No Image

Эрвин шредингер квантовый кот

СОДЕРЖАНИЕ
0 просмотров
10 марта 2020
Состояние отпатрулирована
Квантовая механика
Δ x ⋅ Δ p x ⩾ ℏ 2 <displaystyle Delta xcdot Delta p_geqslant <frac <hbar ><2>>>
См. также: Портал:Физика

Кот Шрёдингера — мысленный эксперимент, предложенный австрийским физиком-теоретиком, одним из создателей квантовой механики, Эрвином Шрёдингером, которым он хотел показать неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим.

Содержание

Суть эксперимента [ править | править код ]

В оригинальной статье Шрёдингера эксперимент описан так:

Можно построить и случаи, в которых довольно бурлеска. Некий кот [1] заперт в стальной камере вместе со следующей адской машиной (которая должна быть защищена от прямого вмешательства кота): внутри счётчика Гейгера находится крохотное количество радиоактивного вещества, столь небольшое, что в течение часа может распасться только один атом, но с такой же вероятностью может и не распасться; если же это случится, считывающая трубка разряжается и срабатывает реле, спускающее молот, который разбивает колбочку с синильной кислотой. Если на час предоставить всю эту систему самой себе, то можно сказать, что кот будет жив по истечении этого времени, коль скоро распада атома не произойдёт. Первый же распад атома отравил бы кота. Пси-функция системы в целом будет выражать это, смешивая в себе или размазывая живого и мёртвого кота (простите за выражение) в равных долях.

Типичным в подобных случаях является то, что неопределённость, первоначально ограниченная атомным миром, преобразуется в макроскопическую неопределённость, которая может быть устранена путём прямого наблюдения. Это мешает нам наивно принять «модель размытия» как отражающую действительность. Само по себе это не означает ничего неясного или противоречивого. Есть разница между нечётким или расфокусированным фото и снимком облаков или тумана.

Согласно квантовой механике, если над ядром не производится наблюдение, то его состояние описывается суперпозицией (смешением) двух состояний — распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике, и жив, и мёртв одновременно. Если же ящик открыть, то экспериментатор может увидеть только какое-нибудь одно конкретное состояние — «ядро распалось, кот мёртв» или «ядро не распалось, кот жив».

Вопрос стоит так: когда система перестаёт существовать как смешение двух состояний и выбирает одно конкретное? Цель эксперимента — показать, что квантовая механика неполна без некоторых правил, которые указывают, при каких условиях происходит коллапс волновой функции, и кот либо становится мёртвым, либо остаётся живым, но перестаёт быть смешением того и другого.

Поскольку ясно, что кот обязательно должен быть либо живым, либо мёртвым (не существует состояния, сочетающего жизнь и смерть), то это будет аналогично и для атомного ядра. Оно обязательно должно быть либо распавшимся, либо нераспавшимся.

В крупных комплексных системах, состоящих из многих миллиардов атомов, декогеренция происходит почти мгновенно, и по этой причине кот не может быть одновременно мёртвым и живым на каком-либо поддающемся измерению отрезке времени. Процесс декогеренции является существенной составляющей эксперимента.

Оригинальная статья вышла в 1935 году. Целью статьи было обсуждение парадокса Эйнштейна — Подольского — Розена (ЭПР), опубликованного Эйнштейном, Подольским и Розеном ранее в том же году [3] . Статьи ЭПР и Шрёдингера обозначили странную природу «квантовой запутанности» (нем. Verschränkung , англ. quantum entanglement , введённый Шрёдингером термин), характерной для квантовых состояний, являющихся суперпозицией состояний двух систем (например, двух субатомных частиц).

Копенгагенская интерпретация [ править | править код ]

В копенгагенской интерпретации система перестаёт быть смешением состояний и выбирает одно из них в тот момент, когда происходит наблюдение. Эксперимент с котом показывает, что в этой интерпретации природа этого самого наблюдения — измерения — определена недостаточно. Некоторые полагают, что опыт говорит о том, что до тех пор, пока ящик закрыт, система находится в обоих состояниях одновременно, в суперпозиции состояний «распавшееся ядро, мёртвый кот» и «нераспавшееся ядро, живой кот», а когда ящик открывают, то только тогда происходит коллапс волновой функции до одного из вариантов. Другие догадываются, что «наблюдение» происходит, когда частица из ядра попадает в детектор; однако (и это ключевой момент мысленного эксперимента) в копенгагенской интерпретации нет чёткого правила, которое говорит, когда это происходит, и потому эта интерпретация неполна до тех пор, пока такое правило в неё не введено, или не сказано, как его можно ввести. Точное правило таково: случайность появляется в том месте, где в первый раз используется классическое приближение.

