Kvantefysik kat. John Gribbin - På jagt efter Schrödingers kat. Kvantefysik og virkelighed. Schrödingers teori: beskrivelse

Du har sikkert hørt mere end én gang, at der er sådan et fænomen som "Schrödingers kat". Men hvis du ikke er fysiker, har du højst sandsynligt kun en vag idé om, hvilken slags kat dette er, og hvorfor det er nødvendigt.

« Shroedingers kat“- dette er navnet på det berømte tankeeksperiment af den berømte østrigske teoretiske fysiker Erwin Schrödinger, som også er nobelprismodtager. Ved hjælp af dette fiktive eksperiment ønskede videnskabsmanden at vise kvantemekanikkens ufuldstændighed i overgangen fra subatomare systemer til makroskopiske systemer.

Denne artikel er et forsøg på med enkle ord at forklare essensen af Schrödingers teori om katten og kvantemekanikken, så den er tilgængelig for en person, der ikke har en videregående teknisk uddannelse. Artiklen vil også præsentere forskellige fortolkninger af eksperimentet, herunder dem fra tv-serien "The Big Bang Theory."

Beskrivelse af forsøget

Erwin Schrödingers originale artikel blev offentliggjort i 1935. I den blev eksperimentet beskrevet ved at bruge eller endda personificere:

Du kan også konstruere sager, hvor der er noget af en burlesk. Lad en kat blive låst inde i et stålkammer med følgende djævelske maskine (som skal være uanset kattens indgriben): inde i en geigertæller er der en lillebitte mængde radioaktivt stof, så lille, at kun et atom kan henfalde på en time, men med samme sandsynlighed går det måske ikke i opløsning; hvis dette sker, aflades aflæsningsrøret, og relæet aktiveres, hvorved hammeren udløses, som knækker kolben med blåsyre.

Hvis vi overlader hele dette system til sig selv i en time, så kan vi sige, at katten vil være i live efter dette tidspunkt, så længe atomet ikke går i opløsning. Den allerførste opløsning af atomet ville forgifte katten. psi-funktionen af systemet som helhed vil udtrykke dette ved at blande eller smøre en levende og en død kat (undskyld udtrykket) i lige store dele. Det typiske i sådanne tilfælde er, at usikkerhed, der oprindeligt var begrænset til atomverdenen, omdannes til makroskopisk usikkerhed, som kan elimineres ved direkte observation. Dette forhindrer os i naivt at acceptere "sløringsmodellen" som afspejler virkeligheden. Dette betyder i sig selv ikke noget uklart eller selvmodsigende. Der er forskel på et sløret eller ude af fokus billede og et billede af skyer eller tåge.

Med andre ord:

Der er en boks og en kat. Æsken indeholder en mekanisme indeholdende en radioaktiv atomkerne og en beholder med giftig gas. De eksperimentelle parametre blev valgt således, at sandsynligheden for nukleart henfald på 1 time er 50 %. Hvis kernen går i opløsning, åbner en beholder med gas sig, og katten dør. Hvis kernen ikke henfalder, forbliver katten i live og har det godt.
Vi lukker katten i en boks, venter en time og spørger os selv: er katten levende eller død?
Kvantemekanikken synes at fortælle os, at atomkernen (og derfor katten) er i alle mulige tilstande samtidigt (se kvantesuperposition). Inden vi åbner boksen, er kattekernesystemet i tilstanden "kernen er henfaldet, katten er død" med en sandsynlighed på 50% og i tilstanden "kernen er ikke henfalden, katten er i live" med en sandsynlighed på 50 %. Det viser sig, at katten, der sidder i kassen, både er levende og død på samme tid.
Ifølge den moderne københavnske fortolkning er katten levende/død uden nogen mellemtilstande. Og valget af kernens henfaldstilstand sker ikke i det øjeblik, boksen åbnes, men selv når kernen kommer ind i detektoren. Fordi reduktionen af bølgefunktionen af "cat-detector-nucleus"-systemet ikke er forbundet med den menneskelige observatør af kassen, men er forbundet med detektor-observatøren af kernen.

Forklaring i enkle ord

Ifølge kvantemekanikken, hvis kernen i et atom ikke observeres, er dens tilstand beskrevet af en blanding af to tilstande - en henfalden kerne og en uforfalden kerne, derfor en kat, der sidder i en kasse og personificerer kernen af et atom er både levende og død på samme tid. Hvis kassen åbnes, kan eksperimentatoren kun se én bestemt tilstand - "kernen er forfaldet, katten er død" eller "kernen er ikke forfaldet, katten er i live."

