Schrödingerův myšlenkový experiment s kočkou. Schrödingerova kočka: žije nebo ne? Podstata experimentu
Může být kočka živá i mrtvá zároveň? Kolik paralelních vesmírů existuje? A existují vůbec? To vůbec nejsou sci-fi otázky, ale velmi reálné vědecké problémy řešené kvantovou fyzikou.
Začněme tedy Schrödingerova kočka. Toto je myšlenkový experiment navržený Erwinem Schrödingerem, aby poukázal na paradox, který existuje v kvantové fyzice. Podstata experimentu je následující.
Do uzavřené krabice je současně umístěna imaginární kočka a stejný imaginární mechanismus s radioaktivním jádrem a nádobou s jedovatým plynem. Podle experimentu, pokud se jádro rozpadne, aktivuje mechanismus: nádoba s plynem se otevře a kočka zemře. Pravděpodobnost jaderného rozpadu je 1 ku 2.
Paradoxem je, že podle kvantové mechaniky, pokud není jádro pozorováno, je kočka v tzv. superpozici, jinými slovy kočka je současně ve vzájemně se vylučujících stavech (je živá i mrtvá). Pokud však pozorovatel otevře krabici, může si ověřit, že kočka je v jednom konkrétním stavu: je buď živá, nebo mrtvá. Neúplnost kvantové teorie podle Schrödingera spočívá v tom, že nespecifikuje, za jakých podmínek přestává být kočka v superpozici a ukáže se, že je buď živá, nebo mrtvá.
Tento paradox umocňuje Wignerův experiment, který k již existujícímu myšlenkovému experimentu přidává kategorii přátel. Podle Wignera, když experimentátor otevře krabici, bude vědět, zda je kočka živá nebo mrtvá. Pro experimentátora přestává být kočka v superpozici, ale pro kamaráda, který je za dveřmi a který ještě neví o výsledcích experimentu, je kočka stále někde „mezi životem a smrtí“. Takto lze pokračovat nekonečným počtem dveří a přátel a podle podobné logiky bude kočka v superpozici, dokud všichni lidé ve Vesmíru nebudou vědět, co experimentátor viděl, když krabici otevřel.
Jak kvantová fyzika vysvětluje takový paradox? Kvantová fyzika nabízí myšlenkový experiment kvantová sebevražda a dva možné scénáře založené na různých interpretacích kvantové mechaniky.
V myšlenkovém experimentu je na účastníka namířena zbraň a buď vystřelí v důsledku rozpadu radioaktivního atomu, nebo ne. Opět 50 na 50. Účastník experimentu tedy buď zemře, nebo ne, ale zatím je, stejně jako Schrödingerova kočka, v superpozici.
Tuto situaci lze z hlediska kvantové mechaniky interpretovat různými způsoby. Podle kodaňského výkladu zbraň nakonec vystřelí a účastník zemře. Podle Everettovy interpretace superpozice zajišťuje přítomnost dvou paralelních vesmírů, ve kterých účastník současně existuje: v jednom z nich žije (zbraň nevystřelila), ve druhém je mrtvý (zbraň vystřelila). Pokud je však výklad mnoha světů správný, pak v jednom z vesmírů účastník vždy zůstává naživu, což vede k myšlence existence „kvantové nesmrtelnosti“.
Pokud jde o Schrödingerovu kočku a pozorovatele experimentu, pak se podle Everettovy interpretace ocitá i on sám a kočka ve dvou Vesmírech najednou, tedy v „kvantovém jazyce“, „zapleteni“ s ním.
Zní to jako příběh ze sci-fi románu, nicméně je to jedna z mnoha vědeckých teorií, které mají své místo v moderní fyzice.
Je tam nepatrné množství radioaktivní látky, tak malý, do hodiny Možná rozpadne se pouze jeden atom, ale se stejnou pravděpodobností se rozpadnout nemusí; pokud k tomu dojde, čtecí trubice se vybije a aktivuje se relé, čímž se uvolní kladivo, které rozbije baňku s kyselinou kyanovodíkovou. Pokud necháte celý tento systém na hodinu pro sebe, pak můžeme říci, že po této době bude kočka naživu, jakmile atom se nerozpadne. Hned první rozpad atomu by kočku otrávil. Psi-funkce systému jako celku to vyjádří smícháním nebo namazáním živé a mrtvé kočky (promiňte ten výraz) rovným dílem.
