Drzwi
Kot Schrödingera to słynny paradoksalny eksperyment. Teoria Schrödingera: opis, cechy, doświadczenia i zastosowanie

Kot Schrödingera to słynny paradoksalny eksperyment. Teoria Schrödingera: opis, cechy, doświadczenia i zastosowanie

Ze wstydem muszę przyznać, że słyszałem to wyrażenie, ale nie wiedziałem, co ono oznacza i w jakim temacie zostało użyte. Opowiem Wam co przeczytałam w Internecie na temat tego kota... -

« Kot Schrödingera„ – tak nazywa się słynny eksperyment myślowy słynnego austriackiego fizyka teoretycznego Erwina Schrödingera, który jest także laureatem Nagroda Nobla. Za pomocą tego fikcyjnego eksperymentu naukowiec chciał pokazać tę niekompletność mechanika kwantowa podczas przechodzenia od układów subatomowych do układów makroskopowych.

Oryginalny artykuł Erwina Schrödingera ukazał się w 1935 roku. Opisano w nim eksperyment za pomocą, a nawet personifikacji:

Można też konstruować przypadki, w których panuje niezła burleska. Niech jakiś kot zostanie zamknięty w stalowej komorze wraz z następującą diaboliczną maszyną (co powinno być niezależne od interwencji kota): wewnątrz licznika Geigera znajduje się maleńka ilość substancji radioaktywnej, tak mała, że w ciągu godziny może rozpaść się tylko jeden atom , ale przy tym najprawdopodobniej nie może się rozpaść; jeśli tak się stanie, rurka odczytowa zostaje rozładowana i przekaźnik zostaje aktywowany, uwalniając młotek, który rozbija kolbę kwasem cyjanowodorowym.

Jeśli zostawimy cały ten układ samemu sobie na godzinę, to można powiedzieć, że po tym czasie kot będzie żył, o ile atom nie ulegnie rozpadowi. Pierwszy rozpad atomowy zatrułby kota. Funkcja psi systemu jako całości wyrazi to poprzez zmieszanie lub posmarowanie żywego i martwego kota (przepraszam za wyrażenie) w równych częściach. Typowe jest, że w takich przypadkach niepewność początkowo jest ograniczona świat atomowy, przekształca się w niepewność makroskopową, którą można wyeliminować poprzez bezpośrednią obserwację. Uniemożliwia to naiwne przyjęcie „modelu rozmycia” jako odzwierciedlającego rzeczywistość. To samo w sobie nie oznacza niczego niejasnego lub sprzecznego. Istnieje różnica pomiędzy rozmazanym lub nieostrym zdjęciem a zdjęciem chmur lub mgły.

Innymi słowy:

Jest pudełko i kot. Pudełko zawiera mechanizm zawierający radioaktywne jądro atomowe oraz pojemnik z trującym gazem. Parametry eksperymentu dobrano tak, aby prawdopodobieństwo rozpadu jądrowego w ciągu 1 godziny wynosiło 50%. Jeśli jądro rozpadnie się, otworzy się pojemnik z gazem i kot umrze. Jeśli jądro nie ulegnie rozkładowi, kot pozostanie żywy i ma się dobrze.
Zamykamy kota w pudełku, czekamy godzinę i zadajemy sobie pytanie: czy kot żyje, czy nie?
Mechanika kwantowa zdaje się nam mówić, że jądro atomowe (a zatem i kot) znajduje się we wszystkich możliwych stanach jednocześnie (patrz superpozycja kwantowa). Zanim otworzymy pudełko, układ kot-rdzeń znajduje się w stanie „jądro uległo rozpadowi, kot nie żyje” z prawdopodobieństwem 50% oraz w stanie „jądro nie uległo rozpadowi, kot żyje” z prawdopodobieństwem 50%. prawdopodobieństwo 50%. Okazuje się, że kot siedzący w pudełku jest jednocześnie żywy i martwy.
Według współczesnej interpretacji kopenhaskiej kot jest żywy/martwy, bez żadnych stanów pośrednich. A wybór stanu rozpadu jądra następuje nie w momencie otwarcia pudełka, ale już w momencie wejścia jądra do detektora. Ponieważ redukcja funkcji falowej układu „kot-detektor-jądro” nie jest związana z ludzkim obserwatorem skrzynki, ale z detektorem-obserwatorem jądra.

Według mechaniki kwantowej, jeśli nie obserwuje się jądra atomu, to jego stan opisuje mieszanina dwóch stanów - jądra rozpadającego się i jądra nierozłożonego, a zatem kot siedzący w pudełku i uosabiający jądro atomu atom jest jednocześnie żywy i martwy. Jeśli pudełko zostanie otwarte, eksperymentator może zobaczyć tylko jeden konkretny stan - „jądro rozpadło się, kot nie żyje” lub „jądro nie uległo rozkładowi, kot żyje”.