Essensen i det menneskelige sprog: Schrödingers forsøg viste, at fra et kvantemekanisk synspunkt er katten både levende og død, hvilket ikke kan være. Derfor har kvantemekanikken betydelige mangler.

Spørgsmålet er: hvornår ophører et system med at eksistere som en blanding af to stater og vælger én bestemt? Formålet med forsøget er at vise, at kvantemekanikken er ufuldstændig uden nogle regler, der indikerer, under hvilke forhold bølgefunktionen kollapser, og katten enten bliver død eller forbliver i live, men holder op med at være en blanding af begge dele. Da det er klart, at en kat skal være enten levende eller død (der er ingen tilstand mellem liv og død), vil dette være ens for atomkernen. Den skal enten være forfalden eller uforfalden (Wikipedia).

Video fra The Big Bang Theory

En anden nyere fortolkning af Schrödingers tankeeksperiment er en historie, som Big Bang Theory-karakteren Sheldon Cooper fortalte sin mindre uddannede nabo Penny. Pointen med Sheldons historie er, at begrebet Schrödingers kat kan anvendes på menneskelige relationer. For at forstå, hvad der sker mellem en mand og en kvinde, hvilken slags forhold er mellem dem: godt eller dårligt, du skal bare åbne kassen. Indtil da er forholdet både godt og dårligt.

Nedenfor er et videoklip af denne Big Bang Theory-udveksling mellem Sheldon og Penia.

Forblev katten i live som følge af eksperimentet?

For dem, der ikke læste artiklen omhyggeligt, men stadig er bekymrede for katten, gode nyheder: bare rolig, ifølge vores data, som et resultat af et tankeeksperiment af en skør østrigsk fysiker

INGEN KAT BLEV SKADT

Der var en slags "sekundær" kvalitet. Selv beskæftigede han sig sjældent med et specifikt videnskabeligt problem. Hans foretrukne genre af arbejde var svar på en andens videnskabelige forskning, udvikling af dette arbejde eller kritik af det. På trods af at Schrödinger selv var individualist af natur, havde han altid brug for en andens tanke, støtte til det videre arbejde. På trods af denne ejendommelige tilgang lykkedes det Schrödinger at gøre mange opdagelser.

Biografiske oplysninger

Schrödingers teori er nu ikke kun kendt af studerende på fysik- og matematikafdelinger. Det vil være interessant for alle, der interesserer sig for populærvidenskab. Denne teori blev skabt af den berømte fysiker E. Schrödinger, der gik over i historien som en af skaberne af kvantemekanikken. Videnskabsmanden blev født den 12. august 1887 i familien til ejeren af en oliedugsfabrik. Den fremtidige videnskabsmand, berømt over hele verden for sin gåde, var glad for botanik og tegning som barn. Hans første mentor var hans far. I 1906 begyndte Schrödinger sine studier ved universitetet i Wien, hvor han begyndte at beundre fysik. Da Første Verdenskrig kom, gik videnskabsmanden for at tjene som artillerist. I sin fritid studerede han Albert Einsteins teorier.

I begyndelsen af 1927 havde der udviklet sig en dramatisk situation inden for videnskaben. E. Schrödinger mente, at grundlaget for teorien om kvanteprocesser skulle være ideen om bølgekontinuitet. Heisenberg mente tværtimod, at grundlaget for dette vidensfelt skulle være begrebet diskrete bølger såvel som ideen om kvantespring. Niels Bohr takkede ikke ja til nogen af stillingerne.

Fremskridt inden for videnskab

Schrödinger modtog Nobelprisen for sin skabelse af begrebet bølgemekanik i 1933. Men opdraget i traditionerne for klassisk fysik kunne videnskabsmanden ikke tænke i andre kategorier og betragtede ikke kvantemekanik som en fuldgyldig gren af viden. Han kunne ikke være tilfreds med partiklernes dobbelte adfærd, og han forsøgte udelukkende at reducere den til bølgeadfærd. I sin diskussion med N. Bohr udtrykte Schrödinger det på denne måde: "Hvis vi planlægger at bevare disse kvantespring i videnskaben, så fortryder jeg generelt, at jeg forbandt mit liv med atomfysik."

Forskerens videre arbejde

Desuden var Schrödinger ikke kun en af skaberne af moderne kvantemekanik. Det var ham, der var videnskabsmanden, der introducerede udtrykket "beskrivelsens objektivitet" i videnskabelig brug. Dette er videnskabelige teoriers evne til at beskrive virkeligheden uden deltagelse af en observatør. Hans yderligere forskning var helliget relativitetsteorien, termodynamiske processer og ikke-lineær Born-elektrodynamik. Forskere har også gjort flere forsøg på at skabe en samlet feltteori. Derudover talte E. Schrödinger seks sprog.

