Kvantová superpozícia a Schrödingerova mačka. John Gribbin - Hľadanie Schrödingerovej mačky
Ako hypotetický príklad toho, ako by makroskopický objekt (mačka), ktorý je nám v každodennom živote celkom známy, mohol vykazovať kvantové vlastnosti.
Samotnou podstatou týchto vlastností je takzvané kvantové previazanie alebo zapletenie. Názov tohto javu vo všeobecnosti odráža jeho podstatu. V uvažovanom príklade sa skutočne ukázalo, že stavy rádioaktívneho jadra a mačky sú navzájom prepojené (inými slovami, pevne spojené). Dôležitým aspektom kvantového zapletenia je prítomnosť neistoty v týchto stavoch. To znamená, že nevieme, či je mačka nažive alebo nie, a tiež nevieme, či sa jadro rozpadlo alebo nie. S istotou však vieme, že ak sa jadro rozpadne, mačka zomrie, ak sa nerozpadne, bude žiť.
Medzi modernými vedcami je o tento fenomén veľký záujem a spája sa s myšlienkou vytvorenia kvantového počítača, ako aj s organizovaním bezpečných komunikačných kanálov. To je to, čo núti robiť v laboratóriách znovu a znovu pokusy o vytvorenie ak nie mačiek, tak aspoň Schrödingerových mačiatok, t.j. objekty sú hmatateľnejšie a väčšie (mezoskopické), a preto sú prístupné jednoduchšiemu ovládaniu ako jednotlivé mikročastice, ale vykazujú rovnaké vlastnosti kvantového zapletenia ako Schrödingerova mačka.
Príroda však vytvorila množstvo príkladov kvantového zapletenia, ktoré sú menej exotické ako laboratórne mačiatka Schrödinger. Snáď najdostupnejší prejav zapletenia sa odohráva v tom istom atóme, ktorý všetci milujeme. Vezmime si najjednoduchší z atómov – prvý prvok periodickej tabuľky – vodík. Rovnako ako všetky ostatné atómy sa skladá z jadra a elektrónov, ale krása atómu vodíka je v tom, že má iba jeden elektrón a jadro je opäť jedna a takmer úplne elementárna častica - protón, ktorý sa líši od elektrón v hlavnej Teda kladné znamienko elektrického náboja a veľmi silná hmotnosť (takmer 2000-násobok hmotnosti elektrónu).
V jednom z mojich som hovoril o tom, že niektoré mikročastice, najmä elektrón, majú takú charakteristiku ako spin, alebo, aby som použil jednoduchú analógiu, otáčajú sa okolo svojej osi jedným z dvoch smerov (v smere alebo proti smeru hodinových ručičiek), ktorá je zase určená jednou z dvoch hodnôt takzvanej spinovej projekcie. Takže protón, podobne ako elektrón, má rotáciu a môže sa „točiť“ doprava alebo doľava. Navyše sa ukazuje, že „najpohodlnejší“ stav s najnižšou energiou pre elektrón a protón tvoriaci atóm vodíka je ten, v ktorom rotujú v opačných smeroch, akoby si navzájom kompenzovali rotácie, takže jeho celková projekcia je nulová. (tento fakt sa mimochodom využíva na rôzne astrofyzikálne pozorovania).
Práve táto vlastnosť vodíka ukrýva vzácne zapletenie a drobné Schrödingerovo mačiatko s veľkosťou atómu. V skutočnosti, kým sme nevykonali príslušné experimenty a nezmerali projekcie rotácie častíc, nevieme, či protón rotuje doprava alebo doľava. To isté môžeme povedať o elektróne. Čo však vieme s istotou je, že ak sa elektrón otáča proti smeru hodinových ručičiek, potom sa protón otáča proti smeru hodinových ručičiek a naopak.
A. Einstein, B. Podolsky a N. Rosen vo svojom slávnom článku z roku 1935 poukázali na nedostatky v kvantovej teórii, ktorá s takýmito zapletenými stavmi operuje (nazývajú sa páry EPR podľa prvých písmen mien autorov tzv. článok), čo vedie najmä k zjavnému rozporu s teóriou relativity a paradoxnému porušovaniu vzťahov príčiny a následku. Ale viac o tom už v.
A takto si niektorí umelci predstavujú kvantové zapletenie...
Určite ste už viackrát počuli, že existuje taký fenomén ako „Schrödingerova mačka“. Ale ak nie ste fyzik, pravdepodobne máte len nejasnú predstavu o tom, aký druh mačky je a prečo je to potrebné.
« Schrödingerova mačka“- to je názov slávneho myšlienkového experimentu slávneho rakúskeho teoretického fyzika Erwina Schrödingera, ktorý je aj nositeľom Nobelovej ceny. Pomocou tohto fiktívneho experimentu chcel vedec ukázať neúplnosť kvantovej mechaniky pri prechode od subatomárnych systémov k makroskopickým systémom.
Tento článok je pokusom vysvetliť jednoduchými slovami podstatu Schrödingerovej teórie o mačke a kvantovej mechanike tak, aby bol prístupný aj pre človeka, ktorý nemá vyššie technické vzdelanie. Článok tiež predstaví rôzne interpretácie experimentu, vrátane tých z televízneho seriálu „Teória veľkého tresku“.
Popis experimentu
Pôvodný článok Erwina Schrödingera bol publikovaný v roku 1935. V ňom bol experiment opísaný pomocou alebo dokonca zosobnením:
Môžete tiež postaviť prípady, v ktorých je celkom burleska. Nechajte nejakú mačku zavrieť do oceľovej komory s nasledujúcim diabolským strojom (ktorý by mal byť bez ohľadu na zásah mačky): vo vnútri Geigerovho počítača je malé množstvo rádioaktívnej látky, tak malé, že sa za hodinu môže rozpadnúť iba jeden atóm, ale s rovnakou pravdepodobnosťou sa nemusí rozpadnúť; ak sa tak stane, čítacia trubica sa vybije a aktivuje sa relé, čím sa uvoľní kladivo, ktoré rozbije banku s kyselinou kyanovodíkovou.
