Kvantová fyzika kočka. John Gribbin - Hledání Schrödingerovy kočky. Kvantová fyzika a realita. Schrödingerova teorie: popis

Jistě jste už nejednou slyšeli, že existuje fenomén jako „Schrödingerova kočka“. Ale pokud nejste fyzik, pak s největší pravděpodobností máte jen mlhavou představu o tom, co je to za kočku a proč je to potřeba.

« Shroedingerova kočka“- tak se jmenuje slavný myšlenkový experiment slavného rakouského teoretického fyzika Erwina Schrödingera, který je také nositelem Nobelovy ceny. Pomocí tohoto fiktivního experimentu chtěl vědec ukázat neúplnost kvantové mechaniky při přechodu od subatomárních systémů k makroskopickým systémům.

Tento článek je pokusem vysvětlit jednoduchými slovy podstatu Schrödingerovy teorie o kočce a kvantové mechanice tak, aby byl přístupný i člověku, který nemá vyšší technické vzdělání. Článek také představí různé interpretace experimentu, včetně těch z televizního seriálu „Teorie velkého třesku“.

Popis experimentu

Původní článek Erwina Schrödingera vyšel v roce 1935. V něm byl experiment popsán pomocí nebo dokonce zosobnění:

Můžete také konstruovat případy, ve kterých je docela burleska. Nechte nějakou kočku zavřít do ocelové komory s následujícím ďábelským strojem (který by měl být bez ohledu na zásah kočky): uvnitř Geigerova počítače je nepatrné množství radioaktivní látky, tak malé, že se za hodinu může rozpadnout jen jeden atom, ale se stejnou pravděpodobností se nemusí rozpadnout; pokud k tomu dojde, čtecí trubice se vybije a aktivuje se relé, čímž se uvolní kladivo, které rozbije baňku s kyselinou kyanovodíkovou.

Pokud celý tento systém necháme hodinu pro sebe, pak můžeme říci, že kočka bude po této době naživu, pokud se atom 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, kterou lze eliminovat přímým pozorováním. 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.

Jinými slovy:

Je tam krabice a kočka. Krabice obsahuje mechanismus obsahující radioaktivní atomové jádro a nádobu s jedovatým plynem. Experimentální parametry byly zvoleny tak, aby pravděpodobnost jaderného rozpadu za 1 hodinu byla 50 %. Pokud se jádro rozpadne, otevře se nádoba s plynem a kočka zemře. Pokud se jádro nerozpadne, kočka zůstává živá a zdravá.
Kočku zavřeme do krabice, hodinu počkáme a položíme otázku: je kočka živá nebo mrtvá?
Zdá se, že kvantová mechanika nám říká, že atomové jádro (a tedy i kočka) je ve všech možných stavech současně (viz kvantová superpozice). Než otevřeme krabici, je systém cat-core ve stavu „jádro se rozpadlo, kočka je mrtvá“ s pravděpodobností 50 % a ve stavu „jádro se nerozpadlo, kočka žije“ s pravděpodobnost 50 %. Ukáže se, že kočka sedící v boxu je živá i mrtvá zároveň.
Podle moderní kodaňské interpretace je kočka živá/mrtvá bez jakýchkoli přechodných stavů. A volba stavu rozpadu jádra nastává nikoli v okamžiku otevření krabice, ale dokonce i tehdy, když jádro vstoupí do detektoru. Protože snížení vlnové funkce systému „kočka-detektor-nucleus“ není spojeno s lidským pozorovatelem krabice, ale je spojeno s detektorem-pozorovatelem jádra.

Vysvětlení jednoduchými slovy

Podle kvantové mechaniky, pokud není jádro atomu pozorováno, je jeho stav popsán směsí dvou stavů - rozpadlé jádro a nerozložené jádro, tedy kočka sedící v krabici a ztělesňující jádro atomu je živý i mrtvý zároveň. Pokud je krabice otevřena, může experimentátor vidět pouze jeden konkrétní stav – „jádro se rozpadlo, kočka je mrtvá“ nebo „jádro se nerozpadlo, kočka žije“.

Podstata v lidské řeči: Schrödingerův experiment ukázal, že z pohledu kvantové mechaniky je kočka živá i mrtvá, což být nemůže. Proto má kvantová mechanika značné nedostatky.

Otázka zní: 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 (mezi životem a smrtí neexistuje žádný stavový mezistupeň), bude to podobné pro atomové jádro. Musí být buď rozpadlé, nebo nerozpadlé (Wikipedie).

Video z Teorie velkého třesku

Další novější interpretací Schrödingerova myšlenkového experimentu je příběh, který Sheldon Cooper vyprávěl své méně vzdělané sousedce Penny, postava z Teorie velkého třesku. 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.

Níže je videoklip této výměny teorie velkého třesku mezi Sheldonem a Penií.

Zůstala kočka v důsledku experimentu naživu?

Pro ty, kteří nečetli článek pozorně, ale přesto se o kočku bojí, dobrá zpráva: podle našich údajů se nebojte, výsledkem myšlenkového experimentu bláznivého rakouského fyzika

ŽÁDNÁ KOČKA NEBYLA ZRANĚNA

Byla tam jakási „sekundární“ kvalita. Sám se málokdy zabýval konkrétním vědeckým problémem. Jeho oblíbeným žánrem byla reakce na cizí vědecký výzkum, vývoj tohoto díla nebo jeho kritika. Přestože byl Schrödinger sám od přírody individualista, vždy potřeboval myšlenku někoho jiného, podporu pro další práci. Přes tento zvláštní přístup se Schrödingerovi podařilo učinit mnoho objevů.

