Про кота шредінгера простими словами. Парадокс кота Шредінгера. Пояснення сенсу

Була свого роду «вторинність». Сам він рідко займався певною науковою проблемою. Його улюбленим жанром роботи був відгук на чиєсь наукове дослідження, розвиток цієї роботи або її критика. Незважаючи на те, що сам Шредінгер був індивідуалістом за характером, йому завжди була потрібна чужа думка, опора для подальшої роботи. Незважаючи на цей своєрідний підхід, Шредінгер вдалося зробити чимало відкриттів.

Біографічні дані

Теорія Шредінгера зараз відома не лише студентам фізико-математичних факультетів. Вона буде цікава кожному, хто відчуває інтерес до популярної науки. Ця теорія була створена відомим фізикомЕ. Шредінгером, який увійшов в історію як один із творців квантової механіки. Вчений народився 12 серпня 1887 року у сім'ї власника фабрики з виготовлення клейонки. Майбутній учений, який прославився на весь світ своєю загадкою, захоплювався у дитинстві ботанікою та малюванням. Першим його наставником був батько. У 1906 році Шредінгер розпочав навчання у Віденському університеті, під час якого і почав захоплюватися фізикою. Коли настала Перша світова війна, вчений пішов на службу артилеристом. У вільний часзаймався вивченням теорій Альберта Ейнштейна.

На початку 1927 року у науці склалася драматична ситуація. Е. Шредінгер вважав, що основою теорії про квантові процеси повинна бути ідея про безперервність хвиль. Гейзенберг, навпаки, вважав, що фундаментом для цієї галузі знань має бути концепція про дискретність хвиль, а також ідея про квантові стрибки. Нільс Бор не приймав жодної з позицій.

Досягнення у науці

За створення концепції хвильової механіки в 1933 Шредінгер отримав Нобелівську премію. Проте, вихований у традиціях класичної фізики, вчений було мислити іншими категоріями і вважав квантову механіку повноцінної галуззю знання. Його не могло задовольнити двоїсте поведінка частинок, і він намагався звести його виключно до хвильового. У своїй дискусії з Н. Бором Шредінгер висловився так: "Якщо ми плануємо зберегти в науці ці квантові стрибки, тоді я взагалі шкодую, що пов'язав своє життя з атомною фізикою".

Подальші роботи дослідника

При цьому Шредінгер був не лише одним із творців сучасної квантової механіки. Саме він був тим ученим, який увів у науковий ужиток термін «об'єктність опису». Це можливість наукових теорій описувати реальність без спостерігача. Його подальші дослідження були присвячені теорії відносності, термодинамічних процесів, нелінійної електродинаміки Борна. Також вченим було зроблено кілька спроб створити єдину теорію поля. Крім того, Е. Шредінгер володів шістьма мовами.

Найзнаменитіша загадка

Теорія Шредінгера, в якій фігурує цей кіт, виросла з критики вченого квантової теорії. Один з її основних постулатів говорить, що поки за системою не проводиться спостереження, вона перебуває в стані суперпозиції. А саме, у двох і більше станах, що виключають існування один одного. Стан суперпозиції у науці має таке визначення: це здатність кванта, яким може бути електрон, фотон, або, наприклад, ядро ​​атома, знаходитися одночасно у двох станах або навіть у двох точках простору в той момент, коли ніхто за ним не спостерігає.

Об'єкти у різних світах

Простій людині дуже складно зрозуміти таке визначення. Адже кожен об'єкт матеріального світу може бути або в одній точці простору або в іншій. Проілюструвати цей феномен можна так. Спостерігач бере дві коробки, і кладе в одну з них кульку для тенісу. Буде ясно, що в одній коробці він знаходиться, а в іншій – ні. Але якщо в одну з ємностей покласти електрон, то вірним буде наступне твердження: ця частка знаходиться одночасно у двох коробках, хоч би яким парадоксальним це здавалося. Так само електрон в атомі не знаходиться в строго певній точці в той чи інший момент часу. Він обертається навколо ядра, розташовуючись по всіх точках орбіти одночасно. У науці цей феномен називається «електронною хмарою».

Що хотів довести вчений?

Таким чином, поведінка дрібних і великих об'єктів реалізується за різними правилами. У квантовому світі існують одні закони, а макросвіті - абсолютно інші. Однак немає такої концепції, яка б пояснювала перехід від світу матеріальних предметів, звичних для людей, до мікросвіту. Теорія Шредінгера і була створена, щоб продемонструвати недостатність досліджень у галузі фізики. Вчений хотів показати, що є наука, метою якої є опис невеликих об'єктів, і область знань, що вивчає звичайні предмети. Багато в чому завдяки роботам вченого і відбувся поділ фізики на дві області: квантову та класичну.

Теорія Шредінгера: опис

Свій знаменитий уявний експеримент вчений описав у 1935 році. У його проведенні Шредінгер спирався на принцип суперпозиції. Шредінгер підкреслював, що доки ми не спостерігаємо за фотоном, він може бути як часткою, так і хвилею; як червоним, і зеленим; як круглим, і квадратним. Цей принцип невизначеності, що безпосередньо випливає з концепції квантового дуалізму, Шредінгер і використав у своїй відомій загадці про кота. Сенс експерименту коротко полягає в наступному:

• У закриту коробку міститься кіт, а також ємність, в якій міститься синильна кислота та радіоактивна речовина.
• Ядро протягом години може розпадатися. Імовірність цього становить 50%.
• Якщо атомне ядро ​​розпадеться, це буде зафіксовано лічильником Гейгера. Механізм спрацює, і ящик із отрутою буде розбитий. Кіт помре.
• Якщо розпаду не станеться, то кіт Шредінгера буде живий.

Згідно з цією теорією, поки не здійснюється спостереження за котом, він знаходиться одночасно в двох станах (мертвий і живий), так само, як і ядро ​​атома (що розпалося або не розпалося). Звичайно, це можливо лише за законами квантового світу. У макросвіті кіт може бути і живим, і мертвим одночасно.