Typické pro takové případy je, že nejistota původně omezená na atomový svět se transformuje na makroskopickou nejistotu, která může být vyloučeno prostřednictvím přímého pozorování. To nám brání naivně přijmout „model rozostření“ jako odraz reality. To samo o sobě neznamená nic nejasného nebo rozporuplného. Je rozdíl mezi rozmazanou nebo neostrou fotkou a fotkou mraků nebo mlhy.
Původní text(Němec)
Man kann auch ganz burleske Fälle konstruieren. Eine Katze wird in eine Stahlkammer gesperrt, zusammen mit folgender Höllenmaschine (die man gegen den direkten Zugriff der Katze sichern muß): in einem Geigerschen Zählrohr befindet sich eine winzige Menge radioaktiver Substanz, tak wenig, daß im Laufe einer Stunde vielleicht eines von den Atomen zerfällt, ebenso wahrscheinlich aber auch keines; geschieht es, so spricht das Zählrohr an und betätigt über ein Relais ein Hämmerchen, das ein Kölbchen mit Blausäure zertrümmert. Hat man dieses ganze System eine Stunde lang sich selbst überlassen, so wird man sich sagen, daß die Katze noch lebt, wenn inzwischen kein Atom zerfallen ist. Der erste Atomzerfall würde sie vergiftet haben. Die ψ -Funktion des ganzen Systems würde das so zum Ausdruck carryen, daß in ihr die lebende und die tote Katze (s.v.v.) zu gleichen Teilen gemischt oder verschmiert sind.
Das Typische an solchen Fällen ist, daß eine ursprünglich auf den Atombereich beschränkte Unbestimmtheit sich in grobsinnliche Unbestimmtheit umsetzt, die sich dann durch direkte Beobachtung entscheiden läßt. Das překážet uns, v tak naivní Weise ein „verwaschenes Modell“ als Abbild der Wirklichkeit gelten zu lassen. An sich enthielte es nichts Unklares oder Widerspruchsvolles. Es ist ein Unterschied zwischen einer verwackelten nebo unscharf eingestellten Photographie and einer Aufnahme von Wolken und Nebelschwaden.
Podle kvantové mechaniky, pokud se jádro nepozoruje, je jeho stav popsán superpozicí (smícháním) dvou stavů - rozpadlé jádro a nerozložené jádro, takže kočka sedící v krabici je živá i mrtvá ve stejnou dobu. Pokud je krabice otevřena, může experimentátor vidět pouze jeden konkrétní stav – „jádro se rozpadlo, kočka je mrtvá“ nebo „jádro se nerozpadlo, kočka žije“.
Otázka zní takto: kdy systém přestane existovat jako směs dvou stavů a vybere si jeden konkrétní?Účelem experimentu je ukázat, že kvantová mechanika je neúplná bez některých pravidel, která naznačují, za jakých podmínek se vlnová funkce zhroutí a kočka buď zemře, nebo zůstane naživu, ale přestane být směsí obojího.
Protože je jasné, že kočka musí být buď živá, nebo mrtvá (neexistuje žádný stav spojující život a smrt), bude to podobné pro atomové jádro. Musí být buď zchátralé, nebo nezkažené.
Ve velkých komplexních systémech sestávajících z mnoha miliard atomů dochází k dekoherenci téměř okamžitě, a proto kočka nemůže být mrtvá i živá po jakoukoli měřitelnou dobu. Proces dekoherence je nezbytnou součástí experimentu.
Původní článek byl publikován v roce 1935. Účelem článku bylo diskutovat o Einstein–Podolsky–Rosenově paradoxu (EPR), který publikovali Einstein, Podolsky a Rosen na začátku téhož roku. Práce EPR a Schrödinger nastínily zvláštní povahu „kvantového provázání“ (německy Verschränkung, anglicky quantum entanglement, termín vytvořený Schrödingerem), charakteristické pro kvantové stavy, které jsou superpozicí stavů dvou systémů (například dvou subatomárních částic ).