Istota w języku ludzkim: Eksperyment Schrödingera pokazał, że z punktu widzenia mechaniki kwantowej kot jest jednocześnie żywy i martwy, co nie może być możliwe. Dlatego mechanika kwantowa ma istotne wady.

Pytanie brzmi: kiedy system przestaje istnieć jako mieszanina dwóch stanów i wybiera jeden, konkretny? Celem eksperymentu jest pokazanie, że mechanika kwantowa nie jest kompletna bez pewnych reguł, które wskazują, w jakich warunkach funkcja falowa załamuje się, a kot albo staje się martwy, albo pozostaje żywy, ale nie jest już mieszaniną obu. Ponieważ jest jasne, że kot musi być albo żywy, albo martwy (nie ma stanu pośredniego między życiem a śmiercią), podobnie będzie z jądrem atomowym. Musi być albo zepsuty, albo niezniszczony ().

Inną najnowszą interpretacją eksperymentu myślowego Schrödingera jest historia Sheldona Coopera, bohatera serialu „Teoria wielki wybuch” („Teoria wielkiego podrywu”), który wygłosił dla swojej mniej wykształconej sąsiadki Penny. Istotą historii Sheldona jest to, że koncepcję kota Schrödingera można zastosować w relacjach międzyludzkich. Aby zrozumieć, co dzieje się między mężczyzną i kobietą, jaki rodzaj relacji między nimi: dobry czy zły, wystarczy otworzyć pudełko. Do tego czasu związek jest zarówno dobry, jak i zły.

Poniżej znajduje się klip wideo przedstawiający wymianę zdań w ramach teorii wielkiego podrywu pomiędzy Sheldonem i Penią.

Ilustracja Schrödingera jest najlepszy przykład aby opisać główny paradoks fizyki kwantowej: zgodnie z jej prawami cząstki takie jak elektrony, fotony, a nawet atomy istnieją jednocześnie w dwóch stanach („żywy” i „martwy”, jeśli pamiętacie cierpliwego kota). Stany te nazywane są.

Amerykański fizyk Art Hobson () z University of Arkansas (Arkansas State University) zaproponował swoje rozwiązanie tego paradoksu.

„-Pomiary w fizyka kwantowa opierają się na działaniu pewnych urządzeń makroskopowych, takich jak licznik Geigera, za pomocą którego określa się stan kwantowy układów mikroskopowych - atomów, fotonów i elektronów. Teoria kwantowa zakłada, że jeśli podłączymy mikroskopijny układ (cząstkę) do jakiegoś makroskopowego urządzenia, które rozróżnia dwa różne stany układu, to urządzenie (na przykład licznik Geigera) przejdzie w stan splątania kwantowego i również znajdzie się w dwóch jednocześnie superpozycje. Nie da się jednak tego zjawiska zaobserwować bezpośrednio, co czyni go niedopuszczalnym” – mówi fizyk.

Hobson twierdzi, że w paradoksie Schrödingera kot pełni rolę makroskopowego urządzenia, licznika Geigera, połączonego z radioaktywnym jądrem w celu określenia stanu rozpadu lub „nierozpadu” tego jądra. W tym przypadku żywy kot będzie wskaźnikiem „niegnicia”, a martwy kot będzie wskaźnikiem rozkładu. Ale według teorii kwantowej kot, podobnie jak jądro, musi istnieć w dwóch superpozycjach życia i śmierci.

Zamiast tego, zdaniem fizyka, stan kwantowy kota powinien być splątany ze stanem atomu, co oznacza, że pozostają one ze sobą w „nielokalnej relacji”. Oznacza to, że jeśli stan jednego ze splątanych obiektów nagle zmieni się na przeciwny, wówczas zmieni się również stan jego pary, niezależnie od tego, jak daleko od siebie będą. Czyniąc to, Hobson nawiązuje do tej teorii kwantowej.

„Najciekawszą rzeczą w teorii splątania kwantowego jest to, że zmiana stanu obu cząstek następuje natychmiast: żaden sygnał świetlny ani elektromagnetyczny nie miałby czasu na przesłanie informacji z jednego układu do drugiego. Można więc powiedzieć, że jest to jeden obiekt podzielony przestrzennie na dwie części, niezależnie od tego, jak duża jest między nimi odległość” – wyjaśnia Hobson.

Kot Schrödingera nie jest już żywy i martwy jednocześnie. Jest martwy, jeśli nastąpi dezintegracja, i żywy, jeśli dezintegracja nigdy nie nastąpi.

