostavite li sustav “Cat-box-hellish machine-quanta” jedan sat sam sebi i prisjetite se da je stanje kvantnog sustava opisano u terminima vjerojatnosti, tada postaje jasno da hoće li mačka biti živa ili ne ovisi o ovaj trenutak vremena, vjerojatno neće raditi, kao što neće biti moguće točno predvidjeti pad novčića na glavu ili rep unaprijed. Paradoks je vrlo jednostavan: valna funkcija koja opisuje kvantni sustav miješa dva stanja mačke - ona je živa i mrtva u isto vrijeme, baš kao što se vezani elektron može s jednakom vjerojatnošću nalaziti na bilo kojem mjestu u prostoru jednako udaljenom od atomska jezgra. Ako ne otvorimo kutiju, ne znamo točno kako je mačka. Bez promatranja (čitaj mjerenja) atomske jezgre, njezino stanje možemo opisati samo superpozicijom (miješanjem) dvaju stanja: raspadnute i neraspadnute jezgre. Mačka u nuklearnoj ovisnosti je i živa i mrtva u isto vrijeme. Pitanje je: kada sustav prestaje postojati kao mješavina dviju država i bira jedno specifično?
Kopenhagenska interpretacija eksperimenta nam govori da sustav prestaje biti mješavina stanja i bira jedno od njih u trenutku kada se dogodi promatranje, koje je ujedno i mjerenje (kutija se otvara). Odnosno, sama činjenica mjerenja mijenja fizičku stvarnost, dovodeći do kolapsa valne funkcije (mačka ili postaje mrtva ili ostaje živa, ali prestaje biti mješavina obojega)! Razmislite, eksperiment i mjerenja koja ga prate mijenjaju stvarnost oko nas. Meni osobno ta činjenica smeta puno više od alkohola. Taj paradoks teško doživljava i poznati Steve Hawking, koji ponavlja da kada čuje za Schrödingerovu mačku, njegova ruka posegne za Browningom. Oštrina reakcije vrsnog teorijskog fizičara posljedica je činjenice da je, po njegovom mišljenju, uloga promatrača u kolapsu valne funkcije (kolapsu u jedno od dva probabilistička) stanja jako preuveličana.
Naravno, kada je profesor Erwin osmislio svoje mučenje mačaka davne 1935., bio je to genijalan način da se pokaže nesavršenost kvantne mehanike. Zapravo, mačka ne može biti živa i mrtva u isto vrijeme. Kao rezultat jedne od interpretacija eksperimenta, postalo je očito da postoji proturječnost između zakona makrosvijeta (na primjer, drugi zakon termodinamike - mačka je ili živa ili mrtva) i mikro- svijet (mačka je živa i mrtva u isto vrijeme).
Navedeno se koristi u praksi: u kvantnom računalstvu i kvantnoj kriptografiji. Svjetlosni signal u superpoziciji dva stanja šalje se kroz optički kabel. Ako se napadači spoje na kabel negdje u sredini i tamo naprave signalnu slavinu kako bi prisluškivali odaslane informacije, tada će to urušiti valnu funkciju (sa stajališta kopenhaške interpretacije, promatrat će se) i svjetlo će prijeći u jedno od stanja. Provođenjem statističkih testova svjetlosti na prijemnom kraju kabela, bit će moguće detektirati je li svjetlost u superpoziciji stanja ili je već opažena i prenesena na drugu točku. To radi moguće stvaranje komunikacijska sredstva koja isključuju nedetektabilno presretanje signala i prisluškivanje.
Još jedno novije tumačenje Schrödingerovog misaonog eksperimenta je priča koju je lik iz Teorije velikog praska Sheldon Cooper ispričao svojoj manje obrazovanoj susjedi Penny. Poanta Sheldonove priče je da se koncept Schrödingerove mačke može primijeniti na ljudske odnose. Da biste razumjeli što se događa između muškarca i žene, kakav je odnos između njih: dobar ili loš, samo trebate otvoriti kutiju. Do tada je veza i dobra i loša.