Таким образом, мы можем опираться на следующий подход: в макроскопических системах мы не наблюдаем квантовых явлений (кроме явления сверхтекучести и сверхпроводимости); поэтому, если мы накладываем макроскопическую волновую функцию на квантовое состояние, мы из опыта должны заключить, что суперпозиция разрушается. И хотя не совсем ясно, что́ значит, что нечто является «макроскопическим» вообще, про кота точно известно, что он является макроскопическим объектом. Таким образом, копенгагенская интерпретация не считает, что до открытия ящика кот находится в состоянии смешения живого и мёртвого.

Многомировая интерпретация Эверетта и совместные истории [ править | править код ]

В многомировой интерпретации квантовой механики, которая не считает процесс измерения чем-то особенным, оба состояния кота существуют, но декогерируют. Когда наблюдатель открывает ящик, он запутывается с котом и от этого образуются два соответствующие живому и мёртвому коту состояния наблюдателя, которые не взаимодействуют друг с другом. Тот же механизм квантовой декогеренции важен и для совместных историй. В этой интерпретации только «мёртвый кот» или «живой кот» могут быть в совместной истории.

Читайте также:  Asrock ucc что это

Другими словами, когда ящик открывается, Вселенная расщепляется на две разные вселенные, в одной из которых наблюдатель смотрит на ящик с мёртвым котом, а в другой — наблюдатель смотрит на живого кота.

Космолог Макс Тегмарк предложил вариацию опыта с котом Шрёдингера под названием «машина для квантового самоубийства». Он рассматривает эксперимент с котом с точки зрения самого кота и утверждает, что таким образом можно экспериментально различить копенгагенскую и многомировую интерпретации. Другая вариация эксперимента — это опыт с другом Вигнера .

Физик Стивен Хокинг однажды воскликнул: «Когда я слышу про кота Шрёдингера, моя рука тянется за ружьём!». Он перефразировал известное высказывание, принадлежащее одному из героев пьесы «Шлагетер» Ганса Йоста: «Wenn ich ‘Kultur’ höre, entsichere ich meinen Browning!» («Когда я слышу слово „культура“, то снимаю с предохранителя свой браунинг!»).

Фактически Хокинг, как и многие другие физики, придерживался мнения, что «Копенгагенская школа» интерпретации квантовой механики подчёркивает роль наблюдателя безосновательно. Окончательного единства среди физиков по этому вопросу всё ещё не достигнуто.

Распараллеливание миров в каждый момент времени соответствует подлинному недетерминированному автомату в отличие от вероятностного, когда на каждом шаге выбирается один из возможных путей в зависимости от их вероятности.

Парадокс Вигнера [ править | править код ]

Это усложнённый вариант эксперимента Шрёдингера. Юджин Вигнер ввёл категорию «друзей». После завершения опыта экспериментатор открывает коробку и видит живого кота. Вектор состояния кота в момент открытия коробки переходит в состояние «ядро не распалось, кот жив». Таким образом, в лаборатории кот признан живым. За пределами лаборатории находится друг. Друг ещё не знает, жив кот или мёртв. Друг признает кота живым только тогда, когда экспериментатор сообщит ему исход эксперимента. Но все остальные друзья ещё не признали кота живым, и признают только тогда, когда им сообщат результат эксперимента. Таким образом, кота можно признать полностью живым (или полностью мёртвым) только тогда, когда все люди во вселенной узнают результат эксперимента. До этого момента в масштабе Большой Вселенной кот, согласно Вигнеру, остаётся живым и мёртвым одновременно [4] .

Практическое применение [ править | править код ]

Вышеописанное применяется на практике: в квантовых вычислениях и в квантовой криптографии. По волоконно-оптическому кабелю пересылается световой сигнал, находящийся в суперпозиции двух состояний. Если злоумышленники подключатся к кабелю где-то посередине и сделают там отвод сигнала, чтобы подслушивать передаваемую информацию, то это схлопнет волновую функцию (с точки зрения копенгагенской интерпретации будет произведено наблюдение) и свет перейдёт в одно из состояний. Проведя статистические пробы света на приёмном конце кабеля, можно будет обнаружить, находится ли свет в суперпозиции состояний или над ним уже произведено наблюдение и передача в другой пункт. Это делает возможным создание средств связи, которые исключают незаметный перехват сигнала и подслушивание.