Dodajmy, że podobne rozwiązania tego paradoksu zaproponowały w ciągu ostatnich trzydziestu lat jeszcze trzy grupy naukowców, nie zostały one jednak potraktowane poważnie i pozostały niezauważone w szerokich kręgach naukowych. Hobsona, że rozwiązanie paradoksów mechaniki kwantowej, przynajmniej teoretycznie, jest absolutnie niezbędne do jej głębokiego zrozumienia.

Schrödingera

Ale niedawno TEORYŚCI WYJAŚNILI, W JAKI SPOSÓB GRAWITACJA ZABIJA KOTA SCHRÖDINGERA, ale to jest bardziej skomplikowane...-

Fizycy z reguły wyjaśniają zjawisko polegające na tym, że w świecie cząstek superpozycja jest możliwa, ale niemożliwa w przypadku kotów czy innych makroobiektów, ingerencja ze strony środowisko. Kiedy obiekt kwantowy przechodzi przez pole lub wchodzi w interakcję z przypadkowymi cząsteczkami, natychmiast przyjmuje tylko jeden stan – tak jakby był mierzony. Jak sądzili naukowcy, właśnie w ten sposób niszczy się superpozycję.

Ale nawet gdyby w jakiś sposób udało się wyizolować makroobiekt w stanie superpozycji od interakcji z innymi cząstkami i polami, to i tak prędzej czy później przyjąłby on pojedynczy stan. Przynajmniej tak jest w przypadku procesów zachodzących na powierzchni Ziemi.

„Gdzieś w przestrzeni międzygwiezdnej być może kot miałby szansę, ale na Ziemi lub w pobliżu jakiejkolwiek planety jest to niezwykle mało prawdopodobne. A powodem tego jest grawitacja” – wyjaśnia główny autor nowego badania, Igor Pikovsky () z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

Pikovsky i jego koledzy z Uniwersytetu Wiedeńskiego argumentują, że grawitacja ma destrukcyjny wpływ na kwantowe superpozycje makroobiektów, dlatego w makrokosmosie nie obserwujemy podobnych zjawisk. Podstawowa koncepcja nawiasem mówiąc, nowa hipoteza w filmie fabularnym „Interstellar”.

Ogólna teoria względności Einsteina stwierdza, że niezwykle masywny obiekt zakrzywi wokół siebie czasoprzestrzeń. Rozpatrując sytuację na mniejszym poziomie, można powiedzieć, że dla cząsteczki umieszczonej blisko powierzchni Ziemi czas będzie płynął nieco wolniej niż dla cząsteczki znajdującej się na orbicie naszej planety.

Ze względu na wpływ grawitacji na czasoprzestrzeń, cząsteczka dotknięta tym wpływem odczuje odchylenie w swoim położeniu. A to z kolei powinno wpłynąć na jego energię wewnętrzną - drgania cząstek w cząsteczce, które zmieniają się w czasie. Jeśli cząsteczka zostanie wprowadzona w stan kwantowej superpozycji dwóch lokalizacji, wówczas związek między pozycją a energia wewnętrzna wkrótce zmusiłoby cząsteczkę do „wybrania” tylko jednej z dwóch pozycji w przestrzeni.

„-W większości przypadków wiąże się ze zjawiskiem dekoherencji wpływ zewnętrzny, ale w tym przypadku wewnętrzne wibracje cząstek oddziałują z ruchem samej cząsteczki” – wyjaśnia Pikowski.

Efektu tego nie zaobserwowano dotychczas, gdyż inne źródła dekoherencji, jak np pola magnetyczne, promieniowanie cieplne i wibracje są zwykle znacznie silniejsze i powodują zniszczenie układów kwantowych na długo przed zniszczeniem grawitacji. Ale eksperymentatorzy starają się przetestować hipotezę.

Podobną konfigurację można również zastosować do przetestowania zdolności grawitacji do niszczenia układów kwantowych. Aby to zrobić, konieczne będzie porównanie interferometrów pionowych i poziomych: w pierwszym superpozycja powinna wkrótce zniknąć na skutek dylatacji czasu na różnych „wysokościach” ścieżki, natomiast w drugim superpozycja kwantowa może pozostać.

źródła

http://4brain.ru/blog/%D0%BA%D0%BE%D1%82-%D1%88%D1%80%D0%B5%D0%B4%D0%B8%D0%BD%D0% B3%D0%B5%D1%80%D0%B0-%D1%81%D1%83%D1%82%D1%8C-%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%81%D1% 82%D1%8B%D0%BC%D0%B8-%D1%81%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BC%D0%B8/

http://www.vesti.ru/doc.html?id=2632838

Oto trochę bardziej pseudonaukowe: na przykład i tutaj. Jeśli jeszcze nie wiesz, przeczytaj o tym i czym jest. I dowiemy się co

W 1935 roku wielki fizyk, laureat Nagrody Nobla i twórca mechaniki kwantowej Erwin Schrödinger sformułował swój słynny paradoks.