Kako nam je objasnio Heisenberg, zbog principa nesigurnosti, opis objekata u kvantnom mikrosvijetu je drugačije prirode od uobičajenog opisa objekata u Newtonovom makrosvijetu. Umjesto prostornih koordinata i brzine, kojima smo navikli opisivati mehaničko gibanje, primjerice, kuglice na biljarskom stolu, u kvantnoj mehanici objekte opisujemo takozvanom valnom funkcijom. Vrh “vala” odgovara najvećoj vjerojatnosti pronalaska čestice u prostoru u trenutku mjerenja. Kretanje takvog vala opisuje Schrödingerova jednadžba, koja nam govori kako se stanje kvantnog sustava mijenja tijekom vremena.
Sada o mački. Svi znaju da se mačke vole skrivati u kutijama (). Erwin Schrödinger također je bio upoznat. Štoviše, s čisto nordijskim fanatizmom, upotrijebio je ovu značajku u poznatom misaonom eksperimentu. Suština je bila da je mačka zatvorena u kutiju s paklenim strojem. Stroj je preko releja povezan s kvantnim sustavom, na primjer, radioaktivno raspadnutom tvari. Vjerojatnost propadanja je poznata i iznosi 50%. Pakleni stroj se pokreće kada se kvantno stanje sustava promijeni (dođe do raspada) i mačka potpuno umre. Ostavite li sustav “Cat-box-hellish machine-quanta” jedan sat sam sebi i prisjetite se da je stanje kvantnog sustava opisano u terminima vjerojatnosti, tada postaje jasno da vjerojatno neće biti moguće otkriti je li mačka živa ili ne u određenom trenutku, kao što je nemoguće unaprijed točno predvidjeti pad novčića na glavu ili rep. Paradoks je vrlo jednostavan: valna funkcija koja opisuje kvantni sustav miješa dva stanja mačke - ona je živa i mrtva u isto vrijeme, baš kao što se vezani elektron može s jednakom vjerojatnošću nalaziti na bilo kojem mjestu u prostoru jednako udaljenom od atomska jezgra. Ako ne otvorimo kutiju, ne znamo točno kako je mačka. Bez promatranja (čitaj mjerenja) atomske jezgre, njezino stanje možemo opisati samo superpozicijom (miješanjem) dvaju stanja: raspadnute i neraspadnute jezgre. Mačka u nuklearnoj ovisnosti je i živa i mrtva u isto vrijeme. Pitanje je: kada sustav prestaje postojati kao mješavina dviju država i bira jedno specifično?
Kopenhagenska interpretacija eksperimenta nam govori da sustav prestaje biti mješavina stanja i bira jedno od njih u trenutku kada se dogodi promatranje, koje je ujedno i mjerenje (kutija se otvara). Odnosno, sama činjenica mjerenja mijenja fizičku stvarnost, dovodeći do kolapsa valne funkcije (mačka ili postaje mrtva ili ostaje živa, ali prestaje biti mješavina obojega)! Razmislite, eksperiment i mjerenja koja ga prate mijenjaju stvarnost oko nas. Meni osobno ta činjenica smeta puno više od alkohola. Taj paradoks teško doživljava i poznati Steve Hawking, koji ponavlja da kada čuje za Schrödingerovu mačku, njegova ruka posegne za Browningom. Oštrina reakcije vrsnog teorijskog fizičara posljedica je činjenice da je, po njegovom mišljenju, uloga promatrača u kolapsu valne funkcije (kolapsu u jedno od dva probabilistička) stanja jako preuveličana.
Naravno, kada je profesor Erwin osmislio svoje mučenje mačaka davne 1935., bio je to genijalan način da se pokaže nesavršenost kvantne mehanike. Zapravo, mačka ne može biti živa i mrtva u isto vrijeme. Kao rezultat jedne od interpretacija eksperimenta, postalo je očito da postoji proturječnost između zakona makrosvijeta (na primjer, drugi zakon termodinamike - mačka je ili živa ili mrtva) i mikro- svijet (mačka je živa i mrtva u isto vrijeme).
Navedeno se koristi u praksi: u kvantnom računalstvu i kvantnoj kriptografiji. Svjetlosni signal u superpoziciji dva stanja šalje se kroz optički kabel. Ako se napadači spoje na kabel negdje u sredini i tamo naprave signalnu slavinu kako bi prisluškivali odaslane informacije, tada će to urušiti valnu funkciju (sa stajališta kopenhaške interpretacije, promatrat će se) i svjetlo će prijeći u jedno od stanja. Provođenjem statističkih testova svjetlosti na prijemnom kraju kabela, bit će moguće otkriti je li svjetlost u superpoziciji stanja ili je već opažena i prenesena na drugu točku. To omogućuje stvaranje sredstava komunikacije koja isključuju neprimjetljivo presretanje signala i prisluškivanje.