Den mest berømte gåde

Schrödingers teori, hvor den samme kat optræder, voksede ud af videnskabsmandens kritik af kvanteteorien. Et af dets hovedpostulater siger, at mens systemet ikke bliver observeret, er det i en tilstand af superposition. Nemlig i to eller flere stater, der udelukker hinandens eksistens. Superpositionstilstanden i videnskaben har følgende definition: dette er evnen for et kvante, som også kan være en elektron, foton eller for eksempel kernen af et atom, til samtidigt at være i to tilstande eller endda i to punkter i rummet på et tidspunkt, hvor ingen observerer det.

Objekter i forskellige verdener

Det er meget svært for et almindeligt menneske at forstå en sådan definition. Når alt kommer til alt, kan ethvert objekt i den materielle verden være enten på et punkt i rummet eller på et andet. Dette fænomen kan illustreres som følger. Observatøren tager to kasser og lægger en tennisbold i en af dem. Det vil være klart, at det er i den ene boks og ikke i den anden. Men hvis du putter en elektron i en af beholderne, så vil følgende udsagn være sandt: denne partikel er samtidigt i to kasser, uanset hvor paradoksalt det kan virke. På samme måde er en elektron i et atom ikke placeret på et strengt defineret punkt på et eller andet tidspunkt. Den roterer rundt om kernen, der er placeret på alle punkter i kredsløbet samtidigt. I videnskaben kaldes dette fænomen en "elektronsky".

Hvad ville videnskabsmanden bevise?

Således implementeres små og store genstandes opførsel efter helt andre regler. I kvanteverdenen er der nogle love, og i makroverdenen - helt andre. Der er dog intet koncept, der kan forklare overgangen fra en verden af materielle genstande, som folk kender til, til mikroverdenen. Schrödingers teori blev skabt for at demonstrere utilstrækkeligheden af forskning inden for fysik. Videnskabsmanden ville vise, at der er en videnskab, hvis mål er at beskrive små genstande, og der er et vidensfelt, der studerer almindelige genstande. Stort set takket være videnskabsmandens arbejde blev fysik opdelt i to områder: kvante og klassisk.

Schrödingers teori: beskrivelse

Videnskabsmanden beskrev sit berømte tankeeksperiment i 1935. Ved udførelsen af det støttede Schrödinger sig på princippet om superposition. Schrödinger understregede, at så længe vi ikke observerer fotonen, kan den enten være en partikel eller en bølge; både rød og grøn; både rund og firkantet. Dette usikkerhedsprincip, som direkte følger af begrebet kvantedualisme, blev brugt af Schrödinger i sin berømte gåde om katten. Betydningen af eksperimentet er kort fortalt som følger:

En kat anbringes i en lukket boks, samt en beholder, der indeholder blåsyre og et radioaktivt stof.
Kernen kan gå i opløsning inden for en time. Sandsynligheden for dette er 50%.
Hvis en atomkerne henfalder, vil den blive registreret af en geigertæller. Mekanismen vil fungere, og giftboksen vil blive brudt. Katten vil dø.
Hvis der ikke opstår forfald, vil Schrödingers kat være i live.

Ifølge denne teori, indtil katten er observeret, er den samtidigt i to tilstande (død og levende), ligesom kernen i et atom (henfaldet eller ikke henfaldet). Dette er selvfølgelig kun muligt i henhold til kvanteverdenens love. I makrokosmos kan en kat ikke være både levende og død på samme tid.

Observatørens paradoks

For at forstå essensen af Schrödingers teori er det også nødvendigt at forstå observatørens paradoks. Dens betydning er, at objekter i mikroverdenen kun kan være i to tilstande samtidigt, når de ikke observeres. For eksempel er det såkaldte "Eksperiment med 2 spalter og en observatør" kendt i videnskaben. Forskerne rettede en stråle af elektroner på en uigennemsigtig plade, hvori to lodrette spalter blev lavet. På skærmen bag pladen malede elektronerne et bølgemønster. Med andre ord efterlod de sorte og hvide striber. Da forskerne ville observere, hvordan elektroner fløj gennem spalterne, viste partiklerne kun to lodrette striber på skærmen. De opførte sig som partikler, ikke som bølger.

Københavns forklaring

Den moderne forklaring på Schrödingers teori kaldes københavnerforklaringen. Ud fra iagttagerens paradoks lyder det sådan: så længe ingen observerer kernen af et atom i systemet, er det samtidigt i to tilstande – henfaldet og uforfaldent. Udsagnet om, at en kat er levende og død på samme tid, er dog ekstremt fejlagtig. I makrokosmos observeres jo aldrig de samme fænomener som i mikrokosmos.