Životopisné informace

Schrödingerovu teorii dnes znají nejen studenti fyzikálních a matematických kateder. Bude to zajímat každého, kdo se zajímá o populární vědu. Tuto teorii vytvořil slavný fyzik E. Schrödinger, který se zapsal do dějin jako jeden z tvůrců kvantové mechaniky. Vědec se narodil 12. srpna 1887 v rodině majitele továrny na olejové plátna. Budoucí vědec, známý po celém světě svou hádankou, měl jako dítě rád botaniku a kreslení. Jeho prvním mentorem byl jeho otec. V roce 1906 zahájil Schrödinger svá studia na vídeňské univerzitě, během nichž začal obdivovat fyziku. Když přišla první světová válka, vědec šel sloužit jako dělostřelec. Ve volném čase studoval teorie Alberta Einsteina.

Počátkem roku 1927 se ve vědě vyvinula dramatická situace. E. Schrödinger věřil, že základem teorie kvantových procesů by měla být myšlenka vlnové kontinuity. Heisenberg naopak věřil, že základem této oblasti znalostí by měl být koncept diskrétnosti vln, stejně jako myšlenka kvantových skoků. Niels Bohr nepřijal ani jednu pozici.

Pokroky ve vědě

Za vytvoření konceptu vlnové mechaniky obdržel Schrödinger v roce 1933 Nobelovu cenu. Vědec, vychovaný v tradicích klasické fyziky, však nemohl uvažovat v jiných kategoriích a nepovažoval kvantovou mechaniku za plnohodnotný obor vědění. Nemohl se spokojit s dvojím chováním částic a snažil se ho redukovat výhradně na vlnové chování. Schrödinger to ve své diskusi s N. Bohrem vyjádřil takto: „Pokud plánujeme zachovat tyto kvantové skoky ve vědě, pak obecně lituji, že jsem spojil svůj život s atomovou fyzikou.“

Další práce výzkumníka

Schrödinger navíc nebyl jen jedním z tvůrců moderní kvantové mechaniky. Byl to on, kdo zavedl termín „objektivita popisu“ do vědeckého použití. Jde o schopnost vědeckých teorií popsat realitu bez účasti pozorovatele. Jeho další výzkum se věnoval teorii relativity, termodynamickým procesům a nelineární Bornově elektrodynamice. Vědci také učinili několik pokusů o vytvoření jednotné teorie pole. E. Schrödinger navíc mluvil šesti jazyky.

Nejznámější hádanka

Schrödingerova teorie, ve které se objevuje stejná kočka, vyrostla z vědcovy kritiky kvantové teorie. Jeden z jeho hlavních postulátů říká, že zatímco systém není pozorován, je ve stavu superpozice. Konkrétně ve dvou nebo více stavech, které vylučují existenci toho druhého. Stav superpozice ve vědě má následující definici: jedná se o schopnost kvanta, kterým může být i elektron, foton nebo například jádro atomu, být současně ve dvou stavech nebo dokonce ve dvou bodech. ve vesmíru ve chvíli, kdy to nikdo nepozoruje.

Předměty v různých světech

Pro běžného člověka je velmi těžké pochopit takovou definici. Koneckonců, každý předmět hmotného světa může být buď v jednom bodě prostoru, nebo v jiném. Tento jev lze ilustrovat následovně. Pozorovatel vezme dvě krabice a do jedné z nich vloží tenisový míček. Bude jasné, že v jedné krabici je a ve druhé ne. Pokud ale vložíte elektron do jednoho z kontejnerů, pak bude pravdivé následující tvrzení: tato částice je současně ve dvou krabicích, bez ohledu na to, jak paradoxní se to může zdát. Stejně tak elektron v atomu není umístěn v přesně definovaném bodě v té či oné době. Otáčí se kolem jádra, které se nachází ve všech bodech oběžné dráhy současně. Ve vědě se tento jev nazývá „elektronový mrak“.

Co chtěl vědec dokázat?

Chování malých a velkých objektů je tedy realizováno podle zcela jiných pravidel. V kvantovém světě existují nějaké zákony a v makrosvětě - úplně jiné. Neexistuje však koncept, který by vysvětloval přechod ze světa hmotných předmětů známých lidem do mikrosvěta. Schrödingerova teorie vznikla za účelem demonstrovat nedostatečnost výzkumu v oblasti fyziky. Vědec chtěl ukázat, že existuje věda, jejímž cílem je popisovat malé předměty, a existuje pole vědění, které studuje běžné předměty. Z velké části díky práci vědce byla fyzika rozdělena do dvou oblastí: kvantové a klasické.

Schrödingerova teorie: popis

Vědec popsal svůj slavný myšlenkový experiment v roce 1935. Při jejím provádění se Schrödinger opíral o princip superpozice. Schrödinger zdůraznil, že dokud foton nepozorujeme, může to být buď částice, nebo vlna; jak červená, tak zelená; jak kulaté, tak hranaté. Tento princip neurčitosti, který přímo vyplývá z konceptu kvantového dualismu, použil Schrödinger ve své slavné hádance o kočce. Smysl experimentu ve zkratce je následující:

Kočka je umístěna v uzavřené krabici, stejně jako nádoba obsahující kyselinu kyanovodíkovou a radioaktivní látku.
Jádro se může rozpadnout do hodiny. Pravděpodobnost tohoto je 50%.
Pokud se atomové jádro rozpadne, bude to zaznamenáno Geigerovým počítačem. Mechanismus bude fungovat a krabice s jedem se rozbije. Kočka zemře.
Pokud nedojde k rozkladu, pak bude Schrödingerova kočka naživu.