Эксперимент (который в принципе может быть выполнен, хотя работающие системы квантовой криптографии, способные передавать большие объёмы информации, ещё не созданы) также показывает, что «наблюдение» в копенгагенской интерпретации не имеет отношения к сознанию наблюдателя, поскольку в данном случае к изменению статистики на конце кабеля приводит совершенно неодушевлённое ответвление провода.

В квантовых вычислениях состоянием Шрёдингеровского кота называется особое запутанное состояние кубитов, при котором они все находятся в одинаковой суперпозиции всех нулей или единиц, то есть 1 2 ( | 00 … 0 ⟩ + | 11 … 1 ⟩ ) <displaystyle <frac <1><sqrt <2>>>(|00dots 0
angle +|11dots 1
angle )> .

Ребята, мы вкладываем душу в AdMe.ru. Cпасибо за то,
что открываете эту красоту. Спасибо за вдохновение и мурашки.
Присоединяйтесь к нам в Facebook и ВКонтакте

Физик-теоретик Эрвин Шредингер сделал в жизни много важных вещей. Он получил Нобелевскую премию, был почетным профессором в десятке стран, писал стихи, а еще занимался философией и биологией. Вот только всему современному миру он известен как человек, который додумался запихнуть кота в смертельную ловушку.

Мы в AdMe.ru решили раз и навсегда разобраться с парадоксом кота Шредингера. Оказывается, все не так уж и сложно.

Эрвин Шредингер

Шредингер умудрился приобрести репутацию чудака даже среди коллег, которые сами-то часто бывают оторваны от жизни. Ученый одевался так небрежно, что его не хотели пускать в гостиницу, потому что принимали за бродягу. Однажды на важной конференции Шредингер отказался говорить о ядерной энергии и прочел лекцию по философии.

Вот такой неоднозначный человек решил потроллить научную общественность и придумал жестокий эксперимент с участием кота и смертельного газа. К счастью, ни один котик не пострадал. А все потому, что эксперимент был мысленным и все происходило только в воображении отдельно взятого физика.

Пару слов о квантовой механике

Вот простой пример работы квантовой физики. Возьмите 2 пустых спичечных коробка. В один из них положите спичку — это объект нашего привычного макромира. Теперь вы можете сказать, что спичка лежит только в одном коробке, а в другом ничего нет. Так работает привычная нам ньютоновская физика.

Читайте также:  Танки системные требования для ноутбука

Все меняется, если вместо спички взять электрон: он будет находиться одновременно в 2 коробках. Так работают законы квантовой физики.

Квантовая механика говорит нам о том, что любая квантовая частица (фотон, электрон, ядро атома и т. п.) находится сразу в нескольких состояниях или в нескольких точках пространства. В микромире частиц не работают привычные нам ньютоновские законы физики.

Частицы ведут себя по своим собственным правилам: они находятся в суперпозиции, т. е. в 2 или более траекториях либо в 2 или более точках пространства одновременно. Здорово, правда?

Кот Шредингера

С чем был не согласен Шредингер? Физик хотел показать, что есть классическая физика (описывает большие объекты) и квантовая физика (описывает крохотные объекты вроде атомов), а точных правил перехода от квантовой системы к макросистеме не существует.

Внимание, знатоки. Когда перестают действовать законы микромира и где начинается макромир? Для поклонников квантовой механики это был больной вопрос. Пришел Шредингер со своим котом и запутал всех окончательно.

В 1935 году физик провел свой знаменитый мысленный эксперимент. Оригинал текста на немецком есть тут. Ну а мы перевели его для вас с языка ученых на язык простых людей.

  • В закрытый стальной ящик помещают кота.
  • Кроме кота в ящике есть адская машина с радиоактивным ядром и ядовитым газом. Газ находится в запечатанном стеклянном сосуде.
  • Радиоактивное ядро может распасться в течение 1 часа. А может и не распасться. Вероятность события — 50 %. (Примечание: распад ядра — самый легкий пример, который пришел ученому в голову, потому что в данном случае у ядра есть только 2 варианта. Если бы он взял какую-то другую переменную, результаты эксперимента трудно было бы предсказать.)
  • Если ядро распадется, котику не повезет. Потому что распад ядра будет зафиксирован счетчиком Гейгера, сработает реле, и специальный молоточек разобьет ампулу с токсичным газом. Кот мертв.
  • Если ядро не распадается, кот остается жив.