Derfor taler vi ikke om "cat-nucleus"-systemet, men om det faktum, at Geiger-tælleren og atomkernen hænger sammen. Kernen kan vælge den ene eller anden tilstand i det øjeblik, hvor målingerne foretages. Dette valg finder dog ikke sted i det øjeblik, hvor forsøgslederen åbner æsken med Schrödingers kat. Faktisk foregår åbningen af kassen i makrokosmos. Med andre ord i et system, der er meget langt fra atomverdenen. Derfor vælger kernen sin tilstand præcis i det øjeblik, den rammer Geigertællerdetektoren. Erwin Schrödinger beskrev således ikke systemet fuldt nok i sit tankeeksperiment.

Generelle konklusioner

Det er således ikke helt korrekt at forbinde makrosystemet med den mikroskopiske verden. I makrokosmos mister kvantelovene deres kraft. Kernen i et atom kan kun være i to tilstande samtidigt i mikrokosmos. Det samme kan ikke siges om katten, da den er et objekt af makrokosmos. Derfor ser det kun ved første øjekast ud til, at katten går fra en superposition til en af tilstandene i det øjeblik, kassen åbnes. I virkeligheden er dens skæbne bestemt i det øjeblik, hvor atomkernen interagerer med detektoren. Konklusionen kan drages som følger: systemets tilstand i Erwin Schrödingers gåde har intet med personen at gøre. Det afhænger ikke af eksperimentatoren, men af detektoren - objektet, der "observerer" kernen.

Fortsættelse af konceptet

Schrödingers teori beskrives med enkle ord som følger: mens observatøren ikke ser på systemet, kan det være i to tilstande samtidigt. Men en anden videnskabsmand, Eugene Wigner, gik videre og besluttede at bringe Schrödingers koncept til et punkt af fuldstændig absurditet. "Undskyld mig!" sagde Wigner, "Hvad nu hvis hans kollega står ved siden af forsøgslederen og ser på katten?" Partneren ved ikke, hvad eksperimentatoren selv så præcis i det øjeblik, han åbnede kassen med katten. Schrödingers kat kommer ud af superposition. Dog ikke for en medobservatør. Først i det øjeblik, hvor kattens skæbne bliver kendt for sidstnævnte, kan dyret endelig kaldes levende eller dødt. Derudover lever milliarder af mennesker på planeten Jorden. Og den endelige dom kan først falde, når resultatet af eksperimentet bliver alle levende væseners ejendom. Selvfølgelig kan du kort fortælle alle mennesker kattens skæbne og Schrödingers teori, men dette er en meget lang og arbejdskrævende proces.

Principperne for kvantedualisme i fysik blev aldrig tilbagevist af Schrödingers tankeeksperiment. I en vis forstand kan ethvert væsen siges at være hverken levende eller dødt (i superposition), så længe der er mindst én person, der ikke observerer det.

Led ikke efter "østlig mystik", skebøjning eller ekstrasensorisk opfattelse her. Søg den sande historie om kvantemekanikken, hvis sandhed er mere fantastisk end nogen fiktion. Dette er videnskab: det behøver ikke outfits fra en anden filosofi, fordi det i sig selv er fuld af skønheder, mysterier og overraskelser. Denne bog forsøger at besvare det specifikke spørgsmål: "Hvad er virkeligheden?" Og svaret (eller svarene) kan overraske dig. Du tror det måske ikke. Men du vil forstå, hvordan moderne videnskab ser på verden.

Intet er ægte

Katten i titlen er et mytisk væsen, men Schrödinger eksisterede virkelig. Erwin Schrödinger var en østrigsk videnskabsmand, der i midten af 1920'erne spillede en stor rolle i at skabe ligningerne for en gren af videnskaben nu kaldet kvantemekanik. Men at sige, at kvantemekanik kun er en gren af videnskaben, er næppe sandt, fordi det ligger til grund for al moderne videnskab. Dens ligninger beskriver adfærden af meget små objekter - på størrelse med atomer og mindre - og repræsenterer Den eneste ting beskrivelse af de mindste partiklers verden. Uden disse ligninger ville fysikere ikke være i stand til at designe fungerende atomkraftværker (eller bomber), skabe lasere eller forklare, hvordan solens temperatur ikke falder. Uden kvantemekanik ville kemien stadig være i den mørke middelalder, og molekylærbiologi ville slet ikke være dukket op: der ville ikke være viden om DNA, ingen genteknologi, ingenting.