Podle této teorie, dokud není kočka pozorována, je současně ve dvou stavech (mrtvá a živá), stejně jako jádro atomu (rozpadlé nebo nerozložené). To je samozřejmě možné pouze podle zákonů kvantového světa. V makrokosmu nemůže být kočka živá i mrtvá zároveň.

Paradox pozorovatele

Pro pochopení podstaty Schrödingerovy teorie je nutné porozumět i paradoxu pozorovatele. Jeho smyslem je, že objekty mikrosvěta mohou být ve dvou stavech současně pouze tehdy, když nejsou pozorovány. Například ve vědě je známý tzv. „Experiment se 2 štěrbinami a pozorovatelem“. Vědci nasměrovali paprsek elektronů na neprůhlednou desku, ve které byly vytvořeny dvě vertikální štěrbiny. Na obrazovce za deskou elektrony namalovaly vlnový vzor. Jinými slovy, nechali černé a bílé pruhy. Když chtěli vědci pozorovat, jak elektrony prolétají štěrbinami, částice zobrazily na obrazovce pouze dva svislé pruhy. Chovaly se jako částice, ne jako vlny.

Kodaňské vysvětlení

Moderní vysvětlení Schrödingerovy teorie se nazývá kodaňské vysvětlení. Na základě pozorovatelova paradoxu to zní takto: dokud nikdo nepozoruje jádro atomu v systému, nachází se současně ve dvou stavech – rozpadlém a nerozpadlém. Tvrzení, že kočka je živá a mrtvá zároveň, je však krajně mylné. Ostatně v makrokosmu nejsou nikdy pozorovány stejné jevy jako v mikrokosmu.

Nemluvíme tedy o systému „kočka-jádro“, ale o tom, že Geigerův počítač a atomové jádro jsou propojeny. Jádro si může vybrat jeden nebo druhý stav v okamžiku, kdy se provádějí měření. Tato volba se však nekoná ve chvíli, kdy experimentátor otevře krabici se Schrödingerovou kočkou. Ve skutečnosti se otevírání schránky odehrává v makrokosmu. Tedy v systému, který je velmi vzdálen atomovému světu. Proto si jádro přesně vybírá svůj stav v okamžiku, kdy narazí na detektor Geigerova počítače. Erwin Schrödinger tedy ve svém myšlenkovém experimentu nepopsal systém dostatečně plně.

Obecné závěry

Není tedy zcela správné spojovat makrosystém s mikroskopickým světem. V makrokosmu kvantové zákony ztrácejí svou platnost. Jádro atomu může být ve dvou stavech současně pouze v mikrokosmu. Totéž nelze říci o kočce, protože je objektem makrokosmu. Proto se jen na první pohled zdá, že kočka v okamžiku otevření krabice přechází ze superpozice do jednoho ze stavů. Ve skutečnosti je jeho osud určen v okamžiku, kdy atomové jádro interaguje s detektorem. Závěr lze učinit následovně: stav systému v hádance Erwina Schrödingera nemá nic společného s osobou. Nezáleží na experimentátorovi, ale na detektoru – objektu, který jádro „pozoruje“.

Pokračování konceptu

Schrödingerova teorie je popsána jednoduchými slovy takto: zatímco se pozorovatel na systém nedívá, může být ve dvou stavech současně. Jiný vědec, Eugene Wigner, však šel dále a rozhodl se Schrödingerův koncept dovést až do úplné absurdity. "Promiňte!" řekl Wigner, "Co když jeho kolega stojí vedle experimentátora a sleduje kočku?" Partner neví, co přesně viděl sám experimentátor ve chvíli, kdy krabici s kočkou otevřel. Schrödingerova kočka vystupuje ze superpozice. Ne však pro kolegu pozorovatele. Teprve ve chvíli, kdy se osud kočky dozví, může být zvíře konečně nazýváno živé nebo mrtvé. Na planetě Zemi navíc žijí miliardy lidí. A konečný verdikt lze vynést až ve chvíli, kdy se výsledek experimentu stane majetkem všech živých bytostí. Samozřejmě můžete všem lidem krátce sdělit osud kočky a Schrödingerovu teorii, ale je to velmi dlouhý a pracný proces.

Principy kvantového dualismu ve fyzice nebyly nikdy vyvráceny Schrödingerovým myšlenkovým experimentem. V jistém smyslu lze o každé bytosti říci, že není ani živá, ani mrtvá (v superpozici), pokud existuje alespoň jedna osoba, která ji nepozoruje.

Nehledejte zde „východní mystiku“, ohýbání lžičky ani mimosmyslové vnímání. Hledejte skutečný příběh kvantové mechaniky, jehož pravda je úžasnější než jakákoli fikce. To je věda: nepotřebuje outfity z jiné filozofie, protože sama je plná krás, záhad a překvapení. Tato kniha se pokouší odpovědět na konkrétní otázku: „Co je realita? A odpověď (nebo odpovědi) vás možná překvapí. Možná tomu nebudete věřit. Ale pochopíte, jak se moderní věda dívá na svět.