Kodaňský výklad
Ve skutečnosti Hawking a mnoho dalších fyziků zastává názor, že interpretace kvantové mechaniky v Kodaňské škole je neopodstatněná při zdůrazňování role pozorovatele. Konečné jednoty mezi fyziky v této otázce stále nebylo dosaženo.
Paralelizace světů v každém časovém okamžiku odpovídá skutečnému nedeterministickému automatu, na rozdíl od toho pravděpodobnostního, kdy se v každém kroku volí jedna z možných cest v závislosti na jejich pravděpodobnosti.
Wignerův paradox
Toto je komplikovaná verze Schrödingerova experimentu. Eugene Wigner představil kategorii „přátel“. Po dokončení experimentu experimentátor otevře krabici a uvidí živou kočku. Stavový vektor kočky v okamžiku otevření krabice přechází do stavu „jádro se nerozpadlo, kočka žije“. V laboratoři tak byla kočka rozpoznána jako živá. Mimo laboratoř je příteli. příteli ještě neví, zda je kočka živá nebo mrtvá. příteli rozpozná kočku jako živou pouze tehdy, když mu experimentátor sdělí výsledek experimentu. Ale všichni ostatní Přátelé kočka dosud nebyla rozpoznána jako živá a bude rozpoznána pouze tehdy, když jim bude sdělen výsledek experimentu. Kočka tedy může být rozpoznána jako zcela živá (nebo zcela mrtvá), když všichni lidé ve vesmíru znají výsledek experimentu. Až do tohoto okamžiku, v měřítku velkého vesmíru, kočka podle Wignera zůstává živá a mrtvá zároveň
Jak nám vysvětlil Heisenberg, díky principu neurčitosti má popis objektů v kvantovém mikrosvětě jiný charakter než běžný popis objektů v newtonském makrosvětě. Místo prostorových souřadnic a rychlosti, které jsme zvyklí popisovat mechanický pohyb např. koule na kulečníkovém stole, jsou v kvantové mechanice objekty popisovány tzv. vlnovou funkcí. Hřeben „vlny“ odpovídá maximální pravděpodobnosti nalezení částice v prostoru v okamžiku měření. Pohyb takové vlny popisuje Schrödingerova rovnice, která nám říká, jak se v čase mění stav kvantového systému.
Nyní o kočce. Každý ví, že kočky se rády schovávají v krabicích (). Erwin Schrödinger také věděl. Navíc s ryze severským fanatismem tuto vlastnost využil ve slavném myšlenkovém experimentu. Podstatou toho bylo, že tam byla kočka zavřená v krabici s pekelným strojem. Stroj je přes relé připojen ke kvantovému systému, například k radioaktivně se rozpadající látce. Pravděpodobnost rozpadu je známá a je 50%. Pekelný stroj se spustí, když se změní kvantový stav systému (nastane rozklad) a kočka úplně zemře. Pokud systém „Cat-box-hellish machine-quanta“ necháte na jednu hodinu pro sebe a zapamatujete si, že stav kvantového systému je popsán z hlediska pravděpodobnosti, pak je jasné, že pravděpodobně nebude možné zjistit zda je kočka v daném okamžiku naživu nebo ne, stejně jako nebude možné předem přesně předpovědět pád mince na hlavu nebo ocas. Paradox je velmi jednoduchý: vlnová funkce, která popisuje kvantový systém, mísí dva stavy kočky – kočka je živá a mrtvá zároveň, stejně jako se vázaný elektron může nacházet se stejnou pravděpodobností na libovolném místě ve vesmíru stejně vzdáleném od atomové jádro. Pokud krabici neotevřeme, nevíme přesně, jak na tom kočka je. Bez provádění pozorování (čtení měření) atomového jádra můžeme jeho stav popsat pouze superpozicí (směšováním) dvou stavů: rozpadlého a nerozpadlého jádra. Kočka v jaderné závislosti je živá i mrtvá zároveň. Otázka zní: kdy systém přestane existovat jako směs dvou stavů a vybere si jeden konkrétní?