Ak celý tento systém necháme hodinu pre seba, potom môžeme povedať, že po tomto čase bude mačka nažive, pokiaľ sa atóm nerozpadne. Prvý atómový rozpad by mačku otrávil. Psi-funkcia systému ako celku to vyjadrí zmiešaním alebo rozmazaním živej a mŕtvej mačky (prepáčte za výraz) v rovnakých častiach. Typické pre takéto prípady je, že neistota pôvodne obmedzená na atómový svet sa transformuje na makroskopickú neistotu, ktorú je možné eliminovať priamym pozorovaním. To nám bráni naivne akceptovať „model rozmazania“ ako odrážajúci realitu. To samo o sebe neznamená nič nejasné alebo protirečivé. Je rozdiel medzi rozmazanou alebo neostrou fotkou a fotkou oblakov alebo hmly.
Inými slovami:
- Je tam krabica a mačka. Krabička obsahuje mechanizmus obsahujúci rádioaktívne atómové jadro a nádobu s jedovatým plynom. Experimentálne parametre boli zvolené tak, aby pravdepodobnosť rozpadu jadra za 1 hodinu bola 50 %. Ak sa jadro rozpadne, otvorí sa nádoba s plynom a mačka zomrie. Ak sa jadro nerozpadne, mačka zostáva živá a zdravá.
- Zatvoríme mačku do krabice, počkáme hodinu a položíme otázku: je mačka živá alebo mŕtva?
- Zdá sa, že kvantová mechanika nám hovorí, že atómové jadro (a teda aj mačka) je vo všetkých možných stavoch súčasne (pozri kvantovú superpozíciu). Pred otvorením škatule je systém mačacieho jadra v stave „jadro sa rozpadlo, mačka je mŕtva“ s pravdepodobnosťou 50 % a v stave „jadro sa nerozpadlo, mačka žije“ s pravdepodobnosť 50 %. Ukazuje sa, že mačka sediaca v boxe je živá aj mŕtva zároveň.
- Podľa modernej kodanskej interpretácie je mačka živá/mŕtva bez akýchkoľvek medzistavov. A výber stavu rozpadu jadra nastáva nie v okamihu otvorenia krabice, ale dokonca aj vtedy, keď jadro vstúpi do detektora. Pretože zníženie vlnovej funkcie systému „mačka-detektor-jadro“ nie je spojené s ľudským pozorovateľom krabice, ale je spojené s detektorom-pozorovateľom jadra.
Vysvetlenie jednoduchými slovami
Podľa kvantovej mechaniky, ak jadro atómu nie je pozorované, potom je jeho stav opísaný zmesou dvoch stavov - rozpadnuté jadro a nerozpadnuté jadro, teda mačka sediaca v krabici a zosobňujúca jadro atómu. je živý aj mŕtvy zároveň. Ak je krabica otvorená, experimentátor môže vidieť iba jeden konkrétny stav - „jadro sa rozpadlo, mačka je mŕtva“ alebo „jadro sa nerozpadlo, mačka žije“.
Podstata v ľudskom jazyku: Schrödingerov experiment ukázal, že z pohľadu kvantovej mechaniky je mačka živá aj mŕtva, čo nemôže byť. Preto má kvantová mechanika značné nedostatky.
Otázka znie: kedy systém prestane existovať ako zmes dvoch stavov a vyberie si jeden konkrétny? Účelom experimentu je ukázať, že kvantová mechanika je neúplná bez niektorých pravidiel, ktoré naznačujú, za akých podmienok sa vlnová funkcia zrúti a mačka buď zomrie, alebo zostane nažive, ale už nie je zmesou oboch. Keďže je jasné, že mačka musí byť buď živá, alebo mŕtva (medzi životom a smrťou neexistuje žiadny stav), bude to podobné aj pre atómové jadro. Musí byť buď rozpadnutý, alebo nerozpadnutý (Wikipedia).
Video z The Big Bang Theory
Ďalšou novšou interpretáciou Schrödingerovho myšlienkového experimentu je príbeh, ktorý Sheldon Cooper povedal svojej menej vzdelanej susedke Penny, postava z Teórie veľkého tresku. Pointou Sheldonovho príbehu je, že koncept Schrödingerovej mačky možno aplikovať na medziľudské vzťahy. Aby ste pochopili, čo sa deje medzi mužom a ženou, aký je medzi nimi vzťah: dobrý alebo zlý, stačí otvoriť krabicu. Dovtedy je vzťah dobrý aj zlý.
Nižšie je videoklip tejto výmeny teórie veľkého tresku medzi Sheldonom a Peniou.
Zostala mačka v dôsledku experimentu nažive?
Pre tých, ktorí nečítali článok pozorne, ale stále sa obávajú o mačku, dobrá správa: podľa našich údajov sa nemusíte báť, ako výsledok myšlienkového experimentu bláznivého rakúskeho fyzika
ŽIADNA MAČKA NEBOLA ZRANENÁ
Aktuálna strana: 1 (kniha má spolu 20 strán) [dostupná pasáž na čítanie: 14 strán]
John Gribbin
Pri hľadaní Schrödingerovej mačky. Kvantová fyzika a realita
Toto všetko sa mi nepáči a ľutujem, že som sa do toho vôbec zapojil.
Erwin Schrödinger 1887-1961
Nič nie je skutočné.
