Парадокс кота Шредінгера. Пояснення сенсу. Американський фізик розгадав парадокс кота Шредінгера

У 1935 році великий фізик, нобелівський лауреат та засновник квантової механіки Ервін Шредінгер сформулював свій знаменитий парадокс.

Вчений припустив, що якщо взяти когось кота і помістити його в сталеву непрозору коробку з "пекельною машиною", то через годину він буде живий і мертвий одночасно. Механізм у коробці виглядає наступним чином: усередині лічильника Гейгера знаходиться мікроскопічна кількість радіоактивної речовини, здатної розпастися за годину лише на один атом; при цьому воно з тією ж ймовірністю може і не розпастись. Якщо розпад все ж таки відбудеться, то спрацює важільний механізм і молоток розіб'є посудину з синильною кислотою і кіт загине; якщо розпаду не буде, то посудина залишиться цілою, а кіт - живий і здоровий.

Якби йшлося не про кота і коробку, а про світ субатомних частинок, то вчені б сказали, що кіт і живий і мертвий одночасно, проте в макросвіті такий висновок некоректний. То чому ж ми оперуємо такими поняттями, коли йдеться про дрібніші частинки матерії?

Ілюстрація Шредінгера є найкращим прикладом для опису головного парадоксу квантової фізики: згідно з її законами, частки, такі як електрони, фотони і навіть атоми існують у двох станах одночасно ("живих" і "мертвих", якщо згадувати багатостраждального кота). Ці стани називаються суперпозиціями.

Американський фізик Арт Хобсон (Art Hobson) з університету Арканзасу (Arkansas State University) запропонував своє рішення цього феномена.

"Вимірювання в квантової фізикибазуються на роботі деяких макроскопічних механізмів, таких як лічильник Гейгера, за допомогою яких визначається квантовий стан мікроскопічних систем - атомів, фотонів та електронів. Квантова теорія має на увазі, що якщо ви приєднаєте мікроскопічну систему (частку) до якогось макроскопічного пристрою, що розрізняє два різні стани системи, то прилад (лічильник Гейгера, наприклад) перейде в стан квантової заплутаності і теж опиниться одночасно у двох суперпозиціях. Проте неможливо спостерігати це явище безпосередньо, що робить його неприйнятним», - розповідає фізик.

Хобсон каже, що у феномені Шредінгера кіт грає роль макроскопічного приладу, лічильника Гейгера, приєднаного до радіоактивного ядра, визначення стану розпаду чи " нерозпаду " цього ядра. У такому разі живий кіт буде індикатором "нерозпаду", а мертвий кіт - показником розпаду. Але згідно з квантовою теорією, кіт, так само як і ядро, повинен перебувати у двох суперпозиціях життя та смерті.

Натомість, за словами фізика, квантовий стан кота має бути заплутаним зі станом атома, що означає, що вони перебувають у "нелокальному зв'язку" один з одним. Тобто, якщо стан одного із заплутаних об'єктів раптово зміниться на протилежне, то стан його пари точно також зміниться, на якій відстані вони не знаходилися б один від одного. При цьому Хобсон посилається на цю квантову теорію.

Найцікавіше в теорії квантової заплутаності - це те, що зміна стану обох частинок відбувається миттєво: ніяке світло або електромагнітний сигнал не встиг би передати інформацію від однієї системи до іншої. Таким чином, можна сказати, що це один об'єкт, розділений на дві частини простором, і неважливо, наскільки велика відстань між ними", - пояснює Хобсон.

Кіт Шредінгера більше не живий і мертвий одночасно. Він мертвий, якщо станеться розпад, і живий, якщо розпад так і не станеться.

Додамо, що схожі варіанти вирішення цього феномена були запропоновані ще трьома групами вчених за останні тридцять років, але вони не були сприйняті всерйоз і так і залишилися непоміченими в широких наукових колах. Хобсон зазначає, що рішення парадоксів квантової механіки, хоча б теоретичні, абсолютно необхідні її глибинного розуміння.

Знання не можна купити, тут їх дають безплатно!

Парадокс «Кіт Шредінгера»

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

«Кіт Шредінгера» - це уявний експеримент, запропонований Ервіном Шредінгера, яким він хотів показати неповноту квантової механіки при переході від субатомних систем до систем макроскопічним.

У закриту скриньку 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 механікиЯкщо 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 механіка неповна без деяких правил, що вказують, за яких 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 і іншого.