Nic není opravdové

Kočka v názvu je mýtické stvoření, ale Schrödinger skutečně existoval. Erwin Schrödinger byl rakouský vědec, který v polovině 20. let 20. století sehrál hlavní roli při vytváření rovnic vědního oboru, který se dnes nazývá kvantová mechanika. Tvrzení, že kvantová mechanika je pouze vědní obor, je však stěží pravdivé, protože je základem celé moderní vědy. Jeho rovnice popisují chování velmi malých objektů - velikosti atomů a menších - a reprezentují jediná věc popis světa nejmenších částic. Bez těchto rovnic by fyzici nebyli schopni navrhnout fungující jaderné elektrárny (nebo bomby), vytvořit lasery nebo vysvětlit, jak se teplota Slunce nesnižuje. Bez kvantové mechaniky by chemie byla stále v temném středověku a molekulární biologie by se vůbec neobjevila: neexistovaly by žádné znalosti o DNA, žádné genetické inženýrství, nic.

Kvantová teorie je největším úspěchem vědy, mnohem významnější a mnohem použitelnější v přímém praktickém smyslu než teorie relativity. A přesto dělá nějaké podivné předpovědi. Svět kvantové mechaniky je skutečně tak neobvyklý, že i Albertu Einsteinovi připadal nepochopitelný a odmítl přijmout všechny důsledky teorie odvozené Schrödingerem a jeho kolegy. Stejně jako mnoho jiných vědců se Einstein rozhodl, že je pohodlnější věřit, že rovnice kvantové mechaniky jsou jen jakýmsi matematickým trikem, který náhodně poskytl rozumné vysvětlení chování atomárních a subatomárních částic, ale obsahovaly hlubší pravdu, která souvisí s naším běžným smyslem pro realitu. Kvantová mechanika totiž tvrdí, že neexistuje žádná realita a o chování věcí nemůžeme nic říci, když je nepozorujeme. Schrödingerova mýtická kočka měla objasnit rozdíly mezi kvantovým a obyčejným světem.

Ve světě kvantové mechaniky přestávají fungovat fyzikální zákony známé z běžného světa. Místo toho se události řídí pravděpodobnostmi. Radioaktivní atom se například může rozpadnout a řekněme uvolnit elektron, nebo také nemusí. Experiment můžete provést tak, že si představíte, že je přesně padesátiprocentní pravděpodobnost, že se jeden z atomů shluku radioaktivní látky v určitém okamžiku rozpadne a detektor tento rozpad zaznamená, pokud k němu dojde. Schrödinger, stejně rozrušený závěry kvantové teorie jako Einstein, se pokusil demonstrovat jejich absurditu tím, že si představil, že se takový experiment odehrává v uzavřené místnosti nebo krabici obsahující živou kočku a lahvičku s jedem, a pokud dojde k rozkladu, nádoba s jed praskne a kočka zemře. V běžném světě je pravděpodobnost úmrtí kočky padesátiprocentní a bez nahlédnutí do krabice můžeme s klidem říci jediné: kočka uvnitř je buď živá, nebo mrtvá. Ale právě zde se odhaluje podivnost kvantového světa. Podle teorie žádný Ze dvou možností, které existují pro radioaktivní látku, a tedy kočku, se nezdá realistická, pokud neexistuje pozorování toho, co se děje. Atomový rozpad se nestal a nestal, kočka nezemřela a nezemřela, dokud se nepodíváme do krabice, abychom zjistili, co se stalo. Teoretici, kteří přijímají čistou verzi kvantové mechaniky, tvrdí, že kočka existuje v nějakém neurčitém stavu, není ani živá, ani mrtvá, dokud se pozorovatel nepodívá do krabice a neuvidí, jak se situace vyvinula. Nic není skutečné, pokud není pozorováno.

Tuto myšlenku nenáviděl Einstein, stejně jako mnoho dalších. „Bůh nehraje v kostky,“ řekl s odkazem na teorii, že svět je určen souhrnem výsledků v podstatě náhodného „výběru“ možností na kvantové úrovni. Pokud jde o nereálnost stavu Schrödingerovy kočky, Einstein ji nevzal v úvahu a naznačil, že musí existovat nějaký hluboký „mechanismus“, který určuje skutečně základní realitu věcí. Po mnoho let se snažil vyvinout experimenty, které by pomohly ukázat tuto hlubokou realitu v práci, ale zemřel dříve, než bylo možné takový experiment provést. Možná to bylo nejlepší, že se nedožil výsledku řetězce úvah, který uvedl do pohybu.

V létě 1982 dokončila skupina vědců z University of Paris-Sud, vedená Alainem Aspém, sérii experimentů, jejichž cílem bylo odhalit základní realitu, která definuje neskutečný kvantový svět. Tato hluboká realita – základní mechanismus – dostala název „skryté parametry“. Podstatou experimentu bylo pozorovat chování dvou fotonů, neboli částic světla, létajících v opačných směrech od zdroje. Celý experiment je popsán v desáté kapitole, ale celkově jej lze považovat za ověření reality. Dva fotony ze stejného zdroje lze detekovat dvěma detektory, které měří vlastnost zvanou polarizace. Podle kvantové teorie tato vlastnost neexistuje, dokud není změřena. Podle myšlenky „skrytých parametrů“ má každý foton „skutečnou“ polarizaci od okamžiku svého vytvoření. Protože jsou dva fotony emitovány současně, jejich hodnoty polarizace na sobě závisí, ale povaha skutečně měřené závislosti se liší podle dvou pohledů na realitu.