John Lennon 1940-1980
PRI HĽADANÍ SCHRÖDINGEROVEJ MAČKY
Kvantová fyzika a realita
Preklad z angličtiny Z. A. Mamedyarova, E. A. Fomenko
© 1984 od Johna a Mary Gribbinovcov
Poďakovanie
Moje zoznámenie sa s kvantovou teóriou sa odohralo pred viac ako dvadsiatimi rokmi, ešte v škole, keď som zistil, že teória štruktúry obalu atómu magicky vysvetľuje celý periodický systém prvkov a takmer všetku chémiu, s ktorou som zápasil v veľa nudných lekcií. Okamžite som začal kopať ďalej, uchýlil som sa ku knihám z knižnice, o ktorých sa hovorilo, že sú „príliš zložité“ pre moje obmedzené vedecké vzdelanie, a okamžite som si všimol nádhernú jednoduchosť vysvetlenia atómového spektra z pohľadu kvantovej teórie a prvýkrát som zistil, že to najlepšie vo vede je zároveň krásne a jednoduché, a to je fakt, ktorý príliš veľa učiteľov – náhodne alebo zámerne – skrýva pred svojimi študentmi. Cítil som sa ako hrdina románu „Hľadanie“ od C. P. Snowa (hoci som ho čítal oveľa neskôr), ktorý objavil to isté:
Všimol som si, ako zmiešané náhodné fakty zrazu zapadli na miesto... „Ale toto je pravda,“ povedal som si. - To je úžasné. A toto je pravda." (Vydanie A, 1963, s. 27.)
Čiastočne aj kvôli tomuto poznaniu som sa rozhodol študovať fyziku na univerzite. V pravý čas sa moje ambície naplnili a stal som sa študentom na University of Sussex v Brightone. Ale tam bola jednoduchosť a krása hlbokých myšlienok zatienená rôznymi detailmi a matematickými metódami na riešenie konkrétnych problémov pomocou rovníc kvantovej mechaniky. Aplikácia týchto myšlienok do sveta modernej fyziky dala možno rovnakú predstavu o hlbokej kráse a pravde, akú dáva pilotovanie. Boeing 747 o závesnom lietaní. Hoci sila pôvodného vhľadu zostala najvýznamnejším vplyvom na moju kariéru, dlho som ignoroval kvantový svet a objavoval som iné slasti vedy.
Žeravé uhlíky tohto skorého záujmu boli znovu zapálené kombináciou faktorov. Koncom 70. a začiatkom 80. rokov 20. storočia začali vychádzať knihy a články, ktoré sa snažili s rôznym úspechom vysvetliť zvláštny kvantový svet aj nevedeckému publiku. Niektoré z takzvaných „populárnych textov“ boli tak obludne vzdialené od pravdy, že som si ani nevedel predstaviť, že by sa našiel čitateľ, ktorý by ich štúdiom pochopil pravdu a krásu vedy, a preto by ju chcel takto rozprávať. je. Zároveň sa objavili informácie o dlhej sérii vedeckých experimentov, ktoré dokázali realitu niektorých najpodivnejších aspektov kvantovej teórie, a tieto informácie ma prinútili vrátiť sa do knižníc a osviežiť si pochopenie týchto úžasných vecí. Nakoniec ma BBC raz na Vianoce pozvala, aby som vystúpil v rozhlasovom programe ako istý vedecký oponent Malcolma Muggeridgea, ktorý práve oznámil svoju konverziu na katolicizmus a bol hlavným hosťom sviatočného obdobia. Keď tento veľký muž vyslovil svoj názor a zdôraznil tajomstvo kresťanstva, obrátil sa ku mne a povedal: „Ale tu je niekto, kto pozná všetky odpovede – alebo tvrdí, že ich pozná všetky.“ Čas bol obmedzený a ja som sa snažil dať slušnú odpoveď, poukazujúc na to, že veda netvrdí, že má všetky odpovede, a je to náboženstvo, nie veda, ktorá sa úplne spolieha na bezhraničnú vieru a vieru, že pravda je známa. "V ničom neverím," povedal som a začal som vysvetľovať svoj postoj, no v tom momente sa program skončil. Počas vianočných sviatkov mi priatelia a známi pripomínali tieto slová a celé hodiny som si opakoval, že moja bezhraničná viera v nič mi nebráni žiť normálny život, využívajúc úplne rozumnú pracovnú hypotézu, že slnko pravdepodobne nezmizne. cez noc .
To všetko mi počas dlhých diskusií o základnej realite – či nereálnosti – kvantového sveta pomohlo utriediť si vlastné myšlienky o podstate vedy a stačilo mi to na to, aby som presvedčil, že môžem napísať knihu, ktorú teraz držíte v rukách. Počas práce na ňom som testoval mnohé z jemnejších argumentov počas mojich pravidelných vystúpení vo vedeckom rozhlasovom programe British Forces Broadcasting Corporation, ktorý moderoval Tommy Vance. Tomove zvedavé otázky rýchlo odhalili nedokonalosti v mojej prezentácii a s ich pomocou som si mohol lepšie usporiadať nápady. Hlavným zdrojom referenčného materiálu, ktorý som použil pri písaní knihy, bola knižnica University of Sussex, ktorá obsahuje možno jednu z najlepších zbierok kníh o kvantovej teórii na svete a vzácnejšie materiály pre mňa vybrala Mandy Caplin z časopisu nový vedec, ktorý mi vytrvalo posielal teletypové správy, zatiaľ čo Christina Sutton opravovala moje mylné predstavy o časticovej fyzike a teórii poľa. Moja manželka mi nielenže poskytla neoceniteľnú pomoc pri prezeraní literatúry a organizovaní materiálu, ale aj zjemnila mnohé drsné hrany. Som tiež vďačný profesorovi Rudolfovi Pearlsovi za to, že mi podrobne vysvetlil niektoré zložitosti experimentu clock-in-a-box a Einstein-Podolsky-Rosenov paradox.
Všetko, čo je na tejto knihe dobré, je vďaka: „ťažkým“ chemickým textom, ktorých názvy si už nepamätám a ktoré som ako šestnásťročný objavil v knižnici okresu Kent; beda „popularizátorom“ kvantových myšlienok, ktorí ma presvedčili, že ich viem opísať lepšie; Malcolm Muggeridge a BBC; knižnica University of Sussex; Tommy Vance a BFBS; Mandy Caplin a Christina Sutton a hlavne Min. Akékoľvek sťažnosti týkajúce sa nedostatkov, ktoré v tejto knihe stále zostávajú, by ste, samozrejme, mali adresovať mne.
