กล่องดำเออร์วิน ชโรดิงเงอร์ ความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ วัตถุในโลกต่างๆ

แมวสามารถเป็นและตายพร้อมกันได้หรือไม่? จักรวาลคู่ขนานมีกี่จักรวาล? และพวกมันก็มีอยู่จริงเหรอ? คำถามเหล่านี้ไม่ใช่คำถามนิยายวิทยาศาสตร์ แต่เป็นคำถามทางวิทยาศาสตร์ที่แท้จริงซึ่งแก้ไขได้ด้วยฟิสิกส์ควอนตัม

เรามาเริ่มกันด้วย แมวของชโรดิงเงอร์- นี่คือการทดลองทางความคิดที่เสนอโดย Erwin Schrödinger เพื่อชี้ให้เห็นความขัดแย้งที่มีอยู่ในฟิสิกส์ควอนตัม สาระสำคัญของการทดลองมีดังนี้

แมวในจินตนาการถูกวางไว้พร้อมกันในกล่องปิด เช่นเดียวกับกลไกจินตภาพเดียวกันกับแกนกัมมันตภาพรังสีและภาชนะบรรจุก๊าซพิษ จากการทดลองนี้ หากนิวเคลียสสลายตัว มันจะกระตุ้นกลไกนี้ ถังแก๊สจะเปิดออก และแมวก็จะตาย ความน่าจะเป็นที่นิวเคลียร์จะสลายตัวคือ 1 ใน 2

ความขัดแย้งก็คือ ตามกลศาสตร์ควอนตัม หากไม่สังเกตนิวเคลียส แมวก็อยู่ในสิ่งที่เรียกว่าการซ้อนทับ หรืออีกนัยหนึ่ง แมวก็อยู่ในสถานะแยกจากกันพร้อมๆ กัน (ทั้งมีชีวิตและตาย) อย่างไรก็ตาม หากผู้สังเกตการณ์เปิดกล่อง เขาสามารถตรวจสอบได้ว่าแมวอยู่ในสถานะใดสถานะหนึ่ง นั่นคือ ยังมีชีวิตอยู่หรือตายไปแล้ว จากข้อมูลของชโรดิงเงอร์ ความไม่สมบูรณ์ของทฤษฎีควอนตัมนั้นอยู่ที่ความจริงที่ว่ามันไม่ได้ระบุภายใต้เงื่อนไขใดที่แมวจะยุติการซ้อนทับและกลายเป็นว่ามีชีวิตอยู่หรือตายไปแล้ว

ความขัดแย้งนี้ประกอบขึ้นด้วยการทดลองของ Wigner ซึ่งเพิ่มหมวดหมู่ของเพื่อนเข้าไปในการทดลองทางความคิดที่มีอยู่แล้ว ตามที่ Wigner กล่าว เมื่อผู้ทดลองเปิดกล่อง เขาจะรู้ว่าแมวยังมีชีวิตอยู่หรือตายไปแล้ว สำหรับผู้ทดลอง แมวจะเลิกอยู่ในสถานะซ้อนทับ แต่สำหรับเพื่อนที่อยู่หลังประตู และยังไม่ทราบผลการทดลอง แมวก็ยังคงอยู่ที่ไหนสักแห่ง "ระหว่างความเป็นและความตาย" สิ่งนี้สามารถดำเนินต่อไปได้โดยมีประตูและเพื่อนจำนวนไม่สิ้นสุด และตามตรรกะที่คล้ายกัน แมวจะอยู่ในตำแหน่งซ้อนทับจนกว่าทุกคนในจักรวาลจะรู้ว่าผู้ทดลองเห็นอะไรเมื่อเขาเปิดกล่อง

ฟิสิกส์ควอนตัมอธิบายความขัดแย้งดังกล่าวได้อย่างไร ฟิสิกส์ควอนตัมเสนอการทดลองทางความคิด การฆ่าตัวตายควอนตัมและสองสถานการณ์ที่เป็นไปได้ตามการตีความที่แตกต่างกัน กลศาสตร์ควอนตัม.