Kvanteteori er videnskabens største bedrift, meget mere betydningsfuld og meget mere anvendelig i en direkte, praktisk forstand end relativitetsteorien. Og alligevel kommer hun med nogle mærkelige forudsigelser. Kvantemekanikkens verden er i sandhed så usædvanlig, at selv Albert Einstein fandt den uforståelig og nægtede at acceptere alle konsekvenserne af teorien udledt af Schrödinger og hans kolleger. Som mange andre videnskabsmænd besluttede Einstein, at det var mere bekvemt at tro, at kvantemekanikkens ligninger blot var en slags matematisk trick, der ved et uheld gav en rimelig forklaring på atomare og subatomære partiklers adfærd, men de indeholdt en dybere sandhed, der bedre relaterer sig til vores almindelige virkelighedssans. Kvantemekanikken siger jo, at der ikke er nogen virkelig ting, og vi kan ikke sige noget om tingenes adfærd, når vi ikke observerer dem. Schrödingers mytiske kat havde til formål at tydeliggøre forskellene mellem kvanteverdenen og den almindelige verden.

I kvantemekanikkens verden holder fysikkens love, som vi kender fra den almindelige verden, op med at virke. I stedet er begivenheder styret af sandsynligheder. Et radioaktivt atom kan for eksempel henfalde og for eksempel frigive en elektron, eller det kan det ikke. Du kan udføre et eksperiment ved at forestille dig, at der er præcis halvtreds procents sandsynlighed for, at et af atomerne i en masse radioaktivt stof vil henfalde på et bestemt tidspunkt, og detektoren vil registrere dette henfald, hvis det sker. Schrödinger, lige så oprørt over kvanteteoriens konklusioner som Einstein, forsøgte at demonstrere deres absurditet ved at forestille sig et sådant eksperiment, der fandt sted i et lukket rum eller en kasse indeholdende en levende kat og en flaske gift, og hvis der opstår forfald, vil beholderen med giften går i stykker og katten dør. I den almindelige verden er sandsynligheden for en kats død halvtreds procent, og uden at kigge ind i kassen kan vi roligt kun sige én ting: Katten indeni er enten levende eller død. Men det er her, kvanteverdenens mærkelighed åbenbarer sig. Ifølge teorien ingen Af de to muligheder, der er for det radioaktive stof, og dermed katten, virker det ikke realistisk, medmindre der er observation af, hvad der sker. Atomisk henfald skete ikke og skete ikke, katten døde ikke og døde ikke, indtil vi kigger ind i kassen for at finde ud af, hvad der skete. Teoretikere, der accepterer en ren version af kvantemekanikken, hævder, at katten eksisterer i en eller anden ubestemt tilstand, idet den hverken er levende eller død, indtil en observatør kigger ind i kassen og ser, hvordan situationen er blevet. Intet er virkeligt, medmindre der foretages observation.

Denne idé var hadet af Einstein, såvel som mange andre. "Gud spiller ikke terninger," sagde han med henvisning til teorien om, at verden er bestemt af totaliteten af resultaterne af et i det væsentlige tilfældigt "udvalg" af muligheder på kvanteniveau. Hvad angår uvirkeligheden af Schrödingers kats tilstand, tog Einstein ikke højde for det, og antydede, at der måtte være en dyb "mekanisme", der bestemmer tingenes virkelig fundamentale virkelighed. I mange år forsøgte han at udvikle eksperimenter, der ville hjælpe med at vise denne dybe virkelighed på arbejde, men han døde, før det blev muligt at udføre et sådant eksperiment. Måske var det bedst, at han ikke levede for at se resultatet af den kæde af ræsonnementer, han havde sat i gang.

I sommeren 1982 gennemførte en gruppe videnskabsmænd fra University of Paris-Sud, ledet af Alain Aspé, en række eksperimenter designet til at afsløre den underliggende virkelighed, der definerer den uvirkelige kvanteverden. Denne dybe virkelighed - den grundlæggende mekanisme - fik navnet "skjulte parametre". Essensen af eksperimentet var at observere adfærden af to fotoner, eller lyspartikler, der fløj i modsatte retninger fra en kilde. Eksperimentet er beskrevet i sin helhed i kapitel ti, men overordnet kan det betragtes som et realitetstjek. To fotoner fra samme kilde kan detekteres af to detektorer, som måler en egenskab kaldet polarisering. Ifølge kvanteteorien eksisterer denne egenskab ikke før den er målt. Ifølge ideen om "skjulte parametre" har hver foton en "rigtig" polarisering fra det øjeblik den blev oprettet. Fordi to fotoner udsendes samtidigt, afhænger deres polarisationsværdier af hinanden, men arten af den afhængighed, der faktisk måles, er forskellig i forhold til de to virkelighedssyn.