John Gribbin
júla 1983
Úvod
Ak by ste spočítali všetky knihy a články o teórii relativity napísané pre obyčajných ľudí, zásobník by pravdepodobne dosiahol Mesiac. „Každý vie“, že Einsteinova teória relativity je najväčším vedeckým úspechom 20. storočia a každý sa mýli. Ak si však zrátate všetky knihy a články o kvantovej teórii napísané pre bežných ľudí, bez problémov sa mi zmestia na stôl. To neznamená, že kvantová teória nezaznela za múrmi akadémií. Kvantová mechanika sa dokonca stala populárnou v určitých odvetviach: s jej pomocou sa pokúšali vysvetliť telepatiu a ohýbanie lyžíc a čerpali z nej inšpiráciu pre mnohé sci-fi príbehy. V populárnej mytológii sa kvantová mechanika spája – ak vôbec – s okultným a mimozmyslovým vnímaním, teda zvláštnym, ezoterickým odvetvím vedy, ktorému nikto nerozumie a pre ktoré nikto nemôže nájsť praktické uplatnenie.
Táto kniha je napísaná v protiklade k tomuto vnímaniu toho, čo je v podstate najzákladnejšou a najdôležitejšou oblasťou vedeckého poznania. Táto kniha vďačí za svoj vznik niekoľkým okolnostiam, ktoré vznikli v lete 1982. Najprv som práve dočítal knihu o teórii relativity s názvom Zakrivenia priestoru a rozhodol som sa, že je čas prevziať úlohu demystifikácie ďalšieho veľkého odvetvia vedy dvadsiateho storočia. Po druhé, v tom čase ma čoraz viac dráždili nesprávne myšlienky, ktoré pod názvom kvantová teória existovali medzi ľuďmi ďaleko od vedy. Vynikajúca kniha Fridtjofa Capru The Tao of Physics dala vzniknúť mnohým napodobňovateľom, ktorí nerozumeli ani fyzike, ani Tao, ale cítili, že prepojením západnej vedy s východnou filozofiou sa dajú zarobiť peniaze. A napokon v auguste 1982 prišla z Paríža správa, že skupina vedcov úspešne vykonala zásadný experiment, ktorý potvrdil – pre tých, ktorí stále pochybovali – presnosť kvantovo-mechanického konceptu vesmíru.
Nehľadajte tu „východnú mystiku“, ohýbanie lyžičiek či mimozmyslové vnímanie. Hľadajte skutočný príbeh kvantovej mechaniky, ktorého pravda je úžasnejšia než akákoľvek fikcia. Toto je veda: nepotrebuje outfity inej filozofie, pretože sama je plná krás, záhad a prekvapení. Táto kniha sa pokúša odpovedať na konkrétnu otázku: „Čo je realita? A odpoveď (alebo odpovede) vás možno prekvapí. Možno neuveríte. Ale pochopíte, ako sa moderná veda pozerá na svet.
Prológ
Nič nie je skutočné
Mačka v názve je mýtická bytosť, ale Schrödinger skutočne existoval. Erwin Schrödinger bol rakúsky vedec, ktorý v polovici 20. rokov 20. storočia zohral významnú úlohu pri vytváraní rovníc vedného odboru, ktorý sa dnes nazýva kvantová mechanika. Tvrdiť však, že kvantová mechanika je len oblasť vedy, je sotva pravda, pretože je základom celej modernej vedy. Jeho rovnice popisujú správanie veľmi malých objektov – veľkosti atómov a menších – a reprezentujú jediná vec opis sveta najmenších častíc. Bez týchto rovníc by fyzici nemohli navrhnúť fungujúce jadrové elektrárne (alebo bomby), vytvoriť lasery alebo vysvetliť, ako teplota Slnka neklesá. Bez kvantovej mechaniky by chémia bola stále v temnom stredoveku a molekulárna biológia by sa vôbec neobjavila: neexistovali by žiadne znalosti o DNA, žiadne genetické inžinierstvo, nič.
Kvantová teória je najväčším úspechom vedy, oveľa významnejším a oveľa použiteľnejším v priamom, praktickom zmysle ako teória relativity. A predsa robí nejaké zvláštne predpovede. Svet kvantovej mechaniky je skutočne taký nezvyčajný, že aj Albert Einstein ho považoval za nepochopiteľný a odmietol akceptovať všetky dôsledky teórie odvodenej Schrödingerom a jeho kolegami. Rovnako ako mnoho iných vedcov, aj Einstein sa rozhodol, že je pohodlnejšie veriť, že rovnice kvantovej mechaniky sú len akýmsi matematickým trikom, ktorý náhodou poskytol rozumné vysvetlenie správania sa atómových a subatomárnych častíc, no obsahovali hlbšiu pravdu, že súvisí s naším bežným zmyslom pre realitu. Koniec koncov, kvantová mechanika tvrdí, že neexistuje žiadna realita a nemôžeme povedať nič o správaní vecí, keď ich nepozorujeme. Schrödingerova mýtická mačka mala objasniť rozdiely medzi kvantovým a obyčajným svetom.