Парадокс спостерігача

Щоб зрозуміти суть теорії Шредінгера, необхідно мати уявлення про феномен спостерігача. Його сенс полягає в тому, що об'єкти мікросвіту можуть знаходитися одночасно у двох станах тільки тоді, коли за ними немає спостереження. Наприклад, у науці відомий так званий «Експеримент з двома щілинами та спостерігачем». На непрозору пластинку, у якій було зроблено дві вертикальні щілини, вчені спрямовували пучок електронів. На екрані, що знаходився за пластиною, електрони малювали хвилеву картину. Іншими словами, вони залишали чорні та білі смуги. Коли ж дослідники захотіли поспостерігати, як електрони пролітають через щілини, то частинки відобразили на екрані лише дві вертикальні смуги. Вони вели себе як частинки, а не як хвилі.

Копенгагенське пояснення

Сучасне пояснення теорії Шредінгера зветься копенгагенського. Виходячи з парадоксу спостерігача, воно звучить наступним чином: доти, поки ніхто не спостерігає за ядром атома в системі, воно знаходиться одночасно в двох станах - розпався і не розпався. Однак твердження про те, що кіт живий і мертвий одночасно, є вкрай помилковим. Адже в макросвіті ніколи не спостерігаються ті ж явища, що й у мікросвіті.

Тому йдеться не про систему «кіт-ядро», а про те, що між собою пов'язані лічильник Гейгера та ядро ​​атома. Ядро може вибрати той чи інший стан у момент, коли вимірюються. Однак цей вибір має місце не в той момент, коли експериментатор відкриває ящик із котом Шредінгера. Насправді, відкриття ящика має місце у макросвіті. Іншими словами, у системі, яка дуже далека від атомного світу. Тому ядро ​​вибирає свій стан саме у той момент, коли воно потрапляє на детектор лічильника Гейгера. Таким чином, Ервін Шредінгер у своєму уявному експерименті описав систему недостатньо повно.

Загальні висновки

Таким чином, не зовсім коректно пов'язувати макросистему із мікроскопічним світом. У макросвіті квантові закони втрачають чинність. Ядро атома може бути одночасно у двох станах тільки в мікросвіті. Те саме не може бути сказано щодо кота, оскільки він є об'єктом макросвіту. Тому тільки на перший погляд складається враження, що кіт переходить із суперпозиції в один із станів у момент відкриття ящика. Насправді, його доля визначається в той момент, коли атомне ядро ​​взаємодіє з детектором. Висновок можна зробити таким: стан системи в загадці Ервіна Шредінгера ніяк не пов'язаний із людиною. Воно залежить немає від експериментатора, як від детектора - предмета, який «веде спостереження» за ядром.

Продовження концепції

Теорія Шредінгера простими словамиописується так: поки спостерігач не дивиться на систему, вона може бути одночасно у двох станах. Однак ще один вчений - Юджін Вігнер, пішов далі і вирішив довести концепцію Шредінгера до повного абсурду. "Дозвольте! - сказав Вігнер, - А що якщо поруч із експериментатором, який спостерігає за котом, стоїть його колега?" Напарник не знає про те, що саме побачив сам експериментатор у той момент, коли відкрив коробку з котом. Кіт Шредінгера виходить із стану суперпозиції. Однак не для колеги спостерігача. Тільки в той момент, коли останньому стане відома доля кота, тварину можна назвати живою або мертвою. Крім того, на планеті Земля мешкають мільярди людей. І останній вердикт можна буде винести лише тоді, коли результат експерименту стане надбанням всіх живих істот. Звичайно, всім людям можна розповісти долю кота та теорію Шредінгера коротко, проте це дуже довгий та трудомісткий процес.

Принципи квантового дуалізму у фізиці так і не були спростовані уявним експериментом Шредінгера. У якомусь сенсі кожну істоту можна назвати ні живою і ні мертвою (що знаходиться в суперпозиції) доти, доки є хоча б одна людина, яка за нею не спостерігає.

У статті описується, що таке теорія Шредінгера. Показано внесок цього великого вченого в сучасну науку, і навіть описаний вигаданий їм уявний досвід про кота. Коротко змальовано область застосування таких знань.

Ервін Шредінгер

Горезвісного кота, який ні живий, ні мертвий, зараз задіяні скрізь. Про нього знімають фільми, на його честь називають співтовариства про фізику та тварин, є навіть такий бренд одягу. Але найчастіше люди мають на увазі парадокс із нещасним котом. А ось про його автора, Ервіна Шредінгера, як правило, забувають. Він народився у Відні, який тоді був частиною Австро-Угорщини. Був сином дуже освіченої та заможної сім'ї. Його батько, Рудольф, виробляв лінолеум і вкладав гроші навіть у науку. Його мати була дочкою хіміка, і Ервін часто ходив слухати до академії лекції діда.

Оскільки одна з бабусь вченого була англійкою, з дитинства він був зацікавлений іноземними мовамиі досконало опанував англійську. Не дивно, що в школі Шредінгер щороку був найкращим у класі, а в університеті ставив складні питання. У науці початку двадцятого століття вже було виявлено невідповідності між більш зрозумілою класичною фізикою та поведінкою частинок мікро- та наноміру. На вирішення виникаючих протиріч і кинув усі сили

Внесок в науку

Спочатку варто сказати, що цей фізик займався багатьма областями науки. Однак коли ми вимовляємо «теорія Шредінгера», то маємо на увазі не створений ним математично стрункий опис кольору, а внесок у квантову механіку. У ті часи технологія, експеримент і теорія йшли пліч-о-пліч. Розвивалася фотографія, було зафіксовано перші спектри, відкрилося явище радіоактивності. Вчені, які отримували результати, тісно взаємодіяли з теоретиками: погоджувалися, доповнювали одне одного, сперечалися. Створювалися нові школи та галузі науки. Світ заграв зовсім іншими фарбами, і людство отримало нові загадки. Незважаючи на складність математичного апарату, описати, що таке теорія Шредінгера, простою мовоюможна, можливо.

Квантовий світ – це просто!