Naukowiec zasugerował, że jeśli weźmiesz pewnego kota i umieścisz go w nieprzezroczystym stalowym pudełku z „piekielną maszyną”, to za godzinę będzie on jednocześnie żywy i martwy. Mechanizm w pudełku wygląda tak: wewnątrz licznika Geigera znajduje się mikroskopijna ilość substancji radioaktywnej, która w ciągu godziny może rozpaść się tylko na jeden atom; jednocześnie z takim samym prawdopodobieństwem może nie ulec rozkładowi. Jeśli nastąpi rozkład, mechanizm dźwigni zadziała i młotek rozbije naczynie z kwasem cyjanowodorowym, a kot umrze; jeśli nie ma rozkładu, naczynie pozostanie nienaruszone, a kot będzie żywy i zdrowy.

Gdybyśmy nie mówili o kocie i pudełku, ale o świecie cząstek subatomowych, to naukowcy powiedzieliby, że kot jest jednocześnie żywy i martwy, jednak w makrokosmosie taki wniosek jest błędny. Dlaczego więc operujemy takimi pojęciami, gdy mówimy o mniejszych cząstkach materii?

Ilustracja Schrödingera najlepiej opisuje główny paradoks fizyki kwantowej: zgodnie z jej prawami cząstki takie jak elektrony, fotony, a nawet atomy istnieją w dwóch stanach jednocześnie („żywym” i „martwym”, jeśli pamiętasz cierpliwy kot). Stany te nazywane są superpozycjami.

Amerykański fizyk Art Hobson z University of Arkansas (Arkansas State University) zaproponował swoje rozwiązanie tego paradoksu.

„Pomiary w fizyce kwantowej opierają się na działaniu pewnych urządzeń makroskopowych, np. licznika Geigera, za pomocą którego określa się stan kwantowy układów mikroskopowych – atomów, fotonów i elektronów. Teoria kwantowa zakłada, że jeśli podłączymy mikroskopijny układu (cząstki) do jakiegoś urządzenia makroskopowego, rozróżniając dwa różne stany układu, wówczas urządzenie (np. licznik Geigera) przejdzie w stan splątania kwantowego i również znajdzie się w dwóch superpozycjach jednocześnie Nie da się tego zjawiska zaobserwować bezpośrednio, co czyni je niedopuszczalnym” – mówi fizyk.

Zamiast tego, zdaniem fizyka, stan kwantowy kota powinien być splątany ze stanem atomu, co oznacza, że są one ze sobą w „nielokalnym połączeniu”. Oznacza to, że jeśli stan jednego ze splątanych obiektów nagle zmieni się na przeciwny, wówczas zmieni się również stan jego pary, niezależnie od tego, jak daleko od siebie będą. Czyniąc to, Hobson nawiązuje do tej teorii kwantowej.

„Najciekawszą rzeczą w teorii splątania kwantowego jest to, że zmiana stanu obu cząstek następuje natychmiast: żadne światło ani sygnał elektromagnetyczny nie miałby czasu na przesłanie informacji z jednego układu do drugiego. Można zatem powiedzieć, że jest to jeden obiekt podzielić przestrzeń na dwie części, niezależnie od tego, jak duża jest między nimi odległość” – wyjaśnia Hobson.

Kot Schrödingera nie jest już żywy i martwy jednocześnie. Jest martwy, jeśli nastąpi dezintegracja, i żywy, jeśli dezintegracja nigdy nie nastąpi.

Dodajmy, że podobne rozwiązania tego paradoksu zaproponowały w ciągu ostatnich trzydziestu lat jeszcze trzy grupy naukowców, nie zostały one jednak potraktowane poważnie i pozostały niezauważone w szerokich kręgach naukowych. Hobson zauważa, że rozwiązywanie paradoksów mechaniki kwantowej, przynajmniej teoretycznie, jest absolutnie niezbędne do jej głębokiego zrozumienia.

Jak nam wyjaśnił Heisenberg, ze względu na zasadę nieoznaczoności opis obiektów w mikroświecie kwantowym ma inny charakter niż zwykły opis obiektów w makroświecie Newtona. Zamiast współrzędnych przestrzennych i prędkości, do których zwykliśmy opisywać ruch mechaniczny, na przykład piłki stół bilardowy w mechanice kwantowej obiekty opisuje się tzw. funkcją falową. Grzbiet „fali” odpowiada maksymalnemu prawdopodobieństwu znalezienia cząstki w przestrzeni w momencie pomiaru. Ruch takiej fali opisuje równanie Schrödingera, które mówi nam, jak zmienia się stan układu kwantowego w czasie.