Vo svete kvantovej mechaniky prestávajú fungovať fyzikálne zákony známe z bežného sveta. Namiesto toho sa udalosti riadia pravdepodobnosťami. Rádioaktívny atóm sa napríklad môže rozpadnúť a povedzme uvoľniť elektrón, alebo nemusí. Experiment môžete vykonať tak, že si predstavíte, že existuje presne päťdesiatpercentná pravdepodobnosť, že sa jeden z atómov zväzku rádioaktívnej látky v určitom okamihu rozpadne a detektor tento rozpad zaregistruje, ak k nemu dôjde. Schrödinger, rovnako rozrušený závermi kvantovej teórie ako Einstein, sa pokúsil demonštrovať ich absurdnosť tým, že si predstavil, že takýto experiment prebieha v uzavretej miestnosti alebo krabici, v ktorej je živá mačka a fľaša jedu, a ak dôjde k rozkladu, nádoba s jed praskne a mačka zomrie. V bežnom svete je pravdepodobnosť úmrtia mačky päťdesiatpercentná a bez toho, aby sme sa pozreli do škatule, môžeme pokojne povedať len jedno: mačka vo vnútri je buď živá, alebo mŕtva. Ale práve tu sa odhaľuje zvláštnosť kvantového sveta. Podľa teórie žiadny Z dvoch možností, ktoré existujú pre rádioaktívnu látku, a teda mačku, sa to nezdá realistické, pokiaľ nie je pozorované, čo sa deje. Atómový rozpad nenastal a nenastal, mačka nezomrela a nezomrela, až kým sa nepozrieme do krabice, aby sme zistili, čo sa stalo. Teoretici, ktorí akceptujú čistú verziu kvantovej mechaniky, tvrdia, že mačka existuje v nejakom neurčitom stave, nie je ani živá, ani mŕtva, kým sa pozorovateľ nepozrie do krabice a neuvidí, ako sa situácia vyvinula. Nič nie je skutočné, pokiaľ sa nevykonáva pozorovanie.
Túto myšlienku nenávidel Einstein, ako aj mnohí iní. „Boh nehrá kocky,“ povedal s odkazom na teóriu, že svet je určený súhrnom výsledkov v podstate náhodného „výberu“ možností na kvantovej úrovni. Pokiaľ ide o nereálnosť stavu Schrödingerovej mačky, Einstein ju nezohľadnil, čo naznačuje, že musí existovať nejaký hlboký „mechanizmus“, ktorý určuje skutočne základnú realitu vecí. Po mnoho rokov sa snažil vyvinúť experimenty, ktoré by pomohli ukázať túto hlbokú realitu v práci, ale zomrel skôr, ako bolo možné takýto experiment uskutočniť. Možno to bolo najlepšie, že sa nedožil výsledku reťaze úvah, ktoré uviedol do pohybu.
V lete 1982 skupina vedcov z University of Paris-Sud pod vedením Alaina Aspého dokončila sériu experimentov, ktorých cieľom bolo odhaliť základnú realitu, ktorá definuje neskutočný kvantový svet. Táto hlboká realita – základný mechanizmus – dostala názov „skryté parametre“. Podstatou experimentu bolo pozorovať správanie dvoch fotónov, čiže častíc svetla, letiacich v opačných smeroch od zdroja. Experiment je celý popísaný v desiatej kapitole, ale celkovo ho možno považovať za overenie reality. Dva fotóny z rovnakého zdroja môžu byť detekované dvoma detektormi, ktoré merajú vlastnosť nazývanú polarizácia. Podľa kvantovej teórie táto vlastnosť neexistuje, kým nie je zmeraná. Podľa myšlienky „skrytých parametrov“ má každý fotón „skutočnú“ polarizáciu od okamihu svojho vzniku. Pretože dva fotóny sú emitované súčasne, ich hodnoty polarizácie závisia od seba, ale povaha skutočne meranej závislosti sa líši podľa dvoch pohľadov na realitu.
Výsledky tohto dôležitého experimentu sú jasné. Závislosť predpovedaná teóriou skrytých parametrov objavená nebola, ale závislosť predpovedaná kvantovou mechanikou áno. Navyše, ako predpovedala kvantová teória, merania vykonané na jednom fotóne mali okamžitý vplyv na povahu druhého fotónu. Určitá interakcia nerozlučne spájala fotóny, hoci sa rýchlosťou svetla rozptýlili rôznymi smermi a teória relativity tvrdí, že žiadny signál nemôže byť prenášaný rýchlejšie ako svetlo. Experimenty dokázali, že na svete neexistuje hlboká realita. „Realita“ v bežnom zmysle nie je vhodná na uvažovanie o správaní základných častíc, ktoré tvoria vesmír, a zároveň sa zdá, že tieto častice sú spolu neoddeliteľne spojené do nejakého nedeliteľného celku, z ktorého každý vie, čo sa s ním deje. iní.
Hľadanie Schrödingerovej mačky je hľadaním kvantovej reality. Z tejto krátkej recenzie sa môže zdať, že toto hľadanie nebolo korunované úspechom, keďže v kvantovom svete realita v obvyklom zmysle slova neexistuje. Tým sa však príbeh nekončí a pátranie po Schrödingerovej mačke nás môže priviesť k novému chápaniu reality, ktoré presahuje – a zároveň zahŕňa – konvenčnú interpretáciu kvantovej mechaniky. Hľadanie však bude trvať dlho a musíte začať s vedcom, ktorý by sa možno zľakol viac ako Einstein, keby mal možnosť zistiť odpovede, ktoré sme teraz dali na otázky, ktoré ho trápili. Isaac Newton, ktorý pred tromi storočiami študoval povahu svetla, pravdepodobne netušil, že už vkročil na cestu vedúcu k Schrödingerovej mačke.
Časť prvá
Kvantové
Kto nie je šokovaný kvantovou teóriou, nepochopil ju.
Niels Bohr 1885-1962
Prvá kapitola
Svetlo
Isaac Newton vynašiel fyziku a na nej spočíva zvyšok vedy. Aj keď Newton určite staval na práci iných, bola to jeho publikácia o troch zákonoch pohybu a teórii gravitácie pred viac ako tromi storočiami, ktoré postavili vedu na cestu, ktorá nakoniec viedla k prieskumu vesmíru, laserom, atómovej energii, genetickému inžinierstvu, pochopenie chémie a všetkého ostatného. Po dve storočia vládla svetu vedy newtonovská fyzika (teraz nazývaná „klasická fyzika“). Nové revolučné myšlienky posunuli fyziku dvadsiateho storočia ďaleko za Newtona, ale bez týchto dvoch storočí vedeckého rastu by sa tieto myšlienky možno nikdy neobjavili. Táto kniha nie je dejinami vedy: hovorí o novej fyzike – kvantovej, a nie o tých klasických myšlienkach. Avšak aj v Newtonovom diele spred tristo rokov už existujú náznaky, že zmena je nevyhnutná: nie sú obsiahnuté v jeho prácach o pohybe planét a ich dráhach, ale v jeho štúdiách o povahe svetla.