Оскільки ясно, що кіт обов'язково може бути або живим, або мертвим (не існує стану, проміжного між життям і смертю), це означає, що це 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 було висунуто 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 спільної роботи у Копенгагені (1927). Вчені спробували відповісти на питання, що виникають внаслідок властивої 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 копенгагенської 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 явищ надплинності та надпровідності); тому, якщо ми накладаємо макроскопічну функцію хвиль на квантовий стан, ми з досвіду повинні укласти, 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, які 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» можуть 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 фізик Юджін Вігнер запровадив категорію «друзів». Після завершення досвіду експериментатор відкриває коробку та бачить живого кота. Стан 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". Друг ще не знає, чи живий кіт чи мертвий. Друг визнає кота живим лише тоді, коли експериментатор повідомить йому результат експерименту. Але решта «друзів» ще не визнала кота живим, і визнають лише 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 відвід сигналу, щоб підслуховувати інформацію, то це схлопне 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, чи над ним вже проведено 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 зберігання інформації в квантовому комп'ютері. Він допускає два власні стани, але при цьому може перебувати і в їхній суперпозиції. При будь-якому вимірі стану кубита він випадково перетворюється на одне зі своїх станів.)

У реаліях! Малий брат «кота Шредінгера»

Пройшло 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 із Віденського університету (публікація в 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 квантовій механіці, запропонований незалежно друг від друга Р. Моравеком і Б. Маршалом, а 1998 року 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 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 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, що мають здатність до самосвідомості, безсмертні.

Припустимо, що учасник експерименту вибухає ядерну бомбу поблизу себе. Майже у всіх паралельних Всесвітах ядерний вибух знищить учасника. Але, незважаючи на 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 цим здатний сприймати навколишню реальність, щонайменше в одному з Всесвітів у безлічі, нехай навіть кількість таких всесвітів надзвичайно мала в порівнянні з кількістю всіх можливих Всесвітів. Таким чином, згодом учасник виявить, що він може жити вічно. Деякі паралелі з цим висновком може бути знайдено у концепції антропного принципу.

Інший прикладвитікає з ідеї квантового самогубства. У цьому уявному експерименті учасник спрямовує він рушницю, яка може або вистрілити, або ні залежно 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 продовжуватиметься, не призводячи до зникнення учасника, оскільки після кожного розщеплення всесвітів він буде здатний усвідомлювати себе лише у тих всесвітів, де він 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 на його думку.

Прибічники 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 справедливе 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, тому що це потребувало б порушення закону фізики, який, за висловленим раніше припущенням, справедливий для всіх можливих реальностей.

Наприклад, під час 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 сталася 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 всіх можливих результатів. 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 своє чергу може певною мірою викликати порушення принципу причинності, природа якого у квантової фізиці ще недостатньо ясна.

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 декількох секунд до декількох років) зменшення рівня самосвідомості, ніяк не пов'язаний з квантовою механікою, і в учасника немає 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 малому числі можливих станів, при яких він зберігає самосвідомість, продовжує залишатися в, так би мовити, «здоровому тілі». Можливість того, що спостерігач, зберігши свідомість, залишиться скаліченим, значно більше, ніж якщо він залишиться цілим і неушкодженим. Будь-яка система (зокрема живий організм) має набагато більше можливостей функціонувати неправильно, ніж залишатися у 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.

Персонаж уявного експерименту Ервіна Шредінгера: кіт (в оригіналі – кішка), поміщений у закритий ящик, забезпечений пристроєм, який повинен тим чи іншим способом вбити кота, коли радіоактивний атом, що міститься в пристрої, розпадеться. На думку Шредінгера, якщо над котом, пристроєм і ядром атома не проводити спостережень, всі вони повинні опинитися в стані квантової суперпозиції, зокрема, з'явиться макро-суперпозиція живого і мертвого кота. Парадокс та його варіації показують, що «спостереження» у класичній квантовій механіці було не дуже добре визначено.

Стівен Хокінг одного разу зробив різке висловлювання, згадавши кота Шредінгера та рушницю. У 1933 році в аналогічному висловлюванні були згадані ВОНА та ВІН. Назвіть ЇЇ та ЙОГО.

Відповідь:Культура, браунінг.

Залік:Культура, пістолет; культура, револьвер.