По законам квантовой механики в то время, пока ящик закрыт, радиоактивное ядро и наш многострадальный кот находятся в 2 состояниях одновременно. Ядро распалось / не распалось, а кот Шредингера жив / мертв. Если наблюдатель откроет крышку, то увидит либо мертвого кота (ядро распалось), либо живого и удивленного кота (ядро цело).

Но мы-то знаем, что кот не может быть и жив, и мертв одновременно. Может, и с ядром происходит то же самое?

Парадокс Шредингера

Чтобы понять суть эксперимента Шредингера, нужно познакомиться с еще одним принципом квантовой механики — парадоксом наблюдателя.

Радиоактивное ядро, которое грозит нашему котику, находится в суперпозиции ровно до тех пор, пока мы не наблюдаем за системой. Как только к системе подключается наблюдатель и пытается посмотреть, что вообще происходит, ядро (атомы, фотоны) наконец-то определяется и занимает некую позицию.

Если за системой никто не наблюдает (не лезет в ящик со своими измерительными приборами), то ядро распалось / не распалось одновремененно.

Но кот — совсем другое дело. Он совершенно точно жив или совершенно точно мертв. Потому что на котика, т. е. макросистему, не действуют квантовые законы — он состоит из множества разных частиц. Радиоактивное ядро находится в одном мире, а котик живет в мире больших вещей.

Коту все равно, когда вы откроете крышку. Это ядро распадется / не распадется, когда появится наблюдатель. А кот будет либо жив, либо мертв независимо от того, смотрите вы на него или нет.

Откуда ядро «знает», что за ним наблюдают? Когда люди или приборы начинают наблюдение или измерение, частицы переживают волновой (квантовый) коллапс: какое-то время они были в состоянии неопределенности (у них было много вариантов), а измерение / наблюдение определяет положение ядра в пространстве / времени. Говоря простыми словами, ядро из микромира попадает в макромир. Оно покидает зону действия законов квантовой физики и попадает под действие ньютоновской физики.

Выводы

Шредингер намеренно смешал теплое с мягким. Он поместил в один эксперимент объект микромира и макромира. Хотя их взаимодействие невозможно просто потому, что у кота и у ядра свои законы физики.

Ученый добился своего и показал, что законы квантовой физики нуждаются в уточнении. А наблюдатель при работе с объектами макромира не играет никакой роли. Иначе судьбу кота решал бы человек, который откроет крышку железного ящика.

Объяснение от Шелдона Купера

Если к концу нашей статьи ваши мозги начинают кипеть, вот вам объяснение Шелдона Купера из сериала «Теория Большого взрыва». Главный ботан сериала применил теорию к отношениям между людьми. Чтобы понять, какие отношения между мужчиной и женщиной, нужно открыть железный ящик (пойти на свидание). Пока ящик закрыт, отношения и хорошие, и плохие одновременно.

Кот Шредингера постепенно стал физико-математическим мемом. В научно-фантастических книгах, кино и сериалах этот парадок упоминается регулярно. Хотя, конечно, о главном смысле эксперимента никто уже не помнит.

Наверняка вы не раз слышали, что существует такой феномен, как «Кот Шредингера». Но если вы не физик, то, скорее всего, лишь отдаленно представляете себе, что это за кот и зачем он нужен.

«Кот Шредингера» – так называется знаменитый мысленный эксперимент знаменитого австрийского физика-теоретика Эрвина Шредингера, который также является лауреатом Нобелевской премии. С помощью этого вымышленного опыта ученый хотел показать неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим системам.

Читайте также:  Запуск cmd в скрытом режиме

В данной статье дана попытка объяснить простыми словами суть теории Шредингера про кота и квантовую механику, так чтобы это было доступно человеку, не имеющему высшего технического образования. В статье также будут представлены различные интерпретации эксперимента, в том числе и из сериала «Теория большого взрыва».

Описание эксперимента

Оригинальная статья Эрвина Шредингера вышла в свет в 1935 году. В ней эксперимент был описан с использованием приема сравнение или даже олицетворение:

Можно построить и случаи, в которых довольно бурлеска. Пусть какой-нибудь кот заперт в стальной камере вместе со следующей дьявольской машиной (которая должна быть независимо от вмешательства кота): внутри счётчика Гейгера находится крохотное количество радиоактивного вещества, столь небольшое , что в течение часа может распасться только один атом, но с такой же вероятностью может и не распасться; если же это случится, считывающая трубка разряжается и срабатывает реле, спускающее молот, который разбивает колбочку с синильной кислотой.