Kodaňská interpretace experimentu nám říká, že systém přestává být směsí stavů a vybere si jeden z nich v okamžiku, kdy dojde k pozorování, které je zároveň měřením (otevře se rámeček). To znamená, že samotný fakt měření mění fyzikální realitu, což vede ke kolapsu vlnové funkce (kočka se buď stane mrtvou, nebo zůstane naživu, ale přestane být směsí obojího)! Přemýšlejte o tom, experiment a měření, která ho doprovázejí, mění realitu kolem nás. Osobně tento fakt trápí můj mozek mnohem více než alkohol. Tento paradox těžko zažívá i známý Steve Hawking, který opakuje, že když uslyší o Schrödingerově kočce, vztáhne ruku k Browningovi. Závažnost reakce vynikajícího teoretického fyzika je dána tím, že podle jeho názoru je role pozorovatele při kolapsu vlnové funkce (její kolaps do jednoho ze dvou pravděpodobnostních) stavů značně přehnaná.
Samozřejmě, když profesor Erwin v roce 1935 vymyslel svůj kočičí výsměch, byl to důmyslný způsob, jak ukázat nedokonalost kvantové mechaniky. Ve skutečnosti kočka nemůže být živá a mrtvá zároveň. V důsledku jedné z interpretací experimentu vyšlo najevo, že existuje rozpor mezi zákony makrosvěta (např. druhý termodynamický zákon – kočka je buď živá, nebo mrtvá) a mikrosvěta. svět (kočka je živá a mrtvá zároveň).
Výše uvedené se používá v praxi: v kvantových počítačích a kvantové kryptografii. Světelný signál v superpozici dvou stavů je vysílán přes optický kabel. Pokud se útočníci připojí na kabel někde uprostřed a udělají tam signální odposlech, aby odposlouchávali přenášené informace, pak se tím zhroutí vlnová funkce (z pohledu kodaňské interpretace bude provedeno pozorování) a světlo přejde do jednoho ze stavů. Provedením statistických testů světla na přijímacím konci kabelu bude možné zjistit, zda je světlo v superpozici stavů nebo již bylo pozorováno a přeneseno do jiného bodu. To umožňuje vytvářet komunikační prostředky, které vylučují nedetekovatelné zachycení signálu a odposlechy.
Další novější interpretací Schrödingerova myšlenkového experimentu je příběh, který Sheldon Cooper, hrdina Teorie velkého třesku, vyprávěl své méně vzdělané sousedce Penny. Pointou Sheldonova příběhu je, že koncept Schrödingerovy kočky lze aplikovat na lidské vztahy. Abyste pochopili, co se děje mezi mužem a ženou, jaký je mezi nimi vztah: dobrý nebo špatný, stačí otevřít krabici. Do té doby je vztah dobrý i špatný.
Encyklopedický YouTube
-
1 / 5
Ve skutečnosti Hawking a mnoho dalších fyziků zastává názor, že interpretace kvantové mechaniky v Kodaňské škole je neopodstatněná při zdůrazňování role pozorovatele. Konečné jednoty mezi fyziky v této otázce stále nebylo dosaženo.
Paralelizace světů v každém časovém okamžiku odpovídá skutečnému nedeterministickému automatu, na rozdíl od toho pravděpodobnostního, kdy se v každém kroku volí jedna z možných cest v závislosti na jejich pravděpodobnosti.
Wignerův paradox
Toto je komplikovaná verze Schrödingerova experimentu. Eugene Wigner představil kategorii „přátel“. Po dokončení experimentu experimentátor otevře krabici a uvidí živou kočku. Stavový vektor kočky v okamžiku otevření krabice přechází do stavu „jádro se nerozpadlo, kočka žije“. V laboratoři tak byla kočka rozpoznána jako živá. Mimo laboratoř je příteli. příteli ještě neví, zda je kočka živá nebo mrtvá. příteli rozpozná kočku jako živou pouze tehdy, když mu experimentátor sdělí výsledek experimentu. Ale všichni ostatní Přátelé kočka dosud nebyla rozpoznána jako živá a bude rozpoznána pouze tehdy, když jim bude sdělen výsledek experimentu. Kočka tak může být rozpoznána jako zcela živá (nebo zcela mrtvá), když všichni lidé ve vesmíru znají výsledek experimentu. Až do tohoto okamžiku, v měřítku Velkého vesmíru, kočka podle Wignera zůstává živá a mrtvá zároveň.