Коментар: 1933 року Ганс Йост у своїй п'єсі написав: "Коли я чую про культуру, я знімаю із запобіжника свій браунінг". Пізніше у варіанті "Коли я чую про культуру, я хапаюся за пістолет" ця фраза стала крилатою. Хокінг перефразував її так: "Коли я чую про кота Шредінгера, моя рука тягнеться за рушницею!".

Істота, про яку невідомо, живе воно чи ні

Найбільша форма алюзії. Зустрічається зазвичай у нескладних питаннях, хоча є приклад із фіналу Чемпіонату Світу.

Притча. Один чоловік упіймав метелика, затиснув його між долонями, підійшов до мудреця і запитав, чи живий він чи мертвий. Мудрець відповів: "Все у твоїх руках". Один інтернет-користувач назвав цього метелика метеликом ІКСА. ІКС народився у Відні 1887 року. Назвіть його прізвище.

Відповідь:Шредінгер.

Коментар:Метелик Шредінгера - між життям і смертю, як і його знаменитий кіт.

В одній із нотаток Фелікс Кривін пише, що опосум у цілях самозахисту настільки вміло робить щось, що його можна порівняти з певною твариною. Назвіть цю тварину двома словами.

Відповідь:Кіт (кішка) Шредінгера.

Коментар:Опосум так добре прикидається мертвим, що не можна визначити, чи живий він, чи ні.

Якщо вірити сайту Ruwiki.com, Басаєва та Ясіра Арафата у певні періоди їхнього життя можна було назвати терористами ГОФМАНА. Бен Ладен є терористом ГОФМАНА приблизно з 2001 року. А яке прізвище ми замінили прізвищем ГОФМАН?

Відповідь:Шредінгер.

Коментар:Йдеться про терористів, про яких протягом певного часу було невідомо, чи вони живі. Алюзія на кота Шредінгера.

Уривок із казки "Золотий ключик", опублікованій у 1936 році: "Поклавши Буратіно на ліжко, Артемон навів знаменитого доктора Сову, фельдшерицю Жабу та народного знахаря Богомола". Увага, питання! Який учений 1936 року став професором університету австрійського міста Грац?

Відповідь:Ервін Шредінгер.

Залік:На прізвище.

Пацієнт швидше мертвий, ніж живий, - прошепотіла вона.
Жаба... прошепотіла великим ротом:
- Пацієнт швидше живий, ніж мертвий.
Народний лікар Богомол сухими, як травинки, руками почав торкатися Буратіно.

Щось невизначене, вибір, який ще не зроблено

У буддистських коанах слово "Му" іноді використовується як невизначена відповідь. Символ Му зображений на надгробку режисера Ясудзіро Одзу, що дозволило автору питання порівняти режисера з НІМ. Назвіть ЙОГО двома словами.

Відповідь:Кіт Шредінгера.

У статті описується теорія Шредінгера. Показано внесок цього великого вченого в сучасну науку, і навіть описаний вигаданий їм уявний досвід для 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 спільноти про фізику та тварин, є навіть такий бренд одягу. Але найчастіше люди мають на увазі парадокс із нещасним котом. А ось про його творця, 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 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 суперечностей, що виникають, 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 створене 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. Бачні 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. Проте фізичний сенс, 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 плівці, кількість клацань, товщина напилюваної плівки. 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. Проте вона сама, всупереч уявленням її автора, фізичного сенсу немає. Це просто зручний математичний інструмент. Оскільки в нашій статті викладається теорія Шредінгера простими словами, Скажімо, що квадрат хвильової функції визначає можливість знайти систему в заздалегідь заданому стані.

Кіт як приклад макрооб'єкта

З цією інтерпретацією, що називається копенгагенською, сам автор не погодився до кінця життя. Йому зазнала розмитість поняття ймовірності, і він наполягав на наочності самої функції, а 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 і цілий, і немає. 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, поруч зі смертоносною капсулою, кіт або мертвий, або живий, тому що ці показники дискретні і не передбачають проміжних варіантів.

Даному феномену є конкретне, але не до кінця доведене пояснення: за відсутності обмежують час умов визначення конкретного стану гіпотетичного кота цей експеримент, безсумнівно, парадоксальний. Проте квантовомеханические правила не можна використовуватиме макрообъектов. Точно провести кордон між мікросвітом та звичайним поки що не вийшло. Проте тварина розміром з кішку, поза сумнівом, - 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 такої, пояснюється навіть квантовою механікою.