Если на час предоставить всю эту систему самой себе, то можно сказать, что кот будет жив по истечении этого времени, коль скоро распада атома не произойдёт. Первый же распад атома отравил бы кота. Пси-функция системы в целом будет выражать это, смешивая в себе или размазывая живого и мёртвого кота (простите за выражение) в равных долях. Типичным в подобных случаях является то, что неопределённость, первоначально ограниченная атомным миром, преобразуется в макроскопическую неопределённость, которая может быть устранена путём прямого наблюдения. Это мешает нам наивно принять «модель размытия» как отражающую действительность. Само по себе это не означает ничего неясного или противоречивого. Есть разница между нечётким или расфокусированным фото и снимком облаков или тумана.

  1. Есть ящик и кот. В ящике имеется механизм, содержащий радиоактивное атомное ядро и ёмкость с ядовитым газом. Параметры эксперимента подобраны так, что вероятность распада ядра за 1 час составляет 50%. Если ядро распадается, открывается ёмкость с газом и кот погибает. Если распада ядра не происходит — кот остается жив-здоров.
  2. Закрываем кота в ящик, ждём час и задаёмся вопросом: жив ли кот или мертв?
  3. Квантовая же механика как бы говорит нам, что атомное ядро (а следовательно и кот) находится во всех возможных состояниях одновременно (см. квантовая суперпозиция). До того как мы открыли ящик, система «кот—ядро» находится в состоянии «ядро распалось, кот мёртв» с вероятностью 50% и в состоянии «ядро не распалось, кот жив» с вероятностью 50%. Получается, что кот, сидящий в ящике, и жив, и мёртв одновременно.
  4. Согласно современной копенгагенской интерпретации, кот-таки жив/мёртв без всяких промежуточных состояний. А выбор состояния распада ядра происходит не в момент открытия ящика, а ещё когда ядро попадает в детектор. Потому что редукция волновой функции системы «кот—детектор-ядро» не связана с человеком-наблюдателем ящика, а связана с детектором-наблюдателем ядра.

Объяснение простыми словами

Согласно квантовой механике, если над ядром атома не производится наблюдение, то его состояние описывается смешением двух состояний — распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике и олицетворяющий ядро атома, и жив, и мёртв одновременно. Если же ящик открыть, то экспериментатор может увидеть только какое-нибудь одно конкретное состояние — «ядро распалось, кот мёртв» или «ядро не распалось, кот жив».

Вопрос стоит так: когда система перестаёт существовать как смешение двух состояний и выбирает одно конкретное? Цель эксперимента — показать, что квантовая механика неполна без некоторых правил, которые указывают, при каких условиях происходит коллапс волновой функции, и кот либо становится мёртвым, либо остаётся живым, но перестаёт быть смешением того и другого. Поскольку ясно, что кот обязательно должен быть либо живым, либо мёртвым (не существует состояния, промежуточного между жизнью и смертью), то это будет аналогично и для атомного ядра. Оно обязательно должно быть либо распавшимся, либо нераспавшимся (Википедия).

Видео из «Теории большого взрыва»

Еще одной наиболее свежей интерпретацией мысленного эксперимента Шредингера является рассказ Шелдона Купера, героя сериала «Теория большого взрыва» («Big Bang Theory»), который он произнес для менее образованной соседки Пенни. Суть рассказа Шелдона заключается в том, что концепция кота Шредингера может быть применена в отношениях между людьми. Для того чтобы понять, что происходит между мужчиной и женщиной, какие отношения между ними: хорошие или плохие, – нужно просто открыть ящик. А до этого отношения являются одновременно и хорошими, и плохими.

Ниже приведен видеофрагмент этого диалога «Теории большого взрыва» между Шелдоном и Пении.

Остался ли кот живым в результате эксперимента?

Для тех, кто невнимательно читал статью, но все равно переживает за кота — хорошие новости: не переживайте, по нашим данным, в результате мысленного эксперимента сумасшедшего австрийского физика

НИ ОДИН КОТ НЕ ПОСТРАДАЛ

Отзывы и комментарии

Если у вас есть чем поделиться относительного понимания парадокса Шредингера, можете написать об этом ниже.

Комментировать
0 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
No Image Компьютеры
0 комментариев
No Image Компьютеры
0 комментариев
No Image Компьютеры
0 комментариев
Adblock detector