Зараз добре відомо, що масштаб об'єктів, що досліджуються, безпосередньо впливає на результати. Видимі оку предмети підпорядковуються поняттям класичної фізики. Теорія Шредінгера застосовна до тіл розмірами сто на сто нанометрів і менше. А найчастіше йдеться взагалі про окремі атоми і дрібніші частинки. Отже, кожен елемент мікросистем має одночасно властивості як частинки, так і хвилі (корпускулярно-хвильовий дуалізм). Від матеріального світу електронам, протонам, нейтронам тощо притаманна маса і пов'язані з нею інерція, швидкість, прискорення. Від теоретичної хвилі – такі параметри, як частота та резонанс. Для того щоб зрозуміти, як це можливо одночасно, і чому вони невіддільні один від одного, ученим потрібно було переглянути все уявлення про будову речовин.

Теорія Шредінгера передбачає, що ці дві властивості пов'язані через якийсь конструкт, званий хвильової функцією. Знаходження математичного опису цього поняття принесло Шредінгер Нобелівську премію. Однак фізичний зміст, який приписав йому автор, не співпав із уявленнями Бора, Зоммерфельда, Гейзенберга та Ейнштейна, які започаткували так звану Копенгагенську інтерпретацію. Звідси виник «парадокс кота».

Хвильова функція

Коли йдеться про мікросвіт елементарних частинок, втрачають сенс поняття, властиві макромасштабам: маса, обсяг, швидкість, розмір. І вступають у свої права хиткі ймовірності. Об'єкти таких розмірів неможливо зафіксувати людині - людям доступні лише опосередковані способи вивчення. Наприклад, смужки світла на чутливому екрані або на плівці, кількість клацань, товщина плівки, що напилюється. Решта - область розрахунків.

Теорія Шредінгера будується на рівняннях, що їх вивів цей учений. А їхньою невід'ємною складовою є хвильова функція. Вона однозначно визначає тип і квантові властивості досліджуваної частки. Вважається, що хвильова функція демонструє стан, наприклад, електрона. Однак вона сама, попри уявлення її автора, фізичного сенсу не має. Це просто зручний математичний інструмент. Так як у нашій статті викладається теорія Шредінгера простими словами, скажімо, що квадрат хвильової функції описує можливість знайти систему заздалегідь заданому стані.

Кіт як приклад макрооб'єкта

З цією інтерпретацією, яка називається копенгагенською, сам автор не погодився до кінця життя. Йому занепала розмитість поняття ймовірності, і він наполягав на наочності самої функції, а чи не її квадрата.

Як приклад неспроможності таких уявлень він стверджував, що в такому випадку мікросвіт впливав би на макрооб'єкти. Теорія свідчить таке: якщо в герметичну коробку помістити живий організм (наприклад, кота) і капсулу з отруйним газом, яка відкривається, якщо радіоактивний елемент розпадається, і залишається закритою, якщо розпад не відбувається, то до відкриття коробки отримуємо парадокс. Згідно з квантовими уявленнями, атом радіоактивного елемента з деякою ймовірністю за певний проміжок часу розпадеться. Таким чином, до експериментального виявлення атом одночасно цілий і ні. І, як говорить теорія Шредінгера, на цю ж частку ймовірності кіт одночасно мертвий, а в іншому живий. Що, погодьтеся, абсурдно, бо відкривши коробку, ми виявимо тільки один стан тварини. І в закритій ємності, поряд зі смертоносною капсулою, кіт або мертвий, або живий, оскільки ці показники дискретні і не припускають проміжних варіантів.

Даному феномену є конкретне, але доки до кінця доведене пояснення: за відсутності обмежують час умов визначення конкретного стану гіпотетичного кота цей експеримент, безсумнівно, парадоксальний. Проте квантовомеханічні правила не можна використовуватиме макрообъектов. Точно провести кордон між мікросвітом та звичайним поки що не вийшло. Проте тварина розміром із кішку, без сумнівів, – макрооб'єкт.

Застосування квантової механіки

Як і будь-якого, навіть теоретичного, явища, постає питання, чим може бути корисний кіт Шредінгера. Теорія великого вибуху, наприклад, ґрунтується саме на процесах, що стосуються цього уявного експерименту. Все, що відноситься до надвисоких швидкостей, надмалу будову речовини, вивчення всесвіту як такого, пояснюється в тому числі і квантовою механікою.

Знання не можна купити, тут їх дають безкоштовно!

Парадокс "Кіт Шредінгера"

«Будь-хто, хто не шокований квантовою теорією, Не розуміє її », - так сказав Нільс Бор, засновник квантової теорії.
Основа класичної фізики – однозначна запрограмованість світу, інакше лапласовський детермінізм, з появою квантової механіки змінилася вторгненням світу невизначеностей та імовірнісних подій. І тут, до речі, виявилися для фізиків-теоретиків уявні експерименти. Це були пробні камені, у яких перевірялися нові ідеї.

"Кіт Шредінгера" - це уявний експеримент, Запропонований Ервіном Шредінгером, яким він хотів показати неповноту квантової механіки при переході від субатомних систем до систем макроскопічним.

У закриту шухляду поміщений кіт. У ящику є механізм, що містить радіоактивне ядро, та ємність з отруйним газом. Імовірність того, що ядро ​​розпадеться за 1 годину, становить 1/2. Якщо ядро ​​розпадається, воно приводить механізм у дію, він відкриває ємність із газом, і кіт помирає. Згідно квантової механіки, якщо над ядром не проводиться спостереження, то його стан описується суперпозицією (змішенням) двох станів - ядра, що розпалося, і ядра, що не розпалося, отже, кіт, що сидить в ящику, і живий, і мертвий одночасно. Якщо ж ящик відкрити, то експериментатор може побачити тільки якийсь один конкретний стан - "ядро розпалося, кіт мертвий" або "ядро не розпалося, кіт живий".

Коли ж система перестає існуватияк змішання двох станів та вибирає одне конкретне?

Мета експерименту- показати що квантова механіканеповна без деяких правил, які вказують, за яких умов відбувається колапс хвильової функції (миттєва зміна квантового стану об'єкта, що відбувається при вимірі), і кіт стає мертвим, або залишається живим, але перестає бути змішанням того й іншого.

Оскільки ясно, що кіт обов'язково має бути або живим, або мертвим (не існує стану, проміжного між життям і смертю), це означає, що це вірно і для атомного ядра. Воно обов'язково буде або розпався, або не розпався.