Це словосполучення – кіт Шредінгера – чули багато хто. І деякі любителі котів та котів запитують: «А де купити собі такого кота?» А ніде його не купиш, бо не існує! Він не існує як тварина, зате чудово почувається як уявний експеримент або парадокс, придуманий свого часу Шредінгером.

Трохи про самого Шредінгера

Ервін Рудольф Йозеф Олександр Шредінгер був свого часу не лише видатним ученим, нобелівським лауреатом, а й справжнім «батьком квантової механіки». В атомній фізиці базовим поняттям вважається його рівняння, яке так і називається - «Рівняння Шредінгера». Але не воно принесло популярність видатному фізику! А його уявний експеримент, який виявив парадокс щодо квантової фізики.

Цей експеримент Шредінгера став таким одкровенням, що про нього знають не лише фізики, а й прості обивателі. Принаймні хоча б за назвою! А сам цей експеримент був доказом неспроможності інтерпретації законів квантової механіки, представленої в Копенгагені в 1927 році Нільсом Бором і Вернером Гейзенбергом. Ця інтерпретація будувалася на відповіді двох вчених на питання про корпоскулярно – хвильовий дуалізм, властивий квантовій механіці. Ця інтерпретація дає підстави вважати, що змішання системи припиняється саме у момент спостереження – вона вибирає якесь конкретне, одне стан.

Суть експерименту, або той самий парадокс Шредінгера

Що ж це таке - кіт Шредінгера, як можна розуміти цей досвід? «Діючими особами» у цьому експерименті є жива кішка та радіоактивні атоми. Ось досить просте пояснення цього експерименту:

• У нас є ящик, у цій ящику сидітиме кішка (або кіт – не має значення), а ще там буде знаходитися спеціальний механізм. Цей механізм складається з ємності з досить отруйним газом та атомного ядра. Причому це ядро ​​має період розпаду за годину з ймовірністю 50%, тобто рівну в бік «за» або «проти». У момент розпаду запускається механізм, який відкриває цю ємність з отрутою як газу. Тобто ядро ​​все-таки розпалося – котик помер від отруєння. Ядро залишилося цілим – котик здоровий і веселий.
• Кішка (або кіт) замкнений у цьому ящику і сидить там рівно одну годину.
• Сама квантова механіка начебто повідомляє нам, що як сам наш кіт, так і ядро ​​атома, знаходяться одночасно в обох станах (це суперпозиція). Поки ми ще не відкрили злощасну скриньку, ймовірність ситуації «наш котик живий» або «наш котик, на жаль, помер» перебуває у відповідності до 50% на 50%. Тобто наш кіт, який сидить у цій скриньці, водночас і мертвий і живий!
• Причому проміжного стану між живими - мертвими в даній ситуації немає! І вона зовсім не залежить від спостерігача, а лише від ядра!

Тобто, якщо вже просто - спостереження над ядром і котом немає. І саме тому їхній стан можна описати подвійно – ядро ​​розпалося і котик мертвий, ядро ​​не розпалося і котик живий. Одночасно, без перевірки, котик і мертвий і живий, бо ядро ​​розпалося і не розпалося. І лише при контролі за годину можна з упевненістю «поставити діагноз». А до закінчення цієї години і ядро, і наш котик перебуває одразу у двох фазах – і позитивної, і негативної! У цьому є парадокс! Тому що не можна бути одночасно мертвим і живим – суперечить усім законам. Але до перевірки через годину сказати, в якому стані знаходиться це ядро, а, отже, і наша кішка, просто неможливо. Будь-яке твердження буде хибним!

І ось за допомогою цього експерименту виразно видно, що таки квантова механіка носить у собі дуже суттєві та парадоксальні вади. Горезвісний кіт Шредінгера це ясно довів. Адже бути в той самий час і живим, і мертвим, неможливо, а саме це і відбувається з подачі цієї квантової механіки! Досвід показує, що такий парадокс просто немислимий щодо випередження здорового глузду. А це означає, і вся квантова механіка парадоксальна і потребує доповнень у вигляді правил, тільки вони зможуть вказати на умови, за яких буде існувати тільки один варіант.

Інтерпретації експерименту Шредінгера

Почнемо з того, що хоч назва, що існує сьогодні, говорить про цей експеримент «Кіт Шредінгера», в оригінальному варіанті експерименту була кішка! І існують на сьогоднішній день цей досвід має кілька інтерпретацій.