Newtonove predstavy o svetle do značnej miery súviseli s jeho predstavami o správaní sa pevných predmetov a obežných dráhach planét. Uvedomil si, že naše každodenné vnímanie správania predmetov môže byť chybné a že predmet alebo častica, ktorá je zbavená akýchkoľvek vonkajších vplyvov, by sa mala správať úplne inak ako tá istá častica nachádzajúca sa na povrchu Zeme. Naša každodenná skúsenosť teda naznačuje, že veci majú tendenciu zostať na jednom mieste, kým ich nestlačíte, a ak na ne prestanete tlačiť, prestanú sa hýbať. Prečo sa potom telesá ako planéty alebo Mesiac neprestanú pohybovať na svojich obežných dráhach? Tlačí ich niečo? Vôbec nie. Planéty sú v prirodzenom stave, bez vonkajších vplyvov a dochádza k interakcii s telesami na povrchu Zeme. Ak sa pokúsim prinútiť pero kĺzať po stole, moje stláčanie bude pôsobiť proti trecej sile pera o stôl, čo spôsobí, že sa pero zastaví, keď prestanem tlačiť. Toto je prvý Newtonov zákon – každé teleso zostáva v pokoji alebo sa pohybuje konštantnou rýchlosťou, kým naň nepôsobí vonkajšia sila. Druhý zákon ukazuje, aký veľký je vplyv sily – tlačenia – na telo. Takáto sila mení rýchlosť telesa a zmena rýchlosti sa nazýva zrýchlenie. Ak vydelíte silu pôsobiacu na teleso jeho hmotnosťou, výsledkom je zrýchlenie udelené telesu touto silou. Tento druhý zákon sa zvyčajne popisuje trochu inak: sila sa rovná hmote krát zrýchlenie. A tretí Newtonov zákon ukazuje, ako telo reaguje na vonkajšie vplyvy: na každú akciu existuje reakcia rovnakej sily a opačného smeru. Ak trafíte tenisovú loptičku raketou, sila, ktorou raketa pôsobí na tenisovú loptičku, sa bude presne rovnať sile pôsobiacej späť na raketu. Na pero ležiace na stole pôsobí gravitačná sila, ktorá ho ťahá dole, no zároveň naň stôl pôsobí rovnakou silou v opačnom smere. Sila výbuchu, ktorá vytlačí plyny zo spaľovacej komory rakety, vytvára rovnakú a opačnú reakčnú silu pôsobiacu na samotnú raketu a tlačí ju opačným smerom.
Spolu s Newtonovým gravitačným zákonom tieto zákony vysvetľovali rotáciu planét okolo Slnka a Mesiaca okolo Zeme. Keď sa riadne zohľadnilo trenie, vysvetlili aj správanie telies na povrchu Zeme a položili základy mechaniky. Mali však aj hlboký filozofický význam. Podľa Newtonových zákonov možno správanie častice presne predpovedať na základe jej interakcií s inými časticami a síl, ktoré na ňu pôsobia. Ak by bolo možné poznať polohu a rýchlosť každej častice vo vesmíre, potom by bolo možné s veľkou presnosťou predpovedať budúcnosť každej častice, a teda aj budúcnosť vesmíru. Znamenalo by to, že vesmír funguje ako stroj navrhnutý a uvedený do pohybu Stvoriteľom po nejakej úplne predvídateľnej ceste? Newtonova klasická mechanika poskytla silnú podporu tomuto deterministickému pohľadu na povahu vesmíru a vytvorila obraz, v ktorom bolo málo miesta pre náhodnosť alebo ľudskú slobodnú vôľu. Sme všetci len bábkami, ktoré sa pohybujú životom vopred určeným smerom bez skutočnej voľby? Väčšine vedcov nevadilo prenechať túto otázku filozofom. S plnou silou sa však vrátil do srdca novej fyziky dvadsiateho storočia.
Vlny alebo častice?Po dosiahnutí takého úspechu v časticovej fyzike sa Newton nie prekvapivo pokúsil vysvetliť správanie svetla pomocou častíc. Čokoľvek poviete, lúče svetla z pozície pozorovateľa sa pohybujú v priamom smere a svetlo sa odráža od zrkadla veľmi podobným spôsobom, ako keď sa loptička odráža od pevnej steny. Newton skonštruoval prvý odrazový ďalekohľad, ktorý definoval bielu ako prekrytie všetkých farieb dúhy, a urobil oveľa viac v oblasti optiky, ale jeho teórie vždy spočívali na predpoklade, že svetlo je prúd drobných častíc, ktoré nazval krviniek. Svetelné lúče sa lámu, keď prechádzajú rozhraním medzi dvoma médiami, ako je vzduch a voda alebo sklo (preto sa slamka v pohári ginu s tonikom javí ako zlomená) a tento lom presne vysvetľuje korpuskulárna teória, ktorá naznačuje že telieska sa pohybujú rýchlejšie v opticky hustejšom prostredí. Avšak aj za Newtonových čias existovalo pre toto všetko alternatívne vysvetlenie.
Ryža. 1.1. Paralelné vlny vody prechádzajú cez malý otvor v prekážke a v kruhoch sa od nej rozchádzajú, pričom nezanechávajú žiadny „tieň“.