Стаття Шредінгера "Поточна ситуація в квантовій механіці" з поданням уявного експерименту з котом вийшла в німецькому журналі "Природні науки" в 1935 з метою обговорення ЕПР-парадоксу.

Статті Ейнштейна-Подільського-Розена та Шредінгера позначили дивну природу «квантової заплутаності» (термін запроваджений Шредінгером), характерною для квантових станів, що є суперпозицією станів двох систем (наприклад, двох субатомних частинок).

Тлумачення квантової механіки

За час існування квантової механіки вченими були висунуті різні її тлумачення, але найбільш підтримувані з усіх на сьогодні є «копенгагенська» та «багатосвітова».

«Копенгагенська інтерпретація»- це тлумачення квантової механіки сформулювали Нільс Бор і Вернер Гейзенберг під час роботи у Копенгагені (1927г.). Вчені спробували відповісти на питання, що виникають внаслідок властивого квантової механіки корпускулярно-хвильового дуалізму, зокрема на питання про вимір.

У копенгагенської інтерпретації система перестає бути змішанням станів і вибирає один із них у той момент, коли відбувається спостереження. Експеримент із котом показує, що в цій інтерпретації природа цього самого спостереження – виміру – визначена недостатньо. Деякі вважають, що досвід говорить про те, що доти, поки ящик закритий, система знаходиться в обох станах одночасно, в суперпозиції станів «ядро, що розпалося, мертвий кіт» і «ядро, що не розпалося, живий кіт», а коли ящик відкривають, то Тільки тоді відбувається колапс хвильової функції одного з варіантів. Інші здогадуються, що «спостереження» відбувається, коли частка ядра потрапляє в детектор; однак (і це ключовий момент уявного експерименту) у копенгагенській інтерпретації немає чіткого правила, яке говорить, коли це відбувається, і тому ця інтерпретація неповна доти, доки таке правило до неї не введено, або не сказано, як його можна ввести. Точне правило таке: випадковість у тому місці, де вперше використовується класичне наближення.

Таким чином, ми можемо спиратися на наступний підхід: у макроскопічних системах ми не спостерігаємо квантових явищ (крім явища надплинності та надпровідності); тому, якщо ми накладаємо макроскопічну хвильову функцію на квантовий стан, ми з досвіду маємо зробити висновок, що суперпозиція руйнується. І хоча не зовсім ясно, що означає, що щось є «макроскопічним» взагалі, про кота точно відомо, що він є макроскопічним об'єктом. Таким чином, копенгагенська інтерпретація не вважає, що до відкриття ящика кіт перебуває у стані змішування живого та мертвого.

У «багатосвітовій інтерпретації»квантової механіки, яка вважає процес виміру чимось особливим, обидва стани кота існують, але декогерують, тобто. відбувається процес, при якому квантово-механічна система взаємодіє з навколишнім середовищем і набуває інформації, що є в навколишньому середовищі, або інакше «заплутується» з навколишнім середовищем. І коли спостерігач відкриває ящик, він заплутується з котом і від цього утворюються два стани спостерігача, що відповідають живому та мертвому коту, і ці стани не взаємодіють один з одним. Той самий механізм квантової декогеренції важливий і для «спільних» історій. У цій інтерпретації лише «мертвий кіт» чи «живий кіт» може бути у «спільній історії.

Іншими словами, коли ящик відкривається, Всесвіт розщеплюється на два різні всесвіти, в одній з яких спостерігач дивиться на ящик з мертвим котом, а в іншій - спостерігач дивиться на живого кота.

Парадокс "друга Вігнера"

Парадокс друга Вігнера – це ускладнений експеримент феномена «кота Шредінгера». Лауреат Нобелівської премії, американський фізикЮджин Вігнер запровадив категорію «друзів». Після завершення досвіду експериментатор відкриває коробку та бачить живого кота. Стан кота в момент відкриття коробки перетворюється на стан «ядро не розпалося, кіт живий». Таким чином, у лабораторії кіт визнаний живим. За межами лабораторії знаходиться друг. Друг ще не знає, чи живий кіт чи мертвий. Друг визнає кота живим лише тоді, коли експериментатор повідомить його результат експерименту. Але решта «друзів» ще не визнала кота живим, і визнають тільки тоді, коли їм повідомлять результат експерименту. Таким чином, кота можна визнати повністю живим лише тоді, коли всі люди у Всесвіті дізнаються про результат експерименту. До цього моменту в масштабі Великого Всесвітукіт залишається напівживим і напівмертвим одночасно.

Вищеописане застосовується практично: в квантових обчисленняхта у квантовій криптографії. По волоконно-оптичному кабелю пересилається світловий сигнал, що у суперпозиції двох станів. Якщо зловмисники підключаться до кабелю десь посередині і зроблять там відведення сигналу, щоб підслуховувати інформацію, що передається, то це хлопне хвильову функцію (з точки зору копенгагенської інтерпретації буде проведено спостереження) і світло перейде в один із станів. Провівши статистичні проби світла на приймальному кінці кабелю, можна буде виявити, чи знаходиться світло в суперпозиції станів або над ним вже здійснено спостереження та передачу в інший пункт. Це робить можливим створеннязасобів зв'язку, які виключають непомітний перехоплення сигналу та підслуховування.

Експеримент (який у принципі може бути виконаний, хоча працюючі системи квантової криптографії, здатні передавати великі обсяги інформації, ще не створені) також показує, що «спостереження» в копенгагенській інтерпретації не має відношення до свідомості спостерігача, оскільки в даному випадку зміна статистики на кінці кабелю наводить абсолютно неживе відгалуження дроту.

А в квантових обчисленнях станом «шредінгерівського кота» називається особливий заплутаний стан кубитів, при якому всі вони знаходяться в однаковій суперпозиції всіх нулів або одиниць.

(«Кубить»- Це найменший елемент для зберігання інформації у квантовому комп'ютері. Він допускає два власні стани, але при цьому може перебувати і в їхній суперпозиції. При будь-якому вимірі стану кубіту він випадково перетворюється на одне зі своїх власних станів.)