Výsledky tohoto důležitého experimentu jsou jasné. Závislost předpovídaná teorií skrytých parametrů nebyla objevena, ale závislost předpovídaná kvantovou mechanikou ano. Navíc, jak předpovídala kvantová teorie, měření provedená na jednom fotonu měla okamžitý vliv na povahu druhého fotonu. Nějaká interakce neoddělitelně spojila fotony, ačkoli se rychlostí světla rozptýlily různými směry, a teorie relativity tvrdí, že žádný signál nemůže být přenášen rychleji než světlo. Experimenty prokázaly, že na světě neexistuje hluboká realita. „Realita“ v běžném slova smyslu není vhodná pro přemýšlení o chování základních částic, které tvoří vesmír, a tyto částice se zároveň zdají být nerozlučně spojeny do nějakého nedělitelného celku, kde každá ví, co se s vesmírem děje. ostatní.

Hledání Schrödingerovy kočky je hledáním kvantové reality. Z této krátké recenze se může zdát, že toto hledání nebylo korunováno úspěchem, neboť v kvantovém světě realita v obvyklém slova smyslu neexistuje. Tím ale příběh nekončí a pátrání po Schrödingerově kočce nás může přivést k novému chápání reality, které přesahuje – a zároveň zahrnuje – konvenční výklad kvantové mechaniky. Hledání však bude trvat dlouho a je třeba začít u vědce, který by se možná lekl víc než Einstein, kdyby měl možnost zjistit odpovědi, které jsme nyní dali na otázky, které ho trápily. Když Isaac Newton před třemi staletími studoval povahu světla, pravděpodobně netušil, že už vkročil na cestu vedoucí ke Schrödingerově kočce.

První část

Kdo není šokován kvantovou teorií, nepochopil ji.

Niels Bohr 1885-1962

Kapitola první

Isaac Newton vynalezl fyziku a zbytek vědy na ní spočívá. I když Newton jistě stavěl na práci jiných, byla to jeho publikace o třech pohybových zákonech a teorii gravitace před více než třemi staletími, která postavila vědu na cestu, která nakonec vedla k průzkumu vesmíru, laserům, atomové energii, genetickému inženýrství, porozumění chemii a všemu ostatnímu. Po dvě století vládla světu vědy newtonovská fyzika (co se dnes nazývá „klasická fyzika“). Revoluční nové myšlenky posunuly fyziku dvacátého století daleko za Newtona, ale bez těchto dvou století vědeckého růstu by se tyto myšlenky možná nikdy neobjevily. Tato kniha není historií vědy: mluví o nové fyzice – kvantové, a ne o těch klasických myšlenkách. I v Newtonově díle před třemi sty lety se však již objevují náznaky, že změny jsou nevyhnutelné: nejsou obsaženy v jeho dílech o pohybu planet a jejich drahách, ale v jeho studiích o povaze světla.

John Gribbin

Při hledání Schrödingerovy kočky. Kvantová fyzika a realita

Tohle všechno se mi nelíbí a lituji, že jsem se do toho vůbec zapletl.

Erwin Schrödinger 1887-1961

Nic není opravdové.

John Lennon 1940-1980

PŘI HLEDÁNÍ SCHRÖDINGEROVA KOČKY

Kvantová fyzika a realita

Překlad z angličtiny Z. A. Mamedyarova, E. A. Fomenko

Poděkování

Mé seznámení s kvantovou teorií proběhlo před více než dvaceti lety, ještě ve škole, když jsem zjistil, že teorie obalové struktury atomu magicky vysvětluje celý periodický systém prvků a téměř veškerou chemii, se kterou jsem se potýkal mnoho nudných lekcí. Okamžitě jsem začal kopat dál, uchýlil se ke knihám z knihovny, které byly údajně „příliš složité“ pro můj omezený vědecký výcvik, a okamžitě jsem si všiml krásné jednoduchosti vysvětlení atomového spektra z pohledu kvantové teorie a poprvé jsem zjistil, že to nejlepší ve vědě je zároveň krásné a jednoduché, a to je fakt, který příliš mnoho učitelů – náhodně nebo záměrně – před svými studenty skrývá. Cítil jsem se jako hrdina románu „The Search“ od C. P. Snowa (ačkoli jsem ho četl mnohem později), který objevil totéž:

Všiml jsem si, jak pomíchaná náhodná fakta najednou zapadla na místo... "Ale tohle je pravda," řekl jsem si. - To je úžasné. A tohle je pravda." (Edice A, 1963, str. 27.)

Částečně kvůli tomuto poznání jsem se rozhodl studovat fyziku na univerzitě. V pravý čas se mé ambice naplnily a stal jsem se studentem na University of Sussex v Brightonu. Ale tam byla jednoduchost a krása hlubokých myšlenek zastíněna rozmanitostí detailů a matematických metod pro řešení konkrétních problémů pomocí rovnic kvantové mechaniky. Aplikace těchto myšlenek do světa moderní fyziky dala možná stejnou představu o hluboké kráse a pravdě, jakou dává pilotáž Boeing 747 o závěsném létání. Přestože síla původního vhledu zůstala nejvýraznějším vlivem na mou kariéru, dlouhou dobu jsem ignoroval kvantový svět a objevoval další slasti vědy.