Teraz o kocie. Wszyscy wiedzą, że koty uwielbiają chować się w pudełkach (). Erwin Schrödinger również był o tym poinformowany. Co więcej, z czysto nordyckim fanatyzmem, wykorzystał tę cechę w słynnym eksperymencie myślowym. Istota sprawy była taka, że kot został zamknięty w pudełku z piekielną maszyną. Maszyna jest połączona poprzez przekaźnik z układem kwantowym, na przykład z substancją rozpadającą się radioaktywnie. Prawdopodobieństwo rozpadu jest znane i wynosi 50%. Piekielna maszyna uruchamia się, gdy zmienia się stan kwantowy układu (następuje rozkład) i kot umiera całkowicie. Jeśli zostawimy na godzinę system „Kot-pudełko-piekielna maszyna-kwanty” i przypomnimy sobie, że stan układu kwantowego opisuje się w kategoriach prawdopodobieństwa, to stanie się jasne, że to, czy kot żyje, czy nie, zależy od w tej chwili czasu, prawdopodobnie to nie zadziała, tak jak nie będzie możliwe dokładne przewidzenie z góry upadku monety na orła lub reszkę. Paradoks jest bardzo prosty: funkcja falowa opisująca układ kwantowy miesza ze sobą dwa stany kota – jest on jednocześnie żywy i martwy, tak jak związany elektron można z równym prawdopodobieństwem zlokalizować w dowolnym miejscu przestrzeni w równej odległości od jądro atomowe. Jeśli nie otworzymy pudełka, nie będziemy wiedzieć, jak dokładnie radzi sobie kot. Nie dokonując obserwacji (czytając pomiarów) jądra atomowego, możemy opisać jego stan jedynie poprzez superpozycję (mieszanie) dwóch stanów: jądra rozpadającego się i nierozłożonego. Kot uzależniony od broni nuklearnej jest jednocześnie żywy i martwy. Pytanie brzmi: kiedy system przestaje istnieć jako mieszanina dwóch stanów i wybiera jeden, konkretny?

Kopenhaska interpretacja eksperymentu mówi nam, że układ przestaje być mieszaniną stanów i wybiera jeden z nich w momencie wystąpienia obserwacji, która jest jednocześnie pomiarem (ramka otwiera się). Oznacza to, że sam fakt pomiaru zmienia rzeczywistość fizyczną, prowadząc do załamania się funkcji falowej (kot albo staje się martwy, albo pozostaje żywy, ale przestaje być mieszaniną obu)! Pomyśl o tym, eksperyment i towarzyszące mu pomiary zmieniają otaczającą nas rzeczywistość. Osobiście ten fakt niepokoi mój mózg znacznie bardziej niż alkohol. Dobrze znany Steve Hawking również nie może doświadczyć tego paradoksu, powtarzając, że gdy słyszy o kocie Schrödingera, wyciąga rękę w stronę Browninga. Ostrość reakcji wybitnego fizyka teoretyka wynika z faktu, że jego zdaniem rola obserwatora w zapadnięciu się funkcji falowej (zapadnięciu jej w jeden z dwóch probabilistycznych stanów) jest mocno przesadzona.

Oczywiście, kiedy w 1935 roku profesor Erwin wymyślił torturę kota, był to genialny sposób pokazania niedoskonałości mechaniki kwantowej. Tak naprawdę kot nie może być jednocześnie żywy i martwy. W wyniku jednej z interpretacji eksperymentu stało się oczywiste, że istnieje sprzeczność między prawami makroświata (na przykład druga zasada termodynamiki - kot jest żywy lub martwy) a mikro-światem. świat (kot jest jednocześnie żywy i martwy).

Powyższe ma zastosowanie w praktyce: w informatyce kwantowej i kryptografii kwantowej. Sygnał świetlny w superpozycji dwóch stanów przesyłany jest kablem światłowodowym. Jeżeli napastnicy podłączą się do kabla gdzieś pośrodku i odbiją tam sygnał w celu podsłuchania przesyłanej informacji, to spowoduje to załamanie funkcji falowej (z punktu widzenia interpretacji kopenhaskiej zostanie dokonana obserwacja) i światło przejdzie do jednego ze stanów. Przeprowadzając statystyczne badania światła na końcu odbiorczym kabla, będzie można wykryć, czy światło znajduje się w superpozycji stanów, czy też zostało już zaobserwowane i przesłane do innego punktu. Dzięki temu możliwe jest stworzenie środków komunikacji wykluczających niewykrywalne przechwycenie i podsłuchanie sygnału.