Resultaterne af dette vigtige eksperiment er klare. Afhængigheden forudsagt af teorien om skjulte parametre blev ikke opdaget, men afhængigheden forudsagt af kvantemekanikken blev det. Desuden, som kvanteteorien forudsagde, havde målinger foretaget på en foton en øjeblikkelig effekt på arten af den anden foton. En eller anden interaktion forbandt fotonerne uløseligt, selvom de spredte sig i forskellige retninger med lysets hastighed, og relativitetsteorien siger, at intet signal kan transmitteres hurtigere end lyset. Eksperimenter har bevist, at der ikke er nogen dyb virkelighed i verden. "Virkelighed" i almindelig forstand er ikke egnet til at tænke over adfærden af de fundamentale partikler, der udgør universet, og disse partikler ser samtidig ud til at være uløseligt forbundet til en eller anden udelelig helhed, hvor hver især ved, hvad der sker med andre.

Jagten på Schrödingers kat er søgen efter kvantevirkelighed. Ud fra denne korte anmeldelse kan det se ud til, at denne søgning ikke blev kronet med succes, da virkeligheden i den sædvanlige betydning af ordet ikke eksisterer i kvanteverdenen. Men historien slutter ikke der, og søgen efter Schrödingers kat kan føre os til en ny forståelse af virkeligheden, der overskrider – og samtidig inkluderer – den konventionelle fortolkning af kvantemekanikken. Søgningen vil dog tage lang tid, og du skal starte med en videnskabsmand, der måske ville være mere bange end Einstein, hvis han havde en chance for at finde ud af de svar, vi nu har givet på de spørgsmål, der plagede ham. Da han studerede lysets natur for tre århundreder siden, havde Isaac Newton sandsynligvis ingen anelse om, at han allerede havde sat foden på stien, der førte til Schrödingers kat.

Del et

Enhver, der ikke er chokeret over kvanteteorien, har ikke forstået det.

Niels Bohr 1885-1962

Kapitel først

Isaac Newton opfandt fysikken, og resten af videnskaben hviler på den. Mens Newton bestemt byggede på andres arbejde, var det hans udgivelse af de tre love om bevægelse og tyngdekraftsteorien for over tre århundreder siden, der satte videnskaben på den vej, der til sidst førte til rumudforskning, lasere, atomenergi, genteknologi, forståelsen af kemi og alt muligt andet. I to århundreder regerede den newtonske fysik (det der nu kaldes "klassisk fysik") videnskabens verden. Revolutionære nye ideer avancerede det tyvende århundredes fysik langt ud over Newton, men uden disse to århundreder med videnskabelig vækst ville disse ideer måske aldrig være dukket op. Denne bog er ikke videnskabens historie: den taler om den nye fysik - kvante, og ikke om de klassiske ideer. Men selv i Newtons arbejde for tre hundrede år siden er der allerede tegn på, at forandring er uundgåelig: de er ikke indeholdt i hans værker om planeternes bevægelser og deres baner, men i hans studier af lysets natur.

John Gribbin

På jagt efter Schrödingers kat. Kvantefysik og virkelighed

Jeg kan ikke lide alt det her, og jeg er ked af, at jeg overhovedet var involveret i det her.

Erwin Schrödinger 1887-1961

Intet er ægte.

John Lennon 1940-1980

PÅ SØG EFTER SCHRÖDINGERS KAT

Kvantefysik og virkelighed

Oversættelse fra engelsk af Z. A. Mamedyarova, E. A. Fomenko

Anerkendelser

Mit bekendtskab med kvanteteori fandt sted for mere end tyve år siden, tilbage i skolen, da jeg opdagede, at teorien om atomets skalstruktur på magisk vis forklarede hele det periodiske system af grundstoffer og næsten al den kemi, som jeg havde kæmpet med i mange kedelige lektioner. Jeg begyndte straks at grave videre, ty til biblioteksbøger, der siges at være "for komplekse" til min begrænsede videnskabelige uddannelse, og bemærkede straks den smukke enkelhed i forklaringen af atomspektret fra kvanteteoriens perspektiv og opdagede for første gang, at det bedste i naturvidenskab er både smukt og enkelt, og det er et faktum, at alt for mange lærere - ved et uheld eller med vilje - gemmer sig for deres elever. Jeg følte mig ligesom helten i romanen "The Search" af C. P. Snow (selvom jeg læste den meget senere), der opdagede det samme:

Jeg lagde mærke til, hvordan blandede tilfældige fakta pludselig faldt på plads... "Men dette er sandheden," sagde jeg til mig selv. - Det er vidunderligt. Og dette er sandheden." (Udgave EN, 1963, s. 27.)