Holandský fyzik Christiaan Huygens sa narodil v roku 1629, teda o trinásť rokov skôr ako Newton, a bol jeho súčasníkom. Rozvinul myšlienku, že svetlo nie je prúd častíc, ale vlna a šíri sa ako vlny na hladine mora alebo jazera, ale cez neviditeľné médium nazývané „svetelný éter“. Rovnako ako vlnky vytvorené kameňom hodeným do jazierka, aj svetelné vlny v éteri by sa podľa Huygensových predstáv mali šíriť všetkými smermi od zdroja. Teória vĺn, podobne ako korpuskulárna teória, vysvetlila odraz a lom. Tvrdila však, že svetelné vlny by sa v opticky hustejšom médiu nemali zrýchľovať, ale skôr spomaliť. Keďže v 17. storočí neexistoval spôsob, ako merať rýchlosť svetla, toto rozlíšenie nedokázalo vyriešiť konflikt medzi týmito dvoma teóriami. V jednom kľúčovom ohľade sa však tieto dva názory líšili v pozorovaní. Keď svetlo prechádza cez ostrú hranu, zanecháva za sebou tieň, ktorý má tiež ostrú hranu. Presne tak by sa mali správať prúdy častíc pohybujúcich sa v priamych líniách. Vlna má tendenciu ohýbať sa okolo prekážok alebo sa difraktovať, pričom ide mierne do tieňa (spomeňte si na vlnky na rybníku ohýbajúcom sa okolo skaly). Pred tristo rokmi sa to stalo jasným dôkazom v prospech korpuskulárnej teórie a vlnová teória, aj keď nebola zabudnutá, bola odmietnutá. Začiatkom devätnásteho storočia sa však postavenie týchto dvoch teórií prakticky zmenilo.
Ryža. 1.2. Kruhové poruchy, ako napríklad tie, ktoré vytvára kameň hodený do jazierka, sa šíria ako kruhové vlny so stredom v mieste, kde prechádzajú úzkym otvorom (a, samozrejme, vlny, ktoré narazia na prekážku, sa odrážajú späť).
V 18. storočí bral vlnovú teóriu svetla vážne len veľmi málo ľudí. Jedným z tých, ktorí to nielen brali vážne, ale aj písali diela na jeho podporu, bol Švajčiar Leonhard Euler, popredný matematik svojej doby, ktorý významne prispel k rozvoju geometrie, matematickej analýzy a trigonometrie. Moderná matematika a fyzika sú písané v jazyku aritmetiky pomocou rovníc. Metódy, na ktorých je tento aritmetický popis z veľkej časti založený, vyvinul Euler a v procese práce na nich zaviedol niekoľko pohodlných metód zápisu, ktoré sa zachovali dodnes - číslo "pi" pre pomer obvodu kruhu na jeho priemer, symbol ί
pre druhú odmocninu mínus jedna (s tým sa stretneme, rovnako ako aj s pí, o niečo neskôr), ako aj symboly, ktoré používajú matematici na znázornenie operácie integrácie. Je to smiešne, ale článok o Eulerovi v Encyclopædia Britannica nespomína jeho názory na vlnovú teóriu svetla, ktoré podľa súčasníkov nezastával „žiadny veľký fyzik“ 1
Citát z druhej strany knihy Quantum Mechanics od Ernesta Ikenberryho.
Jediný významný súčasník Eulera, ktorý zdieľal tieto názory, bol Benjamin Franklin. Fyzici ich však dokázali ľahko ignorovať, kým na začiatku devätnásteho storočia neuskutočnil nové dôležité experimenty Angličan Thomas Young a o niečo neskôr Francúz Augustin Fresnel.
Kniha slávneho britského autora Johna Gribbina „Hľadanie Schrödingerovej mačky“, ktorá mu priniesla slávu, sa považuje za jednu z najlepších popularizácií modernej fyziky.
Bez kvantovej teórie je existencia modernej vedy nemožná, bez nej by neexistovali atómové zbrane, televízia, počítače, molekulárna biológia, moderná genetika a mnohé ďalšie neoddeliteľné súčasti moderného života. John Gribbin rozpráva príbeh celej kvantovej mechaniky, atómu, žiarenia, cestovania v čase a zrodu vesmíru. Kniha kladie otázku: „Čo je realita? – a prichádza k najneočakávanejším záverom. Ukázané sú všetky prekvapivé, zvláštne a paradoxné dôsledky, ktoré vyplývajú z aplikácie kvantovej teórie.
Určené širokému okruhu čitateľov so záujmom o modernú vedu.
Svetlo.
Isaac Newton vynašiel fyziku a na nej spočíva zvyšok vedy. Aj keď Newton určite staval na práci iných, bola to jeho publikácia o troch zákonoch pohybu a teórii gravitácie pred viac ako tromi storočiami, ktoré postavili vedu na cestu, ktorá nakoniec viedla k prieskumu vesmíru, laserom, atómovej energii, genetickému inžinierstvu, pochopenie chémie a všetkého ostatného. Po dve storočia vládla svetu vedy newtonovská fyzika (teraz nazývaná „klasická fyzika“). Nové revolučné myšlienky posunuli fyziku dvadsiateho storočia ďaleko za Newtona, ale bez týchto dvoch storočí vedeckého rastu by sa tieto myšlienky možno nikdy neobjavili. Táto kniha nie je dejinami vedy: hovorí o novej fyzike – kvantovej, a nie o tých klasických myšlienkach. Avšak aj v Newtonovom diele spred tristo rokov už existujú náznaky, že zmena je nevyhnutná: nie sú obsiahnuté v jeho prácach o pohybe planét a ich dráhach, ale v jeho štúdiách o povahe svetla.