Praktická aplikace
Výše uvedené se používá v praxi: v kvantových počítačích a kvantové kryptografii. Světelný signál v superpozici dvou stavů je vysílán po optickém kabelu. Pokud se útočníci připojí na kabel někde uprostřed a udělají tam signální odposlech, aby odposlouchávali přenášené informace, pak se tím zhroutí vlnová funkce (z pohledu kodaňské interpretace bude provedeno pozorování) a světlo přejde do jednoho ze stavů. Provedením statistických testů světla na přijímacím konci kabelu bude možné zjistit, zda je světlo v superpozici stavů nebo již bylo pozorováno a přeneseno do jiného bodu. To umožňuje vytvářet komunikační prostředky, které vylučují nedetekovatelné zachycení signálu a odposlechy.
Experiment (který lze v zásadě provést, ačkoli dosud nebyly vytvořeny fungující systémy kvantové kryptografie schopné přenášet velké množství informací) také ukazuje, že „pozorování“ v kodaňské interpretaci nemá nic společného s vědomím pozorovatele. , protože v tomto případě změna statistiky na konci kabelu vede ke zcela neživé větvi drátu.
Nejznámější paradox kvantové mechaniky je spojen se jménem rakouského fyzika Erwina Schrödingera.
Jedná se o myšlenkový experiment prováděný na imaginární kočce umístěné v uzavřené krabici. Krabice obsahuje nádobu s jedovatým plynem, který se po rozpadu radioaktivního jádra kočku otevře a zabije. Pravděpodobnost, že se jádro rozpadne do 1 hodiny, je 1/2.
Kvantová mechanika říká, že pokud jádro není pozorováno, jeho stav je směsí dvou možných výsledků. To znamená, že kočka sedící v krabici je živá i mrtvá zároveň, dokud experimentátor krabici neotevře a neuvidí, co se skutečně stalo.
Existuje komplikovaná verze experimentu, který navrhl Wigner. Pokud experimentátor otevře krabici a uvidí živou kočku, je kočka v laboratoři rozpoznána jako živá. Ale předpokládejme, že experimentátor má přítele mimo laboratoř. Kočku pozná jako živou, až když ho o tom experimentátor informuje. Ale všichni ostatní přátelé ještě nepoznali kočku jako živou, dokud jim nebyl sdělen výsledek. Tedy až do této chvíle dokud všichni lidé ve Vesmíru nepoznají průběh experimentu, zůstane kočka živá a mrtvá zároveň.
Objevily se dvě hlavní interpretace kvantové mechaniky, které vysvětlovaly Schrödingerův experiment různými způsoby.
V kodaňském výkladu systém vybere jeden ze dvou možných stavů v okamžiku pozorování.
Experiment s kočkou ukazuje, že povaha samotného pozorování není dobře definována: dochází k němu v okamžiku otevření krabice nebo v okamžiku, kdy se částice rozpadne? Každopádně před otevřením krabice není kočka vůbec ve stavu míšení živého a mrtvého, protože pro makroskopické předměty neplatí zákony mikrosvěta.
Zastánci výkladu mnoha světů nepovažujte proces měření za nic zvláštního: předpokládá se, že existují oba stavy kočky. Ale ve chvíli, kdy pozorovatel otevře krabici, vznikají dva pozorovatelské stavy, které spolu nijak neinteragují. To znamená, že vesmír se rozdělí na dva další vesmíry, z nichž v jednom pozorovatel vidí mrtvou kočku a ve druhém - živou.
Tato interpretace se zdá fantastická, ačkoli mnoho vědců uznává její právo na existenci na stejné úrovni jako kodaňská.
Teorie mnoha světů posloužila jako inspirace tvůrcům filmů „The Prestige“ (2006), „Source Code“ (2011) a zároveň z ní vycházejí některé myšlenky kvantové kryptografie.