Inną nowszą interpretacją eksperymentu myślowego Schrödingera jest historia, którą Sheldon Cooper, bohater teorii wielkiego podrywu, opowiedział swojej mniej wykształconej sąsiadce Penny. Istotą historii Sheldona jest to, że koncepcję kota Schrödingera można zastosować w relacjach międzyludzkich. Aby zrozumieć, co dzieje się między mężczyzną i kobietą, jaki rodzaj relacji między nimi jest dobry czy zły, wystarczy otworzyć pudełko. Do tego czasu związek jest zarówno dobry, jak i zły.

Kot Schrödingera to najbardziej tajemniczy ze wszystkich kotów, kotów, kotów, kotów, które ludzkość tak uwielbia. Wirusowe filmy z kotami rozprzestrzeniają się w Internecie i mają miliony wyświetleń dziennie, a zdjęcia uroczych kociąt na billboardach reklamowych mogą skłonić nas do zakupu dowolnego produktu. Pole popularyzacji nauki ma także swoich wąsatych i pasiastych bohaterów. Dokładniej, jednym z nich jest kot Schrödingera. Na pewno o tym słyszałeś, nawet jeśli nie zajmujesz się mechaniką kwantową. Dlaczego więc prawie sto lat słynny kot nawiedza fizyków i autorów tekstów, a także staje się jednym z najciekawszych obiektów współczesności kultura popularna?

Kot Schrödingera jako metafora

Choć może to zabrzmieć paradoksalnie, austriacki fizyk teoretyczny i laureat Nagrody Nobla Erwin Schrödinger jest „ojcem” najbardziej tajemniczego kota, a nie właścicielem. Mimo wszystko Kot Schrödingera to eksperyment myślowy, teoretyczny paradoks i naprawdę niesamowita metafora opisu superpozycji kwantowej.

Czy był kot?

Pytanie „Czy Schrödinger miał kota?” nadal pozostaje otwarty. Chociaż według wielu źródeł w jednym z wczesnych wydań FizykaDzisiaj jest tam zdjęcie naukowca ze swoim kotem Miltonem. Z kolei w oryginalnym tekście artykułu z 1935 roku, w którym Erwin Schrödinger opisał swój hipotetyczny eksperyment, nie jest to wcale kot, tylko kot (die Katze). Dlaczego fizyk na głównego bohatera swojej koncepcji wybrał przedstawiciela kotów? Jak kot zmienił się w kota? Wydaje się, że pytania te mają pozostać retoryczne.

Kot Schrödingera nie żyje z 50% szansą

Designua / Shutterstock.com

Jeśli jednak źródłem inspiracji badacza był jego osobisty zwierzak, to najwyraźniej przyczyną tego był stłuczony przez kota wazon lub zniszczona tapeta. Bo najważniejsze, co kot Schrödingera robi podczas eksperymentu, to zamknąć w stalowym pudełku i… umrzeć. To prawda, z prawdopodobieństwem 50%. Dokładniej, oprócz biednego zwierzaka, w pudełku umieszczony jest specjalny mechanizm zawierający radioaktywny rdzeń i pojemnik z trującym gazem. Jeśli jądro rozpadnie się, mechanizm zostaje uruchomiony i kot umiera z powodu uwolnionego gazu. Jeśli to nie działa, żyje. Ale tylko obserwator, który otworzy pudełko, może poznać jego los. Do tego czasu kot będzie żywy i martwy.

Bez kota mechanika kwantowa nie jest taka sama

Cała ta sytuacja, na pierwszy rzut oka paradoksalna, doskonale ilustruje jedno z założeń mechaniki kwantowej. Według niego jądro atomowe znajduje się jednocześnie we wszystkich możliwych stanach: rozpadu i nierozpadu. Jeżeli nie obserwuje się atomu, wówczas jego stan opisuje się za pomocą mieszaniny tych dwóch cech. Dlatego kot, czytaj - jądro atomu, jest zarówno żywy, jak i martwy. A to jest po prostu niemożliwe. Oznacza to, że w mechanice kwantowej brakuje pewnych reguł określających warunki, w jakich los kota jest jednoznacznie jasny.

Kot Schrödingra: odmiany

Nic dziwnego, że znaczenie tego, co dzieje się z mitycznym kotem, jest takie stalowe pudełko ma kilka interpretacji.

Odmiana kopenhaska

Istnieje kopenhaska interpretacja mechaniki kwantowej, której autorami są Niels Bohr i Werner Heisenberg. Zgodnie z nią kot pozostaje w obu stanach, niezależnie od obserwatora. Przecież decydujący moment nie następuje w momencie otwarcia szuflady, ale w momencie uruchomienia mechanizmu. Oznacza to, że zwierzę już dawno zdechło z powodu gazu, ale pudełko jest nadal zamknięte. Innymi słowy, w interpretacji kopenhaskiej nie ma stanu „martwego-żywego”, ponieważ wyznacza go detektor reagujący na rozpad jądra.