Žhavé uhlíky tohoto raného zájmu byly znovu zažehnuty kombinací faktorů. Koncem 70. a začátkem 80. let začaly vycházet knihy a články, které se snažily s různou mírou úspěchu vysvětlit podivný kvantový svět nevědeckému publiku. Některé z takzvaných „populárních textů“ byly tak obludně daleko od pravdy, že jsem si ani nedokázal představit, že by se našel čtenář, který by jejich studiem pochopil pravdu a krásu vědy, a chtěl ji proto vyprávět. je. Zároveň se objevily informace o dlouhé sérii vědeckých experimentů, které prokázaly realitu některých nejpodivnějších aspektů kvantové teorie, a tyto informace mě donutily vrátit se do knihoven a osvěžit si pochopení těchto úžasných věcí. A konečně, jednou o Vánocích mě BBC pozvala, abych vystoupil v rozhlasovém programu jako jakýsi vědecký oponent Malcolma Muggeridge, který právě oznámil svou konverzi ke katolicismu a byl hlavním hostem svátečního období. Poté, co tento velký muž vyslovil svůj názor a zdůraznil tajemství křesťanství, obrátil se ke mně a řekl: "Ale tady je někdo, kdo zná všechny odpovědi - nebo tvrdí, že je zná všechny." Čas byl omezený a já jsem se snažil dát slušnou odpověď a poukázat na to, že věda netvrdí, že má všechny odpovědi, a je to náboženství, nikoli věda, která zcela spoléhá na bezmeznou víru a víru, že pravda je známá. "Nic nevěřím," řekl jsem a začal vysvětlovat svůj postoj, ale v tu chvíli program skončil. Během vánočních svátků mi přátelé a známí tato slova připomínali a já jsem strávil hodiny opakováním, že můj nedostatek neomezené víry v cokoli mi nezabrání žít normální život, za použití zcela rozumné pracovní hypotézy, že slunce pravděpodobně nezmizí. přes noc.

To vše mi pomohlo utřídit si vlastní myšlenky o povaze vědy během dlouhých diskusí o základní realitě – či nereálnosti – kvantového světa, a stačilo to k tomu, abych se přesvědčila, že mohu napsat knihu, kterou nyní držíte v rukou. Při práci na něm jsem během svých pravidelných vystoupení ve vědeckém rozhlasovém programu British Forces Broadcasting Corporation, který moderoval Tommy Vance, vyzkoušel mnoho jemnějších argumentů. Tomovy zvídavé otázky rychle odhalily nedokonalosti mé prezentace a s jejich pomocí jsem si mohl lépe uspořádat své nápady. Hlavním zdrojem referenčního materiálu, který jsem použil při psaní knihy, byla knihovna University of Sussex, která obsahuje možná jednu z nejlepších sbírek knih o kvantové teorii na světě, a vzácnější materiály pro mě vybrala Mandy Caplin z časopisu Nový vědec, který mi vytrvale posílal dálnopisné zprávy, zatímco Christina Suttonová opravovala mé mylné představy o fyzice částic a teorii pole. Moje žena mi nejen poskytla neocenitelnou pomoc při recenzování literatury a organizaci materiálu, ale také zmírnila mnohé z hrubých hran. Jsem také vděčný profesoru Rudolfu Pearlsovi za to, že mi podrobně vysvětlil některé složitosti experimentu clock-in-a-box a Einstein-Podolsky-Rosen paradox.

Vše, co je na této knize dobré, je díky: „obtížným“ chemickým textům, jejichž názvy si již nepamatuji, které jsem v šestnácti letech objevil v knihovně okresu Kent; běda „popularizátorům“ kvantových myšlenek, kteří mě přesvědčili, že je dokážu popsat lépe; Malcolm Muggeridge a BBC; Knihovna University of Sussex; Tommy Vance a BFBS; Mandy Caplin a Christina Sutton a hlavně Min. Jakékoli stížnosti týkající se nedostatků, které v této knize stále přetrvávají, by měly být samozřejmě adresovány mně.

John Gribbin

července 1983

Úvod

Pokud byste sečetli všechny knihy a články o teorii relativity napsané pro obyčejné lidi, pravděpodobně by se hromádka dostala na Měsíc. „Každý ví“, že Einsteinova teorie relativity je největším vědeckým úspěchem 20. století a všichni se mýlí. Když se však sečtou všechny knihy a články o kvantové teorii napsané pro obyčejné lidi, bez problémů se mi vejdou na stůl. To neznamená, že kvantová teorie nezazněla mimo zdi akademií. Kvantová mechanika se dokonce stala v určitých odvětvích populární: s její pomocí se snažili vysvětlit telepatii a ohýbání lžiček a čerpali z ní inspiraci pro mnoho sci-fi příběhů. V populární mytologii je kvantová mechanika spojována – pokud vůbec – s okultním a mimosmyslovým vnímáním, tedy zvláštním, esoterickým vědním oborem, kterému nikdo nerozumí a pro který nikdo nenajde praktické uplatnění.