ในการทดลองทางความคิด ปืนจะชี้ไปที่ผู้เข้าร่วมและจะยิงปืนอันเป็นผลมาจากการสลายตัวของอะตอมกัมมันตรังสีหรือไม่ก็จะไม่ยิง อีกครั้ง 50 ถึง 50 ดังนั้น ผู้เข้าร่วมในการทดลองจะตายหรือไม่ก็ตาม แต่สำหรับตอนนี้ เขาเป็นเหมือนแมวของชเรอดิงเงอร์ที่ซ้อนทับกัน

สถานการณ์นี้สามารถตีความได้หลายวิธีจากมุมมองของกลศาสตร์ควอนตัม ตามการตีความของโคเปนเฮเกน ปืนจะหลุดออกมาในที่สุดและผู้เข้าร่วมจะเสียชีวิต ตามการตีความของเอเวอเรตต์ การซ้อนทับหมายถึงการมีอยู่ของจักรวาลคู่ขนานสองจักรวาลซึ่งมีผู้เข้าร่วมอยู่พร้อมกัน: หนึ่งในนั้นเขายังมีชีวิตอยู่ (ปืนไม่ได้ยิง) ในวินาทีที่เขาตาย (อาวุธยิง) อย่างไรก็ตามหากการตีความหลายโลกถูกต้องผู้เข้าร่วมจะยังคงมีชีวิตอยู่ในจักรวาลใดจักรวาลหนึ่งซึ่งนำไปสู่ความคิดเรื่องการดำรงอยู่ของ "ความเป็นอมตะควอนตัม"

สำหรับแมวของชโรดิงเงอร์และผู้สังเกตการณ์การทดลอง ตามการตีความของเอเวอเร็ตต์ เขาก็พบว่าตัวเองและแมวอยู่ในจักรวาลสองแห่งพร้อมกัน นั่นคือ "ภาษาควอนตัม" "พัวพัน" กับเขาในคราวเดียว

ดูเหมือนเรื่องราวจากนิยายวิทยาศาสตร์ อย่างไรก็ตาม เป็นหนึ่งในทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์ที่มีอยู่ในฟิสิกส์สมัยใหม่

· บราและเก็ต · แฮมิลตันเนียน · ทฤษฎีควอนตัมเก่า

สาระสำคัญของการทดลอง

บทความต้นฉบับของชโรดิงเงอร์บรรยายการทดลองดังนี้:

นอกจากนี้ยังเป็นไปได้ที่จะสร้างกรณีที่ล้อเลียนก็เพียงพอแล้ว แมวบางตัวถูกขังอยู่ในห้องเหล็กพร้อมกับเครื่องจักรจากนรกต่อไปนี้ (ซึ่งต้องได้รับการปกป้องไม่ให้แมวเข้ามาแทรกแซงโดยตรง): ภายในเครื่องนับไกเกอร์จะมีสารกัมมันตภาพรังสีจำนวนเล็กน้อย ซึ่งมีขนาดเล็กมากจนมีเพียงอะตอมเดียวเท่านั้นที่สามารถสลายตัวใน ชั่วโมงแต่มีความน่าจะเป็นเท่าเดิมและไม่กระจุย หากสิ่งนี้เกิดขึ้น ท่ออ่านจะถูกปล่อยออกมาและรีเลย์จะทำงาน โดยปล่อยค้อนซึ่งจะทำให้ขวดแตกด้วยกรดไฮโดรไซยานิก ถ้าเราปล่อยให้ระบบทั้งหมดนี้อยู่กับตัวเองเป็นเวลาหนึ่งชั่วโมง เราก็สามารถพูดได้ว่าแมวจะมีชีวิตอยู่หลังจากเวลานี้ ตราบใดที่อะตอมไม่สลายตัว การสลายตัวของอะตอมครั้งแรกจะทำให้แมวเป็นพิษ ฟังก์ชัน psi ของระบบโดยรวมจะแสดงสิ่งนี้โดยการผสมหรือทาสิ่งมีชีวิตและแมวที่ตายแล้ว (ขออภัยในการแสดงออก) ในส่วนเท่า ๆ กัน

เคล็ดลับก็คือเนื่องจากการทับซ้อนกัน จึงมีขั้นตอนการคำนวณมากมายเกิดขึ้นในเวลาเดียวกัน ข้อเสียเปรียบเพียงอย่างเดียวคือต้องใช้งานสถานะการซ้อนทับจึงจะอ่านผลการวัดได้ และเป็นเรื่องบังเอิญที่กำหนดว่าค่าที่วัดได้เป็น 0 หรือ 1 สำหรับควิบิต ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้คอมพิวเตอร์ควอนตัมสำหรับการใช้งานที่เฉพาะเจาะจงมาก: “สิ่งสำคัญคือต้องถามเฉพาะคำถามที่ทักษะสามารถถูกหลอกได้ด้วยการผสมผสานที่เชี่ยวชาญ และผลลัพธ์สามารถตีความได้อย่างชัดเจน” เฮฟฟ์เนอร์กล่าว