У реаліях! Малий брат «кота Шредінгера»

Минуло вже 75 років з того часу, як з'явився «кіт Шредінгера», але досі деякі з наслідків квантової фізики здаються розбіжними з нашими звичайними уявленнями про речовину та її властивості. Відповідно до законів квантової механіки має бути можливим створення такого стану «кота», що він одночасно і живий, і мертвий, тобто. перебуватиме у стані квантової суперпозиції двох станів. Однак на практиці створення квантової суперпозиції такої великої кількості атомів поки що не вдається. Труднощами є те, що чим більше атомів знаходиться в суперпозиції, тим менш стійкий цей стан, оскільки зовнішні впливи прагнуть його зруйнувати.

Фізикам з Віденського університету (публікація у журналі «Nature Communications», 2011р.) вперше у світі вдалося продемонструвати квантову поведінку органічної молекули, що складається з 430 атомів і знаходиться в стані квантової суперпозиції. Отримана експериментаторами молекула більше нагадує восьминога. Розмір молекул становить близько 60 ангстрем, а довжина хвилі де Бройля для молекули становила лише 1 пікометр. Такий «молекулярний восьминіг» виявився здатним продемонструвати властивості, властиві коту Шредінгера.

Квантове самогубство

Квантове самогубство - уявний експеримент у квантової механіки, запропонований незалежно друг від друга Р. Моравеком і Б. Маршалом, а 1998 року було розширено космологом Максом Тегмарком. Цей уявний експеримент, будучи модифікацією уявного експерименту з котом Шредінгера, наочно показує різницю між двома інтерпретаціями квантової механіки: копенгагенською інтерпретацією та багатосвітовою інтерпретацією Еверетта.

Фактично експеримент є експериментом з котом Шредінгера з точки зору кота.

У запропонованому експерименті на учасника спрямована рушниця, яка стріляє або не стріляє залежно від розпаду радіоактивного атома. Імовірність, що в результаті експерименту рушниця вистрілить і учасник помре, становить 50%. Якщо копенгагенська інтерпретація вірна, то рушниця зрештою вистрілить, і учасник помре.
Якщо ж вірна багатосвітова інтерпретація Еверетта, то в результаті кожного проведеного експерименту всесвіт розщеплюється на два всесвіти, в одній з яких учасник залишається живим, а в іншому гине. У світах, де учасник вмирає, він перестає існувати. Навпаки, з погляду невмерлого учасника, експеримент продовжуватиметься, не призводячи до зникнення учасника. Це тому, що у будь-якому відгалуженні учасник здатний спостерігати результат експерименту лише тому світі, де він виживає. І якщо багатосвітова інтерпретація вірна, то учасник може помітити, що він ніколи не загине під час експерименту.

Учасник ніколи не зможе розповісти про ці результати, оскільки з погляду стороннього спостерігача, ймовірність результату експерименту буде однаковою і в багатосвітовій, і в копенгагенській інтерпретаціях.

Квантове безсмертя

Квантове безсмертя - уявний експеримент, що випливає з уявного експерименту з квантовим самогубством і стверджує, що згідно з багатосвітовою інтерпретацією квантової механіки істоти, які мають здатність до самосвідомості, безсмертні.

Припустимо, що учасник експерименту підриває ядерну бомбу поблизу себе. Практично у всіх паралельних Всесвітах ядерний вибух знищить учасника. Але, попри це, має існувати небагато альтернативних Всесвітів, у яких учасник якимось чином виживає (тобто Всесвітів, у яких можливий розвиток потенційного сценарію порятунку). Ідея квантового безсмертя полягає в тому, що учасник залишається в живих, і тим самим здатний сприймати навколишню реальність, щонайменше в одному з Всесвітів у величезній кількості, нехай навіть кількість таких всесвітів дуже мала в порівнянні з кількістю всіх можливих Всесвітів. Таким чином, згодом учасник виявить, що він може жити вічно. Деякі паралелі з цим висновком можуть бути знайдені в концепції антропного принципу.

Інший прикладвитікає з ідеї квантового самогубства. У цьому думці учасник спрямовує на себе рушницю, яка може або вистрілити, або ні в залежності від результату розпаду будь-якого радіоактивного атома. Імовірність, що в результаті експерименту рушниця вистрілить і учасник помре, становить 50%. Якщо Копенгагенська інтерпретація вірна, то рушниця зрештою вистрілить, і учасник помре.

Якщо ж вірна багатосвітова інтерпретація Еверетта, то в результаті кожного проведеного експерименту всесвіт розщеплюється на два всесвіти, в одній з яких учасник залишається живим, а в іншому гине. У світах, де учасник вмирає, він перестає існувати. Навпаки, з погляду не померлого учасника, експеримент триватиме, не призводячи до зникнення учасника, оскільки після кожного розщеплення всесвітів він буде здатний усвідомлювати себе лише у тих всесвітів, де вижив. Таким чином, якщо багатосвітова інтерпретація Еверетта вірна, то учасник може помітити, що він ніколи не загине в ході експерименту, тим самим доводячи своє безсмертя, принаймні з його точки зору.

Прихильники квантового безсмертя вказують на те, що ця теорія не суперечить жодним відомим законам фізики (ця позиція далека від одностайного визнання науковому світі). У своїх міркуваннях вони спираються на наступні два спірні припущення:
- вірна багатосвітова інтерпретація Еверетта, а чи не Копенгагенська інтерпретація, оскільки остання заперечує існування паралельних всесвітів;
- всі можливі сценарії, в яких під час експерименту учасник може померти, містять принаймні малу підмножину сценаріїв, де учасник залишається живим.

Можливим аргументом проти теорії квантового безсмертя може бути те, що друге припущення не обов'язково випливає з багатосвітової інтерпретації Еверетта, і воно може суперечити законам фізики, які, як вважається, поширюються на всі можливі реальності. Багатосвітова інтерпретація квантової фізики необов'язково передбачає, що все можливо. Вона лише вказує на те, що в певний момент часу всесвіт може розділитися на деяке число інших, кожна з яких буде відповідати одному з багатьох можливих результатів. Наприклад, вважається, що друге початок термодинаміки справедливо всім можливих всесвітів. Це означає, що теоретично існування цього закону перешкоджає утворенню паралельних всесвітів, де б він порушувався. Наслідком цього може бути досягнення з погляду експериментатора такого стану реальності, де його подальше виживання стає неможливим, оскільки це потребувало б порушення закону фізики, який, за висловленим раніше припущенням, справедливий для всіх можливих реальностей.