Tato kniha je napsána v protikladu k tomuto vnímání toho, co je v podstatě nejzákladnější a nejdůležitější oblastí vědeckého poznání. Tato kniha vděčí za svůj vznik několika okolnostem, které nastaly v létě 1982. Nejprve jsem právě dočetl knihu o teorii relativity s názvem The Curvatures of Space a rozhodl jsem se, že je čas převzít úkol demystifikovat další velké odvětví vědy dvacátého století. Za druhé, v té době mě stále více rozčilovaly nesprávné myšlenky, které pod názvem kvantová teorie existovaly mezi lidmi daleko od vědy. Vynikající kniha Fridtjofa Capry Tao fyziky dala vzniknout mnoha napodobitelům, kteří nerozuměli fyzice ani tao, ale cítili, že spojením západní vědy s východní filozofií lze vydělat peníze. A konečně v srpnu 1982 přišla z Paříže zpráva, že skupina vědců úspěšně provedla zásadní experiment, který potvrdil – pro ty, kteří stále pochybovali – přesnost kvantově mechanického pohledu na vesmír.

Nic není opravdové

Máte-li zájem o článek na téma z kvantové fyziky, pak je velká pravděpodobnost, že máte rádi televizní seriál „Teorie velkého třesku“. Sheldon Cooper tedy přišel s novou interpretací Schrödingerův myšlenkový experiment(Video s tímto fragmentem najdete na konci článku). Abychom ale pochopili Sheldonův dialog s jeho sousedkou Penny, vraťme se nejprve ke klasickému výkladu. Takže Schrödingerova kočka jednoduchými slovy.

V tomto článku se podíváme na:

Stručné historické pozadí
Popis experimentu se Schrödingerovou kočkou
Řešení paradoxu Schrödingerovy kočky

Okamžitě dobrá zpráva. Během experimentu Schrödingerově kočce se nic nestalo. Protože fyzik Erwin Schrödinger, jeden z tvůrců kvantové mechaniky, provedl pouze myšlenkový experiment.

Než se vrhneme na popis experimentu, udělejme si mini exkurzi do historie.

Na začátku minulého století se vědcům podařilo nahlédnout do mikrosvěta. Navzdory vnější podobnosti modelu „atom-elektron“ s modelem „Slunce-Země“ se ukázalo, že známé newtonovské zákony klasické fyziky v mikrokosmu nefungují. Proto se objevila nová věda – kvantová fyzika a její součást – kvantová mechanika. Všechny mikroskopické objekty mikrosvěta se nazývaly kvanta.

Pozornost! Jedním z postulátů kvantové mechaniky je „superpozice“. Bude nám užitečné pochopit podstatu Schrödingerova experimentu.

„Superpozice“ je schopnost kvanta (může to být elektron, foton, jádro atomu) být ne v jednom, ale v několika stavech současně nebo být v několika bodech prostoru současně. čas, jestli ho nikdo nesleduje

To je pro nás těžké pochopit, protože v našem světě může mít předmět pouze jeden stav, například být živý nebo mrtvý. A může to být jen na jednom konkrétním místě ve vesmíru. Můžete si přečíst o „superpozici“ a úžasných výsledcích experimentů kvantové fyziky V tomto článku.

Zde je jednoduchá ilustrace rozdílu mezi chováním mikro a makro objektů. Umístěte míč do jedné ze 2 krabic. Protože Míč je objektem našeho makrosvěta, řeknete sebevědomě: „Míček leží pouze v jedné z krabic, zatímco druhá je prázdná.“ Pokud místo koule vezmete elektron, pak bude pravdivé tvrzení, že je současně ve 2 krabicích. Tak fungují zákony mikrosvěta. Příklad: Elektron ve skutečnosti neotáčí kolem jádra atomu, ale nachází se současně ve všech bodech koule kolem jádra. Ve fyzice a chemii se tento jev nazývá „elektronový mrak“.

Souhrn. Uvědomili jsme si, že chování velmi malého předmětu a velkého předmětu podléhají různým zákonům. Zákony kvantové fyziky a zákony klasické fyziky, resp.

Neexistuje ale žádná věda, která by popisovala přechod z makrosvěta do mikrosvěta. Erwin Schrödinger tedy popsal svůj myšlenkový experiment právě proto, aby demonstroval neúplnost obecné teorie fyziky. Chtěl, aby Schrödingerův paradox ukázal, že existuje věda k popisu velkých objektů (klasická fyzika) a věda k popisu mikro objektů (kvantová fyzika). Ale není dostatek vědy, která by popisovala přechod od kvantových systémů k makrosystémům.

Popis experimentu se Schrödingerovou kočkou

Erwin Schrödinger popsal v roce 1935 myšlenkový experiment s kočkou. Původní verze popisu experimentu je uvedena na Wikipedii ( Schrödingerova kočka Wikipedie).

Zde je verze popisu experimentu Schrödingerova kočka jednoduchými slovy:

V uzavřené ocelové krabici byla umístěna kočka.
Schrödinger Box obsahuje zařízení s radioaktivním jádrem a jedovatým plynem umístěným v nádobě.
Jádro se může rozpadnout do 1 hodiny nebo ne. Pravděpodobnost rozpadu – 50 %.
Pokud se jádro rozpadne, Geigerův počítač to zaznamená. Relé bude fungovat a kladivo rozbije nádobu s plynem. Schrödingerova kočka zemře.
Pokud ne, Schrödingerova kočka bude naživu.

Podle zákona „superpozice“ kvantové mechaniky je v době, kdy systém nepozorujeme, jádro atomu (a tedy i kočka) ve 2 stavech současně. Jádro je v rozpadlém/nerozpadlém stavu. A kočka je ve stavu, že je zároveň živá/mrtvá.