ตัวอย่างเช่น การถอดรหัสรหัสลับที่ต้องแยกย่อยตัวเลขออกเป็นปัจจัยเฉพาะ หรือการจำลองระบบกลไกควอนตัมอื่นๆ เช่น ในฟิสิกส์สถานะของแข็ง นี่เป็นการยิงโมเลกุลที่กำแพงซึ่งมาร์คุส อาร์นดท์และทีมงานของเขาฝึกซ้อมในกรุงเวียนนา โมเลกุลรูปฟุตบอลขนาดใหญ่ที่มีอะตอมคาร์บอน 60 อะตอม เรียกว่าฟูลเลอรีน ยิงไปที่ตาราง พวกเขาใช้อุปกรณ์นับจำนวนอันซับซ้อนเพื่อสังเกตตำแหน่งที่โมเลกุลตกลงไปด้านหลังกริด "เพื่อให้เข้าใจได้ดีขึ้นว่าเกิดอะไรขึ้นในการทดลอง คุณสามารถนึกถึงกำแพงที่มีสองช่องแทนที่จะเป็นตาราง" Arndt กล่าว

สิ่งที่เป็นเรื่องปกติในกรณีเช่นนี้คือความไม่แน่นอนที่แต่เดิมจำกัดอยู่แค่ในโลกอะตอมนั้นถูกแปลงเป็นความไม่แน่นอนในระดับมหภาค ซึ่งสามารถกำจัดได้ด้วยการสังเกตโดยตรง สิ่งนี้ป้องกันไม่ให้เรายอมรับ "แบบจำลองเบลอ" อย่างไร้เดียงสาว่าสะท้อนความเป็นจริง สิ่งนี้ไม่ได้หมายถึงสิ่งใดที่ไม่ชัดเจนหรือขัดแย้งกัน มีความแตกต่างระหว่างภาพถ่ายที่เบลอหรือไม่อยู่ในโฟกัสกับภาพถ่ายเมฆหรือหมอก

เนื่องจากวัตถุเชิงกลของควอนตัมมีคุณสมบัติทั้งอนุภาคและคลื่น สิ่งที่เกิดขึ้นเบื้องหลัง "ช่องสลิตคู่" จึงเป็นสิ่งที่เกิดขึ้นกับคลื่นน้ำอย่างแน่นอน นั่นคือคลื่นวงกลมก่อตัวรอบๆ แต่ละช่อง ซึ่งจะทับซ้อนกัน หากยอดคลื่นบรรจบกับรางคลื่น ทั้งสองจะหักล้างกัน แต่ยอดคลื่นหรือหุบเขาสองแห่งจะเสริมกำลังซึ่งกันและกัน ที่จุดขยายใน "รูปแบบการเลี้ยวเบน" นี้ อนุภาคจำนวนมากจึงถูกตรวจพบด้านหลังสลิตคู่ แต่ไม่มีเลยที่จุดสูญพันธุ์

ผลกระทบทางควอนตัมยังสามารถเกิดขึ้นได้เมื่อใช้โมเลกุลขนาดใหญ่ขึ้น

“อนุภาคที่หนักกว่า ความยาวคลื่นที่สามารถนำมาประกอบกับมันได้ก็จะสั้นลง” Markus Arndt กล่าว “นี่คือสิ่งที่ทำให้การทดลองกับโมเลกุลยากขึ้น” ด้วยอิเล็กตรอนขนาดเล็กแทนที่จะเป็นโมเลกุลขนาดใหญ่ การทดลองแบบสลิตคู่จึงถือเป็นคลาสสิกในกลศาสตร์ควอนตัม เพราะคุณสามารถทำอะไรแปลกๆ กับกลศาสตร์ควอนตัมได้หลายอย่าง สิ่งที่แปลกที่สุดคือแม้ว่าอนุภาคจะสะสมทีละชิ้นบนช่องสลิตคู่ แต่รูปแบบการเลี้ยวเบนก็ดูแตกต่างออกไป! “ซึ่งหมายความว่าทุกอนุภาคจะต้องผ่านทั้งสองคอลัมน์พร้อมกันเหมือนคลื่น” Markus Arndt กล่าว “เพราะมันต้องมาจากแต่ละคลื่นคอลัมน์จึงจะสามารถทับซ้อนกันได้”