Det var blandt andet på grund af denne indsigt, at jeg besluttede at læse fysik på universitetet. Med tiden blev mine ambitioner realiseret, og jeg blev studerende ved University of Sussex i Brighton. Men dér blev de dybe ideers enkelhed og skønhed overskygget af de mange forskellige detaljer og matematiske metoder til at løse specifikke problemer ved hjælp af kvantemekanikkens ligninger. Anvendelsen af disse ideer til den moderne fysiks verden gav måske omtrent den samme idé om dyb skønhed og sandhed, som pilotering giver Boeing 747 om drageflyvning. Selvom kraften i den oprindelige indsigt forblev den mest betydningsfulde indflydelse på min karriere, ignorerede jeg i lang tid kvanteverdenen og opdagede andre videnskabens glæder.

Gløderne af den tidlige interesse blev genoplivet af en kombination af faktorer. I slutningen af 1970'erne og begyndelsen af 1980'erne begyndte der at dukke bøger og artikler op, som forsøgte, med varierende grad af succes, at forklare den mærkelige kvanteverden for ikke-videnskabelige publikummer. Nogle af de såkaldte "populære tekster" var så uhyrligt langt fra sandheden, at jeg ikke engang kunne forestille mig, at der ville være en læser, der ville forstå videnskabens sandhed og skønhed ved at studere dem, og derfor ville fortælle det som det. er. Samtidig dukkede der information op om en lang række videnskabelige eksperimenter, der beviste virkeligheden af nogle af de mærkeligste aspekter af kvanteteorien, og denne information tvang mig til at gå tilbage til bibliotekerne og genopfriske min forståelse af disse fantastiske ting. Og endelig, en jul, inviterede BBC mig til at optræde i et radioprogram som en slags videnskabelig modstander af Malcolm Muggeridge, der netop havde annonceret sin omvendelse til katolicismen og var hovedgæst i højtiden. Efter at denne store mand havde gjort sin pointe og understreget kristendommens mysterium, vendte han sig mod mig og sagde: "Men her er en, der kender alle svarene - eller hævder at kende dem alle." Tiden var begrænset, og jeg forsøgte at give et anstændigt svar og påpegede, at videnskaben ikke hævder at have alle svarene, og det er religion, ikke videnskab, der udelukkende er afhængig af grænseløs tro og troen på, at sandheden er kendt. "Jeg tror ikke på noget," sagde jeg og begyndte at forklare min holdning, men i det øjeblik sluttede programmet. Hele juleferien mindede venner og bekendte mig om disse ord, og jeg brugte timer på at gentage, at min mangel på ubegrænset tro på noget som helst ikke forhindrede mig i at leve et normalt liv, idet jeg brugte den fuldstændig rimelige arbejdshypotese, at solen næppe ville forsvinde natten over .

Alt dette hjalp mig med at sortere mine egne tanker om naturvidenskabens natur under lange diskussioner om kvanteverdenens grundlæggende virkelighed – eller uvirkelighed – og det var nok til at overbevise mig om, at jeg kunne skrive den bog, du nu har i dine hænder. Mens jeg arbejdede på det, testede jeg mange af de mere subtile argumenter under mine regelmæssige optrædener i British Forces Broadcasting Corporations videnskabsradioprogram, som var vært for Tommy Vance. Toms nysgerrige spørgsmål afslørede hurtigt ufuldkommenhederne i min præsentation, og med deres hjælp var jeg i stand til at organisere mine ideer på en bedre måde. Den vigtigste kilde til referencemateriale, jeg brugte til at skrive bogen, var University of Sussex-biblioteket, som måske indeholder en af de bedste samlinger af bøger om kvanteteori i verden, og mere sjældne materialer blev udvalgt til mig af Mandy Caplin fra magasinet Ny videnskabsmand, som vedholdende sendte mig teletypebeskeder, mens Christina Sutton rettede mine misforståelser om partikelfysik og feltteori. Min kone gav mig ikke kun uvurderlig hjælp til at gennemgå litteraturen og organisere materialet, men blødgjorde også mange af de ru kanter. Jeg er også taknemmelig over for professor Rudolf Pearls for at forklare mig detaljeret nogle af forviklingerne ved ur-i-en-kasse-eksperimentet og Einstein-Podolsky-Rosen-paradokset.