Odmiana Everetta

Istnieje również interpretacja wielu światów, zwana interpretacją Everetta. Doświadczenie z kotem Schrödingera interpretuje jako dwa odrębne, istniejące światy, które rozszczepiają się w momencie otwarcia pudełka. W jednym wszechświecie kot żyje i ma się dobrze, w innym nie przeżył eksperymentu.

„kwantowe samobójstwo”

Tak czy inaczej, biedny kot Schrödinger był „dręczony” przez wielu fizyków. Niektórzy proponowali na przykład rozważenie sytuacji z kotem z punktu widzenia samego zwierzęcia – w końcu to on wie lepiej niż wszyscy fizycy na świecie, czy jest martwy, czy żywy. Naprawdę, nie można z tym polemizować. Takie podejście nazywa się „kwantowym samobójstwem” i hipotetycznie pozwala sprawdzić, która z tych interpretacji jest poprawna.

Każdy może wyhodować własną odmianę

Jeśli spojrzysz na współczesną naukę fizyczną, możesz z całą pewnością stwierdzić, że na kartach badań cierpliwy kot Schrödingera jest bardziej żywy niż ktokolwiek inny. Od czasu do czasu naukowcy oferują swoje rozwiązania tego dobrze znanego paradoksu, a także rozwijają tę koncepcję w bardzo krótkim czasie ciekawe wydarzenia.

„drugie pudełko”

Na przykład w zeszłym roku naukowcy z Uniwersytetu Yale „dali” kotowi Schrödingera drugie pudełko na jego śmiercionośną zabawę w chowanego. W oparciu o to podejście naukowcy próbowali zasymulować układ niezbędny do działania komputera kwantowego. W końcu, jak wiadomo, jedną z głównych trudności w tworzeniu tego typu maszyn jest konieczność poprawiania błędów. Jak się okazuje, wykorzystanie kotów Schrödingera jest obiecującym sposobem zarządzania nadmiarem informacji kwantowej.

"mikrokot"

Zaledwie kilka tygodni temu międzynarodowemu zespołowi naukowców, kierowanemu przez rosyjskich ekspertów w dziedzinie optyki kwantowej, udało się „wyhodować” mikroskopijne koty Schrödingera, aby osiągnąć postęp w poszukiwaniu granicy między światem kwantowym i klasycznym. W ten sposób kot Schrödingera pomaga fizykom rozwijać technologie komunikacji kwantowej i kryptografię.

Kot Schrödingera to gwiazda popkultury

Studio Afryka / Shutterstock.com

Jeśli kot nie może uciec ze swojego nieszczęsnego pudełka, to udało mu się wydostać z granic naukowych koncepcji i stron badań. I jak!

Postać tajemniczego kota o trudnym losie pojawia się z godną pozazdroszczenia konsekwencją w dziełach kultury popularnej. I tak kot Schrödingera pojawia się w książkach Terry'ego Pratchetta, Fredrika Pohla, Douglasa Adamsa i innych na całym świecie. znani pisarze. Oczywiście wzmianka o kocie pojawiła się w popularnych projektach telewizyjnych, takich jak „Teoria wielkiego podrywu” i „Doktor Who”. Nie wspominając już o tym, że wizerunek kota Schrödingera stale pojawia się w grach wideo i tekstach piosenek. A portal ThinkGeek zarobił już fortunę na sprzedaży koszulek z napisem z jednej strony: „Kot Schrodingera żyje”, a z drugiej „Kot Schrodingera nie żyje”.

Koty robią to lepiej

Zgadzam się, możesz oglądać niesamowita rzecz: Najsłynniejszy kot naukowy to tylko wizualizowany model do testowania hipotezy. Jednak udział w nim ogoniastego zwierzaka nadał eksperymentowi znaczną dozę poezji i uroku. A może po prostu koty wszystko robią lepiej? Całkiem możliwe.

I pamiętajcie: w wyniku eksperymentu Schrödingera ani jeden kot nie ucierpiał.

Jeśli znajdziesz błąd, zaznacz fragment tekstu i kliknij Ctrl+Enter.

Wielu słyszało zagadkę o kocie, który wchodząc do pudełka był w kilku stanach na raz i nie był jednocześnie ani martwy, ani żywy. Większość z nas słyszała o prezencie z nieszczęsnym kotem, ale nie o naukowcu, który go wymyślił. Twórcą zagadki jest wiedeński naukowiec Erwin Schrödinger.