Još jedno novije tumačenje Schrödingerovog misaonog eksperimenta je priča koju je lik iz Teorije velikog praska Sheldon Cooper ispričao svojoj manje obrazovanoj susjedi Penny. Poanta Sheldonove priče je da se koncept Schrödingerove mačke može primijeniti na ljudske odnose. Da biste razumjeli što se događa između muškarca i žene, kakav je odnos između njih: dobar ili loš, samo trebate otvoriti kutiju. Do tada je veza i dobra i loša.
Schrödingerova mačka poznati je misaoni eksperiment. Režirao ga je slavni nobelovac iz područja fizike, austrijski znanstvenik Erwin Rudolf Joseph Alexander Schrödinger.
Suština eksperimenta bila je sljedeća. Mačka je smještena u zatvorenu komoru (boks). Kutija je opremljena mehanizmom koji sadrži radioaktivnu jezgru i otrovni plin. Parametri su odabrani tako da je vjerojatnost nuklearnog raspada u jednom satu točno pedeset posto. Ako se jezgra raspadne, mehanizam će se aktivirati i otvorit će se spremnik s otrovnim plinom. Stoga će Schrödingerova mačka umrijeti.
Prema zakonima, ako ne promatrate jezgru, tada će njena stanja biti opisana s dva glavna stanja - raspadnutom i neraspadnutom jezgrom. I tu nastaje paradoks: Schrödingerova mačka, koja sjedi u kutiji, može biti i mrtva i živa u isto vrijeme. Ali ako se okvir otvori, eksperimentator će vidjeti samo jedno specifično stanje. Ili se "jezgra raspala i mačka je mrtva" ili "jezgra se nije raspala i Schrödingerova mačka je živa".
Logično, na izlazu ćemo imati jednu od dvije stvari: ili živu mačku ili mrtvu. Ali potencijalno je životinja u oba stanja odjednom. Schrödinger je na taj način pokušao dokazati svoje mišljenje o ograničenosti kvantne mehanike.
Prema tumačenju iz Kopenhagena, a posebno prema ovom eksperimentu, mačka u jednoj od svojih potencijalnih faza (mrtva-živa) poprima ova svojstva tek nakon što se vanjski promatrač umiješa u proces. Ali dok tog promatrača nema (ovdje mislimo na prisutnost određene osobnosti koja ima prednosti jasnoće vida i svijesti), mačka će biti u limbu “između života i smrti”.
Poznata antička prispodoba da mačka hoda sama u kontekstu ovog eksperimenta dobiva nove, zanimljive nijanse.
Prema Everettu, koji se bitno razlikuje od klasičnog kopenhagenskog, proces promatranja ne smatra se nečim posebnim. Oba stanja u kojima može biti Schrödingerova mačka mogu postojati u ovoj interpretaciji. Ali one se dekoheriraju jedna s drugom. To znači da će jedinstvo tih država biti narušeno upravo kao rezultat interakcije s vanjskim svijetom. Promatrač koji otvara kutiju je taj koji unosi razdor u stanje mačke.
Postoji mišljenje da posljednju riječ u ovom pitanju treba prepustiti takvom stvorenju kao što je Schrödingerova mačka. Smisao takvog mišljenja je prihvaćanje činjenice da je u cijelom ovom eksperimentu životinja jedini apsolutno kompetentan promatrač. Na primjer, znanstvenici Max Tegmark, Bruno Marshall i Hans Moraven predstavili su modifikaciju gornjeg eksperimenta, gdje je glavno gledište mišljenje mačke. U ovom slučaju Schrödingerova mačka nedvojbeno preživi, jer samo preživjela mačka može promatrati rezultate. No, znanstvenik Nadav Katz objavio je svoje rezultate u kojima je uspio "vratiti" stanje čestice nakon promjene stanja. Stoga se šanse mačke za preživljavanje značajno povećavaju.