Наприклад, при вибуху ядерної бомби, описаному вище, досить важко описати правдоподібний сценарій, який не порушує основних біологічних принципів, у якому учасник залишиться живим. Живі клітини просто не можуть існувати при температурах, що досягаються в центрі ядерного вибуху. Для того щоб теорія квантового безсмертя залишилася справедливою, необхідно, щоб або відбулася осічка (і тим самим не відбулося ядерного вибуху), або сталася якась подія, яка ґрунтувалася б на поки що невідкритих або недоведених законах фізики. Іншим аргументом проти обговорюваної теорії може бути наявність у всіх істот природної біологічної смерті, яку неможливо уникнути в жодному з паралельних Всесвітів (принаймні, на даному етапі розвитку науки)

З іншого боку, другий початок термодинаміки є статистичним законом, і нічому не суперечить виникнення флуктуації (наприклад, поява області з умовами, що підходять для життя спостерігача у всесвіті, що загалом досягла стану теплової смерті; або в принципі можливий рух усіх частинок, що виникли в результаті ядерного вибуху, таким чином, що кожна з них пролетить повз спостерігача), хоча така флуктуація виникне лише в украй малій частині з усіх можливих наслідків. Аргумент, що відноситься до неминучості біологічної смерті, також може бути спростований на підставі міркувань. Для кожного живого організму в даний моментчасу існує ненульова ймовірність, що він залишиться живим протягом наступної секунди. Таким чином, ймовірність того, що він залишиться живим протягом наступного мільярда років, також відмінна від нуля (оскільки є твором великої кількості ненульових співмножників), хоч і дуже мала.

В ідеї квантового безсмертя проблемно те, що згідно з нею самосвідома істота буде «вимушена» переживати надзвичайно малоймовірні події, які виникатимуть у ситуаціях, за яких учасник, здавалося б, має загинути. Навіть незважаючи на те, що в багатьох паралельних всесвітах учасник помирає, ті не всі, які учасник здатний суб'єктивно сприймати, будуть розвиватися за вкрай малоймовірним сценарієм. Це в свою чергу може до певної міри викликати порушення принципу причинності, природа якого в квантової фізикище недостатньо зрозуміла.

Хоча ідея квантового безсмертя випливає здебільшого з експерименту з «квантовим самогубством», Тегмарк стверджує, що за будь-яких нормальних умов будь-яка мисляча істота перед смертю проходить через етап (від кількох секунд до декількох років) зменшення рівня самосвідомості, ніяк не пов'язаний з квантовою механікою, і учасник не має жодної можливості для тривалого існування за допомогою переходу з одного світу в інший, що дає можливість вижити.

Тут розумний спостерігач, що розуміє себе, лише в відносно малій кількості можливих станів, при яких він зберігає самосвідомість, продовжує залишатися в, так би мовити, «здоровому тілі». Можливість того, що спостерігач, зберігши свідомість, залишиться покаліченим, значно більше, ніж якщо він залишиться цілим і неушкодженим. Будь-яка система (у тому числі живий організм) має набагато більше можливостей функціонувати неправильно, ніж залишатися в ідеальній формі. Ергодична гіпотеза Больцмана вимагає, щоб безсмертний спостерігач рано чи пізно пройшов усі стани, сумісні зі збереженням свідомості, у тому числі й ті, в яких він відчуватиме нестерпні страждання, – і таких станів буде значно більше, ніж станів оптимального функціонування організму. Таким чином, як вважає філософ Девід Льюїс, нам слід було б сподіватися, що багатосвітова інтерпретація неправильна.

· Бра і кет · Гамільтоніан · Стара квантова теорія

Суть експерименту

В оригінальній статті Шредінгера експеримент описаний так:

Можна побудувати і випадки, у яких досить бурлеску. Якийсь кіт замкнений в сталевий камері разом з наступною пекельною машиною (яка повинна бути захищена від прямого втручання кота): всередині лічильника Гейгера знаходиться крихітна кількість радіоактивної речовини, настільки невелика, що протягом години може розпастися тільки один атом, але з такою ж ймовірністю може і не розпастися; якщо ж це станеться, трубка, що зчитує, розряджається і спрацьовує реле, що спускає молот, який розбиває колбочку з синильною кислотою. Якщо на годину надати всю цю систему самій собі, то можна сказати, що кіт буде живий після цього часу, якщо розпаду атома не відбудеться. Перший розпад атома отруїв би кота. Пси-функція системи в цілому виражатиме це, змішуючи в собі або розмазуючи живого і мертвого кота (вибачте за вираз) в рівних частках.

Типовим у випадках є те, що невизначеність, спочатку обмежена атомним світом, перетворюється на макроскопічну невизначеність, яка може бути усунена шляхом прямого спостереження. Це заважає нам наївно прийняти «модель розмиття» як дійсність, що відображає. Саме собою це означає нічого незрозумілого чи суперечливого. Є різниця між нечітким або розфокусованим фото та знімком хмар або туману.

Згідно квантової механіки, якщо над ядром не проводиться спостереження, то його стан описується суперпозицією (змішенням) двох станів - ядра, що розпалося, і ядра, що не розпалося, отже, кіт, що сидить в ящику, і живий, і мертвий одночасно. Якщо ж ящик відкрити, то експериментатор може побачити тільки якийсь один конкретний стан - "ядро розпалося, кіт мертвий" або "ядро не розпалося, кіт живий".

Питання стоїть так: коли система перестає існувати як змішання двох станів та вибирає один конкретний?Мета експерименту - показати, що квантова механіка неповна без деяких правил, які вказують, за яких умов відбувається колапс хвильової функції , і кіт стає мертвим, або залишається живим, але перестає бути змішанням того й іншого.

Оскільки ясно, що кіт обов'язково має бути або живим, або мертвим (не існує стану, що поєднує життя і смерть), це буде аналогічно і для атомного ядра. Воно обов'язково має бути або розпався, або не розпався.