Schrödinger urodził się na terenie ówczesnych Austro-Węgier w zamożnej rodzinie. Ojciec Erwina zachęcał do nauki, a jego dziadek ze strony matki był chemikiem. Naukowiec dobrze się uczył w szkole i jako uczeń zaczął myśleć o poważnych kwestiach fizyki. Naukowcy badali wówczas zachowanie odkrytych wówczas cząstek elementarnych i próbowali wyjaśnić, dlaczego ich zachowania nie da się opisać prawami fizyki klasycznej. Wielu teoretyków brało udział w dyskusjach, sporach, stawiało różne hipotezy itp. Schrödinger zaproponował swoją wizję natury fale elektromagnetyczne, opisując je złożonym równaniem. Niech wyjaśnienie matematyczne wymaga napisania funkcji zespolonej, teorii Schrödingera w prostych słowach można również wyjaśnić.

Istota teorii Schrödingera

Dziś wiadomo, że prawami fizyki klasycznej można opisać jedynie zachowanie obiektów makroskopowych, a te, które nie są widoczne gołym okiem, w ogóle im nie podlegają. Teorię naukowca można zastosować tylko do tych obiektów, których wymiary są porównywalne z rozmiarami cząsteczek, atomów, a nawet takich cząstek elementarnych, jak elektrony, protony i inne.

Zasugerował, że małe cząstki mają jednocześnie dwie właściwości: materię (masę, rozciągłość, prędkość) i fale (amplitudę, częstotliwość itp.). Początkowo trudno było sobie wyobrazić, dlaczego tak się dzieje. Dlatego też należało odrzucić wszystkie nauki mechaniki klasycznej Newtona. Schrödinger uważał, że za pomocą matematyki nierozerwalną zależność można wyjaśnić za pomocą pisma. Z matematycznego punktu widzenia naukowiec miał rację, ale jego wyjaśnienie zależności jako fizyk okazało się błędne. Fizycy tacy jak Heisenberg, Bohr, Einstein i Sommerfeld obalili jego opinię. Stąd wzięła się słynna zagadka o kocie.

Postrzeganie mikroświata

Cząstki tworzące atom i same atomy są na tyle małe, że nie mamy możliwości empirycznego oszacowania ich masy, objętości, prędkości itp. parametry fizyczne. Naukowcy mogą jedynie rejestrować jasne paski i zmiany na specjalnej czułej kliszy i za pomocą obliczeń określać charakterystykę mikroobiektów.

Za pomocą funkcji matematycznej można opisać stan cząstki, ale jest to jedynie narzędzie matematyczne, pozbawione fizycznego znaczenia. Za pomocą funkcji fali kwadratowej można określić jedynie prawdopodobieństwo pojawienia się mikroelementu w objętości przestrzeni uzyskanej z różniczkowych wartości współrzędnych. Tylko w ten sposób można w prostych słowach ukazać istotę teorii Schrödingera, jaką widzieli naukowcy tacy jak Einstein, Heisenberg i inni.

Kot Schrödingera w prostych słowach

Sam naukowiec nieustannie się kłócił, nie uznając żadnego innego pomysłu na swoje równanie. Uważał, że w swej postaci jest ono dość jasne, a samo pojęcie prawdopodobieństwa jest bardzo niejasne. Jego zdaniem mikroobiekty miałyby wpływ na makrokosmos, gdyby wszystko było tak, jak sądzili naukowcy, którzy się z nim nie zgadzali. Jako wizualne wyjaśnienie swojej słuszności podał przykład z kotem i pudełkiem, którego ściany nie pozwalają zobaczyć i usłyszeć, co się w nim dzieje.

To pudełko zawiera samoniszczącą kapsułę z trucizną i tylko jednym atomem pierwiastka radioaktywnego. Prawdopodobieństwo rozpadu atomu w ciągu 1 godziny wynosi 50%. W przypadku zaniku zostaje uruchomiony czujnik, który uruchamia mechanizm mający na celu zniszczenie kolby. Ponieważ jednak można dowiedzieć się, czy rozpad atomu nastąpił jedynie eksperymentalnie, nie można wiedzieć, czy proces ten nastąpił, czy nie. Nie można też z całą pewnością stwierdzić, czy kot zdechł, czy pozostał przy życiu. Zatem przed otwarciem pudełka można powiedzieć, że żyje i jest jednocześnie martwy, a po otwarciu można z całą pewnością stwierdzić, czy miała miejsce jedna z dwóch możliwości. Ponieważ dla kota nie ma innego stanu niż martwy lub żywy, wyraźnie wykazano niespójność teorii kwantowej. Dlatego w przyszłości nauka kwantowa ustaliła pewne zasady jej zastosowania. Na koniec film o kocie Schrödingera.