Newtonove predstavy o svetle do značnej miery súviseli s jeho predstavami o správaní sa pevných predmetov a obežných dráhach planét. Uvedomil si, že naše každodenné vnímanie správania predmetov môže byť chybné a že predmet alebo častica, ktorá je zbavená akýchkoľvek vonkajších vplyvov, by sa mala správať úplne inak ako tá istá častica nachádzajúca sa na povrchu Zeme. Naša každodenná skúsenosť teda naznačuje, že veci majú tendenciu zostať na jednom mieste, kým ich nestlačíte, a ak na ne prestanete tlačiť, prestanú sa hýbať. Prečo sa potom telesá ako planéty alebo Mesiac neprestanú pohybovať na svojich obežných dráhach? Tlačí ich niečo? Vôbec nie. Planéty sú v prirodzenom stave, bez vonkajších vplyvov a dochádza k interakcii s telesami na povrchu Zeme. Ak sa pokúsim prinútiť pero kĺzať po stole, moje stláčanie bude pôsobiť proti trecej sile pera o stôl, čo spôsobí, že sa pero zastaví, keď prestanem tlačiť. Toto je prvý Newtonov zákon – každé teleso zostáva v pokoji alebo sa pohybuje konštantnou rýchlosťou, kým naň nepôsobí vonkajšia sila. Druhý zákon ukazuje, aký veľký je vplyv sily – tlačenia – na telo. Takáto sila mení rýchlosť telesa a zmena rýchlosti sa nazýva zrýchlenie. Ak vydelíte silu pôsobiacu na teleso jeho hmotnosťou, výsledkom je zrýchlenie udelené telesu touto silou. Tento druhý zákon sa zvyčajne popisuje trochu inak: sila sa rovná hmote krát zrýchlenie. A tretí Newtonov zákon ukazuje, ako telo reaguje na vonkajšie vplyvy: na každú akciu existuje reakcia rovnakej sily a opačného smeru. Ak trafíte tenisovú loptičku raketou, sila, ktorou raketa pôsobí na tenisovú loptičku, sa bude presne rovnať sile pôsobiacej späť na raketu. Na pero ležiace na stole pôsobí gravitačná sila, ktorá ho ťahá dole, no zároveň naň stôl pôsobí rovnakou silou v opačnom smere. Sila výbuchu, ktorá vytlačí plyny zo spaľovacej komory rakety, vytvára rovnakú a opačnú reakčnú silu pôsobiacu na samotnú raketu a tlačí ju opačným smerom.
Stiahnite si e-knihu zadarmo vo vhodnom formáte, pozerajte a čítajte:
Stiahnite si knihu Hľadanie Schrödingerovej mačky, Kvantová fyzika a realita, Gribbin D., 2016 - fileskachat.com, rýchle a bezplatné stiahnutie.
Stiahnite si súbor č.1 - fb2
Stiahnite si súbor č. 2 - rtf
Nižšie si môžete kúpiť túto knihu za najlepšiu cenu so zľavou s doručením po celom Rusku.
„Aby sme sa naučili biť do bubna, museli sme vytvoriť špeciálne kvantové „paličky“, ktorých úlohu zohrávajú jednotlivé častice svetla. To všetko otvára cestu k vytvoreniu mechanického analógu Schrödingerovej mačky a testovaniu zákonov kvantovej mechaniky na makroúrovni,“ povedal Martin Ringbauer z University of Queensland v Brisbane (Austrália).
depositphotos.com
Schrödingerova mačka je „účastníkom“ myšlienkového experimentu, ktorý v roku 1935 navrhol rakúsky fyzik Erwin Schrödinger. Počas nej je v uzavretej krabici umiestnená mačka a mechanizmus, ktorý v prípade rozpadu rádioaktívneho atómu (čo sa môže, ale nemusí stať) otvorí nádobu s jedom.
Podľa princípov kvantovej fyziky je mačka živá aj mŕtva. Tu pochádza pojem „kvantová superpozícia“ – súbor všetkých stavov, v ktorých sa mačka môže súčasne nachádzať. Dnes sa fyzici vrátane vedcov z ruského kvantového centra aktívne pokúšajú vytvoriť Schrödingerovu mačku, ktorú by bolo možné vidieť voľným okom.
© Foto: Imperial College London Kvantový bubon vytvorený fyzikmi z Austrálie a Británie
Ringbauer a jeho kolegovia urobili prvý krok k „pestovaniu“ Schrödingerovej veľkej mačky štúdiom toho, ako jednotlivé častice svetla interagujú s veľmi tenkými, ale viditeľnými filmami. Vedcov zaujímalo, či zrážky fotónov s takýmito membránami vyvolajú kvantové efekty, ktoré by „porušili“ klasické zákony mechaniky.
Ako poznamenáva fyzik, za určitých podmienok môže byť jedna častica svetla „rozrezaná“ na polovicu, čím sa vytvoria dva tlmenejšie, ale zapletené fotóny. Ak je jedna z týchto častíc nasmerovaná na membránu a druhá na obyčajné zrkadlo, ich interakcie povedú k ďalšiemu kvantovému spojeniu medzi „bubnom“ a fotónmi.
V tomto bode prichádza do hry to, že „prepílený“ fotón je vlastne v oboch bodoch súčasne – buď preletí okolo membrány bez toho, aby v nej spôsobil oscilácie, alebo ju zasiahne. V súlade s tým pri niektorých meraniach „porazí“ bubon a pri iných v ňom nespôsobí žiadne zmeny. Inými slovami, bubon bude tichý aj klopať zároveň, čo z takéhoto filmu robí makroskopickú obdobu Schrödingerovej mačky.
© Imperial College London
Vedení týmito myšlienkami, autori článku zostavili podobné nastavenie a začali pozorovať vibrácie filmu pomocou iného lasera. Ako pripúšťa Ringbauer, pri izbových teplotách takýto dizajn ešte nie je úplne podobný „Schrödingerovmu bubnu“, ale aj za takýchto podmienok sa na jeho povrchu objavujú anomálie, ktoré naznačujú prítomnosť kvantových vlastností.
V blízkej budúcnosti jeho tím plánuje zlepšiť výkon laserových vibračných senzorov a umiestniť „kvantový bubon“ do chladiacej jednotky, o ktorej dúfajú, že nám poskytne prvý pohľad na skutočnú Schrödingerovu mačku.