У великих комплексних системах, що складаються з багатьох мільярдів атомів, декогеренція відбувається майже миттєво, і з цієї причини кіт не може бути одночасно мертвим і живим на будь-якому відрізку часу, що піддається виміру. Процес декогеренції є суттєвою складовою експерименту.

Оригінальна стаття вийшла 1935 року. Метою статті було обговорення парадоксу Ейнштейна - Подільського - Розена (ЕПР), опублікованого Ейнштейном, Подільським і Розеном раніше того ж року. Статті ЕПР та Шредінгера позначили дивну природу «квантової заплутаності» (нім. Verschränkung, англ. quantum entanglement, введений Шредінгером термін), характерною для квантових станів, що є суперпозицією станів двох систем (наприклад, двох субатомних частинок).

Копенгагенська інтерпретація

Фактично Хокінг та інші фізики дотримуються думки, що «Копенгагенська школа» інтерпретації квантової механіки підкреслює роль спостерігача безпідставно. Остаточної єдності серед фізиків з цього питання все ще не досягнуто.

Розпаралелювання світів у кожен момент часу відповідає справжньому недетермінованого автомату на відміну від імовірнісного, коли на кожному кроці вибирається один із можливих шляхів залежно від їхньої ймовірності.

Парадокс Вігнера

Це ускладнений варіант експерименту Шредінгера. Юджин Вігнер запровадив категорію «друзів». Після завершення досвіду експериментатор відкриває коробку та бачить живого кота. Вектор стану кота в момент відкриття коробки переходить у стан «ядро не розпалося, кіт живий». Таким чином, у лабораторії кіт визнаний живим. За межами лабораторії знаходиться друг. Другще не знає, чи живий кіт чи мертвий. Другвизнає кота живим лише тоді, коли експериментатор повідомить його результат експерименту. Але всі інші друзіще не визнали кота живим і визнають тільки тоді, коли їм повідомлять результат експерименту. Таким чином, кота можна визнати повністю живим (або повністю мертвим) лише тоді, коли всі люди у всесвіті дізнаються про результат експерименту. До цього моменту в масштабі Великого Всесвіту кіт, згідно з Вігнером, залишається живим і мертвим одночасно і в квантовій криптографії. По волоконно-оптичному кабелю пересилається світловий сигнал, що у суперпозиції двох станів. Якщо зловмисники підключаться до кабелю десь посередині і зроблять там відведення сигналу, щоб підслуховувати інформацію, що передається, то це хлопне хвильову функцію (з точки зору копенгагенської інтерпретації буде проведено спостереження) і світло перейде в один із станів. Провівши статистичні проби світла на приймальному кінці кабелю, можна буде виявити, чи знаходиться світло в суперпозиції станів або над ним вже здійснено спостереження та передачу в інший пункт. Це уможливлює створення засобів зв'язку, які виключають непомітний перехоплення сигналу та підслуховування.

Експеримент (який у принципі може бути виконаний, хоча працюючі системи квантової криптографії, здатні передавати великі обсяги інформації, ще не створені) також показує, що «спостереження» в копенгагенській інтерпретації не має відношення до свідомості спостерігача, оскільки в даному випадку зміна статистики на кінці кабелю наводить абсолютно неживе відгалуження дроту.

У квантових обчисленнях станом Шредінгерівського кота називається особливий заплутаний стан кубитів, при якому всі вони знаходяться в однаковій суперпозиції всіх нулів або одиниць, тобто 1 2 (| 00 … 0 ⟩ + | 11 … 1 ⟩) (\displaystyle (\frac (1)(\sqrt (2)))(|00\dots 0\rangle +|11\dots 1\rangle)).

Авторська стаття Еміля Ахмедова, що нещодавно вийшла на відомому науковому порталі "ПостНаука", про причини виникнення знаменитого парадоксу, а також про те, чим він не є.

Фізик Еміль Ахмедов про ймовірнісну інтерпретацію, замкнуті квантові системи та формулювання парадоксу.

На мою думку, найбільш і психологічно, і філософськи, і в багатьох інших відносинах складною частиною квантової механіки є її імовірнісна інтерпретація. З імовірнісною інтерпретацією сперечалися багато людей. Наприклад, Ейнштейн, поряд з Подільським і Розеном, вигадав парадокс, який спростовує ймовірну інтерпретацію.

Крім них з імовірнісною інтерпретацією квантової механіки сперечався також і Шредінгер. Як логічне протиріччя ймовірнісної інтерпретації квантової механіки Шредінгер придумав так званий парадокс кота Шредінгера. Він може по-різному формулюватися, наприклад: скажімо, у вас є коробка, в якій сидить кіт, і до цієї коробки приєднаний балон зі смертельним газом. До вмикача цього балона, який впускає або не впускає смертельний газ, підключений якийсь прилад, що працює наступним чином: є скло, що поляризує, і якщо проходить фотон потрібної поляризації, то балон включається, газ надходить до кота; якщо фотон не тієї поляризації, то балон не вмикається, ключ не вмикається, балон не впускає газ до кота.

Допустимо, фотон циркулярно поляризований, а прилад реагує на лінійну поляризацію. Це може бути незрозуміло, але це не дуже важливо. З якоюсь ймовірністю фотон буде поляризований одним чином, з якоюсь ймовірністю – іншим. Шредінгер говорив: виходить така ситуація, що в якийсь момент, поки ми не відкрили кришку і не подивилися, мертвий кіт чи живий (а система замкнута), кіт із якоюсь ймовірністю буде живим і з якоюсь ймовірністю буде мертвим. Можливо, я недбало формулюю парадокс, але в результаті виходить дивна ситуація, що кіт не живий і не мертвий. Так формулюється феномен.

На мій погляд, цей парадокс має чітке і ясне пояснення. Можливо, це моя особиста думка, але спробую пояснити. Основною властивістю квантової механіки є таке: якщо описувати замкнуту систему, то квантова механіка – це не що інше, як хвильова механіка, механіка хвиль. Це означає, що описується диференціальними рівняннями, рішеннями яких є хвилі. Там, де є хвилі та диференціальні рівняння, є і матриці і так далі. Це два еквівалентні описи: матричний опис та хвильовий опис. Матричне опис належить Гейзенбергу, хвильове - Шредінгеру, але описують вони ту саму ситуацію.