ตามกลศาสตร์ควอนตัม หากไม่มีการสังเกตนิวเคลียส สถานะของนิวเคลียสจะถูกอธิบายโดยการซ้อน (การผสม) ของสองสถานะ - นิวเคลียสที่เน่าเปื่อยและนิวเคลียสที่ไม่เน่าเปื่อย ดังนั้น แมวที่นั่งอยู่ในกล่องจึงมีทั้งชีวิตและตาย ในเวลาเดียวกัน หากเปิดกล่อง ผู้ทดลองจะมองเห็นสถานะเฉพาะเพียงสถานะเดียวเท่านั้น ได้แก่ "นิวเคลียสเน่าเปื่อย แมวตายแล้ว" หรือ "นิวเคลียสยังไม่เน่าเปื่อย แมวยังมีชีวิตอยู่"

คำถามจะเป็นดังนี้: เมื่อใดที่ระบบจะหยุดดำรงอยู่เป็นส่วนผสมของสองสถานะและเลือกสถานะใดสถานะหนึ่งโดยเฉพาะวัตถุประสงค์ของการทดลองคือเพื่อแสดงให้เห็นว่ากลศาสตร์ควอนตัมไม่สมบูรณ์หากไม่มีกฎเกณฑ์บางประการที่ระบุภายใต้เงื่อนไขใดที่ฟังก์ชันคลื่นพังทลาย และแมวอาจตายหรือยังมีชีวิตอยู่ แต่สิ้นสุดการเป็นส่วนผสมของทั้งสองอย่าง

เนื่องจากเป็นที่ชัดเจนว่าแมวจะต้องมีชีวิตอยู่หรือตายไปแล้ว (ไม่มีสภาวะใดที่รวมความเป็นและความตายเข้าด้วยกัน) สิ่งนี้จะคล้ายกับนิวเคลียสของอะตอม มันจะต้องเน่าเปื่อยหรือไม่เน่าเปื่อย

ในระบบที่ซับซ้อนขนาดใหญ่ที่ประกอบด้วยอะตอมหลายพันล้านอะตอม การแยกส่วนจะเกิดขึ้นเกือบจะในทันที และด้วยเหตุนี้ แมวจึงไม่สามารถทั้งตายและมีชีวิตอยู่ได้ในระยะเวลาที่วัดได้ กระบวนการแยกส่วนเป็นองค์ประกอบสำคัญของการทดลอง

บทความต้นฉบับตีพิมพ์ในปี 1935 บทความนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อหารือเกี่ยวกับ Einstein–Podolsky–Rosen Paradox (EPR) ซึ่งจัดพิมพ์โดย Einstein, Podolsky และ Rosen เมื่อต้นปีนั้น เอกสาร EPR และ Schrödinger สรุปลักษณะที่แปลกประหลาดของ "การพัวพันของควอนตัม" (เยอรมัน: การพัวพันของควอนตัม) เวอร์ชรันกุง, ภาษาอังกฤษ สิ่งกีดขวางควอนตัมซึ่งเป็นคำที่ชโรดิงเงอร์ประกาศเกียรติคุณ) ลักษณะเฉพาะของสถานะควอนตัมที่ซ้อนทับกันของสถานะของทั้งสองระบบ (เช่น อนุภาคมูลฐานสองอนุภาค)

การตีความโคเปนเฮเกน

ในความเป็นจริง ฮอว์คิงและนักฟิสิกส์คนอื่นๆ หลายคนมีความเห็นว่าการตีความกลศาสตร์ควอนตัมของโรงเรียนโคเปนเฮเกนนั้นไม่ยุติธรรมในการเน้นบทบาทของผู้สังเกตการณ์ ความสามัคคีขั้นสุดท้ายระหว่างนักฟิสิกส์ในประเด็นนี้ยังไม่บรรลุผลสำเร็จ

ความขนานของโลกในแต่ละช่วงเวลาสอดคล้องกับหุ่นยนต์ที่ไม่สามารถกำหนดได้อย่างแท้จริง ตรงกันข้ามกับความน่าจะเป็น เมื่อในแต่ละขั้นตอนหนึ่งของ วิธีที่เป็นไปได้ขึ้นอยู่กับโอกาสของพวกเขา