S jistotou však víme, že pokud je otevřena „Schrödingerova krabice“, může být kočka pouze v jednom ze stavů:

pokud se jádro nerozpadne, naše kočka žije
pokud se jádro rozpadne, kočka je mrtvá

Paradoxem experimentu je to podle kvantové fyziky: před otevřením krabice je kočka živá i mrtvá zároveň, ale podle fyzikálních zákonů našeho světa je to nemožné. Kočka může být v jednom konkrétním stavu – být naživu nebo být mrtvý. Neexistuje žádný smíšený stav „kočka je živá/mrtvá“ současně.

Než dostanete odpověď, podívejte se na toto nádherné video ilustrující paradox experimentu Schrödingerovy kočky (méně než 2 minuty):

Řešení paradoxu Schrödingerovy kočky – kodaňská interpretace

Nyní řešení. Věnujte pozornost zvláštní záhadě kvantové mechaniky - pozorovatelský paradox. Objekt mikrosvěta (v našem případě jádro) je v několika stavech současně pouze když nepozorujeme systém.

Například, slavný experiment se 2 štěrbinami a pozorovatelem. Když byl paprsek elektronů nasměrován na neprůhlednou desku se 2 vertikálními štěrbinami, elektrony namalovaly na stínítko za deskou „vlnový vzor“ – svislé střídající se tmavé a světlé pruhy. Ale když chtěli experimentátoři „vidět“, jak elektrony prolétají štěrbinami, a nainstalovali „pozorovatele“ na stranu obrazovky, elektrony nakreslily na obrazovku nikoli „vlnový vzor“, ale 2 svislé pruhy. Tito. se chovaly ne jako vlny, ale jako částice.

Zdá se, že kvantové částice samy rozhodují o tom, jaký stav by měly zaujmout v okamžiku, kdy jsou „měřeny“.

Na základě toho zní moderní kodaňské vysvětlení (interpretace) fenoménu „Schrödingerova kočka“ takto:

Zatímco nikdo nepozoruje systém „kočičího jádra“, jádro je současně v rozpadlém/nerozpadlém stavu. Je ale omyl tvrdit, že kočka je zároveň živá/mrtvá. Proč? Ano, protože kvantové jevy nejsou v makrosystémech pozorovány. Správnější by bylo hovořit nikoli o systému „cat-core“, ale o systému „core-detector (Geiger counter)“.

Jádro si v okamžiku pozorování (nebo měření) vybere jeden ze stavů (rozpadlý/nerozpadnutý). K této volbě ale nedochází v okamžiku, kdy experimentátor krabičku otevře (k otevření krabičky dochází v makrosvětě, velmi vzdáleném od světa jádra). Jádro volí svůj stav v okamžiku, kdy narazí na detektor. Faktem je, že systém není v experimentu dostatečně popsán.

Kodaňská interpretace paradoxu Schrödingerovy kočky tedy popírá, že do okamžiku otevření krabice byla Schrödingerova kočka ve stavu superpozice – byla zároveň ve stavu živé/mrtvé kočky. Kočka v makrokosmu může existovat a existuje pouze v jednom stavu.

Souhrn. Schrödinger experiment plně nepopsal. Není to správné (přesněji řečeno nemožné propojit) makroskopické a kvantové systémy. Kvantové zákony v našich makrosystémech neplatí. V tomto experimentu neinteraguje „kočičí jádro“, ale „kočičí-detektor-jádro“. Kočka je z makrokosmu a systém „detektor-jádro“ je z mikrokosmu. A pouze ve svém kvantovém světě může být jádro ve dvou stavech současně. K tomu dochází před změřením jádra nebo před interakcí s detektorem. Ale kočka ve svém makrokosmu může existovat a existuje pouze v jednom stavu. Proto, Jen na první pohled se zdá, že stav „živé nebo mrtvé“ kočky je určen v okamžiku otevření krabice. Ve skutečnosti je jeho osud určen v okamžiku, kdy detektor interaguje s jádrem.

Závěrečné shrnutí. Stav systému „detektor-jádro-kočka“ NENÍ spojen s osobou – pozorovatelem krabice, ale s detektorem – pozorovatelem jádra.

Fuj. Můj mozek se málem začal vařit! Ale jak hezké je pochopit řešení paradoxu sami! Jako ve starém studentském vtipu o učiteli: "Když jsem to vyprávěl, pochopil jsem to!"

Sheldonova interpretace paradoxu Schrödingerovy kočky

Nyní se můžete pohodlně usadit a poslouchat Sheldonovu nejnovější interpretaci Schrödingerova myšlenkového experimentu. Podstatou jeho výkladu je, že se dá aplikovat ve vztazích mezi lidmi. Abyste pochopili, zda je vztah mezi mužem a ženou dobrý nebo špatný, musíte otevřít krabici (jít na rande). A předtím byli dobří i špatní zároveň.

No, jak se vám líbí tento „roztomilý experiment“? V dnešní době by Schrödinger za tak brutální myšlenkové experimenty s kočkou dostal od ochránců zvířat velký trest. Nebo to možná nebyla kočka, ale Schrödingerova kočka?! Chudinka, tohohle Schrödingera si vytrpěla dost (((

Uvidíme se v dalších publikacích!

Přeji všem dobrý den a příjemný večer!

P.S. Podělte se o své myšlenky v komentářích. A klást otázky.

P.S. Přihlaste se k odběru blogu - formulář pro odběr se nachází pod článkem.