Важливо таке: доки система є замкнутою, вона описується хвильовим рівнянням, і те, що відбувається з цією хвилею, описується за допомогою якогось хвильового рівняння. Вся імовірнісна інтерпретація квантової механіки виникає після того, як систему розмикають - на неї впливають зовні якимось великим класичним, тобто неквантовим об'єктом. У момент впливу вона вже перестає описуватися цим хвильовим рівнянням. Виникає так звана редукція хвильової функції та ймовірнісна інтерпретація. До моменту розмикання система еволюціонує відповідно до хвильового рівняння.

Тепер потрібно зробити кілька зауважень щодо того, чим відрізняється велика класична система від маленької квантової. Взагалі кажучи, велику класичну систему можна описувати за допомогою хвильового рівняння, хоча цей опис, як правило, важко надати, а реально воно зовсім не потрібно. Ці системи математично відрізняються процесом. Так званий об'єкт є у квантовій механіці, в теорії поля. Для класичної великої системи дія величезна, а для квантової маленької системи дія невелика. Більше того, і градієнт цієї дії – швидкість зміни цієї дії у часі та просторі – для великої класичної системи величезний, а для маленької квантової – маленький. Це основна відмінність двох систем. Через те, що дія дуже велика для класичної системи, її зручніше описувати не якимись хвильовими рівняннями, а просто класичними законами на кшталт закону Ньютона і таке інше. Наприклад, з цієї причини Місяць навколо Землі обертається не як електрон навколо ядра атома, а за певною, чітко заданою орбітою, класичною орбітою, траєкторією. У той час як електрон, будучи маленькою квантовою системою, всередині атома навколо ядра рухається як стояча хвиля, його рух описується стоячою хвилею, і у цьому відмінність двох ситуацій.

Вимірювання в квантовій механіці - це коли ви великою класичною системою впливаєте на маленьку квантову. Після цього відбувається редукція хвильової функції. На мій погляд, присутність балона або кота в парадоксі Шредінгера - це те саме, що і наявність великої класичної системи, яка вимірює поляризацію фотона. Відповідно, вимірювання відбувається не в той момент, коли ми відкриваємо кришку ящика і дивимося, чи живий кіт або мертвий, а в той момент, коли відбувається взаємодія фотона з поляризаційним склом. Таким чином, в цей момент відбувається редукція хвильової функції фотона, балон виявляється в певному стані: або він відкривається, або він не відкривається, і кіт помирає або не вмирає. Всі. Жодних «імовірнісних котів», що він з якоюсь ймовірністю живий, з якоюсь ймовірністю мертвий, немає. Коли я говорив про те, що парадокс кота Шредінгера має багато різних формулювань, я лише говорив, що є багато різних способівпридумати той прилад, який умертвляє чи залишає живим кота. По суті, формулювання парадоксу не змінюється.

Я чув і про інші спроби пояснення цього парадоксу за допомогою множини світів і таке інше. На мою думку, всі ці пояснення не витримують критики. Те, що я пояснив протягом цього ролика словами, можна вдягнути в математичну форму і перевірити вірність цього твердження. Ще раз наголошую, що, на мій погляд, вимірювання та редукція хвильової функції маленької квантової системи відбувається в момент взаємодії з великою класичною системою. Такою великою класичною системою є кіт разом з приладом, який убиває його, а не людина, яка відкриває коробку з котом і дивиться, чи живий кіт чи ні. Тобто вимір відбувається у момент взаємодії цієї системи з квантовою часткою, а не в момент перевірки кота. Подібні парадокси, на мій погляд, знаходять пояснення із застосування теорій та здорового глузду.

Суть самого експерименту

В оригінальній статті Шредінгера експеримент описаний так:

Можна побудувати і випадки, у яких досить бурлеску. Якийсь кіт замкнений у сталевій камері разом з наступною пекельною машиною (яка повинна бути захищена від прямого втручання кота): усередині лічильника Гейгера знаходиться крихітна кількість радіоактивної речовини, настільки невелика, що протягом години може розпастися лише один атом, але з такою ж ймовірністю може і не розпастися; якщо ж це станеться, трубка, що зчитує, розряджається і спрацьовує реле, що спускає молот, який розбиває колбочку з синильною кислотою. Якщо на годину надати всю цю систему самій собі, то можна сказати, що кіт буде живий після цього часу, якщо розпаду атома не відбудеться. Перший розпад атома отруїв би кота. Пси-функція системи в цілому виражатиме це, змішуючи в собі або розмазуючи живого і мертвого кота (вибачте за вираз) в рівних частках. Типовим у випадках є те, що невизначеність, спочатку обмежена атомним світом, перетворюється на макроскопічну невизначеність, яка може бути усунена шляхом прямого спостереження. Це заважає нам наївно прийняти «модель розмиття» як дійсність, що відображає. Саме собою це означає нічого незрозумілого чи суперечливого. Є різниця між нечітким або розфокусованим фото та знімком хмар або туману. Згідно квантової механіки, якщо над ядром не проводиться спостереження, то його стан описується суперпозицією (змішенням) двох станів - ядра, що розпалося, і ядра, що не розпалося, отже, кіт, що сидить в ящику, і живий, і мертвий одночасно. Якщо ж ящик відкрити, то експериментатор може побачити тільки якийсь один конкретний стан - "ядро розпалося, кіт мертвий" або "ядро не розпалося, кіт живий". Питання так: коли система перестає існувати як змішання двох станів і вибирає одне конкретне? Мета експерименту - показати, що квантова механіка неповна без деяких правил, які вказують, за яких умов відбувається колапс хвильової функції, і кіт стає мертвим, або залишається живим, але перестає бути змішанням того й іншого.

Оскільки ясно, що кіт обов'язково має бути або живим, або мертвим (не існує стану, що поєднує життя і смерть), це буде аналогічно і для атомного ядра. Воно обов'язково має бути або розпався, або не розпався.

Оригінальна стаття вийшла 1935 року. Метою статті було обговорення парадоксу Ейнштейна - Подільського - Розена (ЕПР), опублікованого Ейнштейном, Подільським і Розеном раніше того ж року