ความขัดแย้งของวิกเนอร์

นี่เป็นการทดลองของชโรดิงเงอร์เวอร์ชันที่ซับซ้อน Eugene Wigner แนะนำหมวดหมู่ของ "เพื่อน" หลังจากเสร็จสิ้นการทดลอง ผู้ทดลองเปิดกล่องและเห็นแมวที่มีชีวิต เวกเตอร์สถานะของแมวในขณะที่เปิดกล่องจะเข้าสู่สถานะ "นิวเคลียสไม่เน่าเปื่อย แมวยังมีชีวิตอยู่" ดังนั้นในห้องทดลองแมวจึงได้รับการยอมรับว่ายังมีชีวิตอยู่ ภายนอกห้องปฏิบัติการคือ เพื่อน. เพื่อนยังไม่รู้ว่าแมวยังมีชีวิตอยู่หรือตายไปแล้ว เพื่อนจะจดจำแมวว่ายังมีชีวิตอยู่ก็ต่อเมื่อผู้ทดลองบอกผลการทดลองแก่เขาเท่านั้น แต่คนอื่นๆ เพื่อนแมวยังไม่ได้รับการยอมรับว่ายังมีชีวิตอยู่ และจะได้รับการยอมรับก็ต่อเมื่อพวกเขาได้รับแจ้งถึงผลการทดลองเท่านั้น ดังนั้น แมวจึงสามารถรับรู้ได้ว่ายังมีชีวิตอยู่โดยสมบูรณ์ (หรือตายสนิท) เมื่อทุกคนในจักรวาลรู้ผลการทดลองนี้ ถึงขั้นนี้เลยทีเดียว จักรวาลอันยิ่งใหญ่ตามข้อมูลของ Wigner แมวยังคงมีชีวิตอยู่และตายในเวลาเดียวกันในวิทยาการเข้ารหัสลับควอนตัม สัญญาณไฟที่ซ้อนทับกันของสองสถานะจะถูกส่งผ่านสายเคเบิลไฟเบอร์ออปติก หากผู้โจมตีเชื่อมต่อกับสายเคเบิลที่ไหนสักแห่งตรงกลางและทำการแตะสัญญาณที่นั่นเพื่อดักฟังข้อมูลที่ส่ง สิ่งนี้จะทำให้ฟังก์ชันคลื่นล่ม (จากมุมมองของการตีความโคเปนเฮเกน จะมีการสังเกต) และ แสงจะเข้าสู่รัฐใดรัฐหนึ่ง ด้วยการดำเนินการทดสอบทางสถิติของแสงที่ปลายรับของสายเคเบิล จะสามารถตรวจจับได้ว่าแสงอยู่ในสถานะซ้อนหรือถูกสังเกตแล้วและส่งไปยังจุดอื่นหรือไม่ มันทำ การสร้างที่เป็นไปได้วิธีการสื่อสารที่ไม่รวมถึงการสกัดกั้นและการดักฟังสัญญาณที่ไม่สามารถตรวจจับได้

การทดลอง (ซึ่งโดยหลักการแล้วสามารถทำได้ แม้ว่ายังไม่ได้สร้างระบบการเข้ารหัสควอนตัมที่ทำงานซึ่งสามารถส่งข้อมูลจำนวนมากได้ก็ตาม) ยังแสดงให้เห็นว่า "การสังเกต" ในการตีความแบบโคเปนเฮเกนไม่เกี่ยวข้องกับจิตสำนึกของผู้สังเกตการณ์ เนื่องจากในกรณีนี้การเปลี่ยนแปลงทางสถิติที่ปลายสายเคเบิลทำให้เกิดกิ่งก้านของเส้นลวดที่ไม่มีชีวิตอย่างสมบูรณ์

ในการคำนวณควอนตัม สถานะแมวของชโรดิงเงอร์เป็นสถานะควิบิตที่พันกันเป็นพิเศษ โดยที่คิวบิตทั้งหมดอยู่ในตำแหน่งซ้อนทับกันของศูนย์หรือหนึ่งทั้งหมด นั่นคือ 1 2 (| 00 … 0 ⟩ + | 11 … 1 ⟩) (\displaystyle (\frac (1)(\sqrt (2)))(|00\dots 0\rangle +|11\dots 1\rangle)).