Копенгагенська інтерпретація

Саме вона стверджує, що до того моменту, коли відкриється скринька, наш нещасний кіт перебуває у «змішаному» стані – тобто він одночасно і мертвий, і живий. Парадокс? Безперечно! І тільки в той момент, коли ми відкрили ящика Шредінгера, відбувається той самий хвильовий колапс, який все «розставляє на свої місця». Але в цій інтерпретації немає чіткого правила, яке висвітлює момент потрапляння атома ядра в детектор.

Інтерпретація Еверетта, яка називається багатосвітова

Тут саме спостереження перестав бути особливим чи потрібним. По цій інтерпретації обидва стани кота можуть існувати до впливу навколишнього середовища. І тільки тоді, коли ящик Шредінгера відкритий, залишається один вірний стан!

Інтерпретація самого кота

Звичайно, кіт нічого не тямить у квантовій механіці, але ось в оцінці свого стану він тямить однозначно. Саме про це стверджували Макс Тегмарк, Ганс Моравек та Бруно Маршал! Якщо судити внутрішнім поглядом самого кота, він завжди залишиться живим. А все тому, що мертві не зможуть оцінити свого стану, а якщо після відкриття ящика Шредінгера цей кіт оцінює, то він явно не мертвий! Та й сам цей парадокс вони назвали не чим іншим, як «квантовим самогубством тварини»!

Каліфорнійський феномен!

А ось це вже зовсім із галузі фантастики! Надавши Кац, учений із Каліфорнії провів та описав наступний досвід. Він повернув квантовий стан цієї частки у вихідну точку, причому зміг виміряти її стан. За його твердженням, навіть відкривши ящик Шредінгера, можна повернути все у вихідну точку. І не важливо, чи буде котик живий, чи він буде мертвий, можна все «обнулити». Парадокс? Безперечно!

Цей самий кіт у світовій літературі

Експеримент фізика Шредінгера приніс йому (і його котику!) популярність у наукових колах, а й у літературі. Роберт Хайнлайн, у своєму романі «Кіт, що проходить крізь стіни», описав руденького котика на прізвисько Піксель. Він знаходиться в обох станах завжди, як і його тезка Шредінгера. І саме на цьому збудовано весь сюжет роману!

А ось Террі Праттчерт описав спеціальну породу котиків, які походять від прабатька - кота, учасника експерименту Шредінгера. Причому ці котики були надзвичайно розумними. А ось в основу цікавого сюжету роману, який називається «Нашествие Квантових Котів», автора Фредеріка Пола, лягли коти з паралельних, вірніше, «сусідніх» Всесвітів. І наштовхнув його на такий сюжет той самий експеримент Шредінгера!

А ось мініатюра (сатирична) Миколи Байтова, яка називається «Кішка Шредінгера», описує виверт цього досвіду навиворіт. Там за сюжетом існує така «Ліга Зворотного Часу». Члени цієї Ліги постійно протягом п'ятдесяти років уважно спостерігають за кішкою. Тобто суть цього сюжету в тому, що, не припиняючи свого спостереження люди (члени цієї Ліги), зберігають життя нещасній тварині. Як тільки спостереження припиниться – кішечка помре!

Причому не лише в літературі, а й у багатьох фільмах та серіалах цей котик присутній. Наприклад, у головного героя, який показаний у серіал «Ковзаючі», є особистий улюбленець з прізвисько (ні багато, ні мало!) Шредінгер. Та й як інакше, сама суть цього серіалу побудована на квантовій (звичайно!) механіці, її законах. І навіть нехай серіал трохи гумористичний, пригодницький та фантастичний – дивилися його багато хто. А значить, що й котику Шредінгера дізналися.

І може саме тому чимало справжніх любителів пухнастих вихованців шукають в інтернеті інформацію, де можна купити такого красеня? Також питають, що це за порода така і як такого дістати! Все завдяки літературі та кіно, а також величезної популярності самого експерименту Шредінгера. А насправді та кішечка, яка й послужила прообразом цього найзнаменитішого Кота, була звичайнісінька. Вона мала черепахове забарвлення і була ще зовсім молодою! І дуже добре, що після експерименту вона виявилася абсолютно живою! До речі, після публікації звіту про свій уявний експеримент, сам Шредінгер отримав безліч пропозицій продати кошенят, які потім з'явилися у його улюблениці. Так що зараз у світі має бути досить багато нащадків найзнаменитішого Кота в історії, а точніше за кішечки!