Alt, hvad der er godt ved denne bog, skyldes: "vanskelige" kemitekster, hvis navne jeg ikke længere husker, som jeg opdagede i Kent County Library i en alder af seksten; ve de "popularizers" af kvanteideer, der overbeviste mig om, at jeg kunne beskrive dem bedre; Malcolm Muggeridge og BBC; University of Sussex bibliotek; Tommy Vance og BFBS; Mandy Caplin og Christina Sutton og især Min. Eventuelle klager vedrørende de mangler, der stadig er tilbage i denne bog, skal naturligvis rettes til mig.

John Gribbin

juli 1983

Introduktion

Hvis du skulle lægge alle de bøger og artikler om relativitetsteorien sammen, der er skrevet til almindelige mennesker, ville stakken sandsynligvis nå månen. "Alle ved", at Einsteins relativitetsteori er den største videnskabelige bedrift i det 20. århundrede, og alle tager fejl. Men hvis du lægger alle bøger og artikler om kvanteteori skrevet til almindelige mennesker sammen, vil de nemt passe på mit skrivebord. Det betyder ikke, at kvanteteorien ikke er blevet hørt uden for akademiernes mure. Kvantemekanik blev endda populær i visse sektorer: med dens hjælp forsøgte de at forklare telepati og bøje skeer, og de hentede inspiration fra det til mange science fiction-historier. I populær mytologi forbindes kvantemekanikken - hvis overhovedet - med den okkulte og ekstrasensoriske perception, det vil sige en mærkelig, esoterisk gren af videnskaben, som ingen forstår, og som ingen kan finde praktisk anvendelse til.

Denne bog er skrevet i modsætning til denne opfattelse af, hvad der i bund og grund er det mest grundlæggende og vigtige område af videnskabelig viden. Denne bog skylder sin oprindelse til flere omstændigheder, der opstod i sommeren 1982. Først har jeg lige læst en bog om relativitetsteorien kaldet The Curvatures of Space og besluttede, at det var tid til at påtage mig opgaven med at afmystificere den anden store gren af det tyvende århundredes videnskab. For det andet blev jeg på det tidspunkt mere og mere irriteret over de forkerte ideer, der eksisterede under navnet kvanteteori blandt mennesker langt fra videnskaben. Fridtjof Capras fremragende bog Fysikkens Tao gav anledning til mange efterlignere, som hverken forstod fysik eller Tao, men mente, at der kunne tjenes penge ved at forbinde vestlig videnskab med østlig filosofi. Og endelig, i august 1982, kom nyheden fra Paris om, at en gruppe videnskabsmænd med succes havde udført et afgørende eksperiment, der bekræftede – for dem der stadig tvivlede – nøjagtigheden af det kvantemekaniske syn på universet.

Intet er ægte

Hvis du er interesseret i en artikel om et emne fra kvantefysikken, så er der stor sandsynlighed for, at du elsker tv-serien "The Big Bang Theory". Så Sheldon Cooper kom med en ny fortolkning Schrödingers tankeeksperiment(Du finder en video med dette fragment i slutningen af artiklen). Men for at forstå Sheldons dialog med sin nabo Penny, lad os først vende os til den klassiske fortolkning. Altså Schrödingers kat med enkle ord.

I denne artikel vil vi se på:

Kort historisk baggrund
Beskrivelse af forsøget med Schrödingers kat
Løsningen på Schrödingers Kat-paradokset

Umiddelbart gode nyheder. Under forsøget Schrödingers kat kom ikke til skade. Fordi fysikeren Erwin Schrödinger, en af skaberne af kvantemekanikken, kun udførte et tankeeksperiment.

Før vi dykker ned i beskrivelsen af eksperimentet, lad os lave en miniudflugt i historien.

I begyndelsen af forrige århundrede lykkedes det forskerne at se ind i mikroverdenen. På trods af den ydre lighed mellem "atom-elektron"-modellen og "Sun-Earth"-modellen, viste det sig, at de velkendte newtonske love for klassisk fysik ikke fungerer i mikrokosmos. Derfor dukkede en ny videnskab op - kvantefysik og dens komponent - kvantemekanik. Alle mikroskopiske objekter i mikroverdenen blev kaldt kvanter.

Opmærksomhed! Et af kvantemekanikkens postulater er "superposition". Det vil være nyttigt for os at forstå essensen af Schrödingers eksperiment.

"Superposition" er evnen for et kvante (det kan være en elektron, en foton, kernen af et atom) til ikke at være i én, men i flere tilstande på samme tid eller at være i flere punkter i rummet på samme tid tid, hvis ingen ser ham

Dette er svært for os at forstå, for i vores verden kan et objekt kun have én tilstand, for eksempel at være enten levende eller død. Og det kan kun være ét bestemt sted i rummet. Du kan læse om "superposition" og de fantastiske resultater af kvantefysiske eksperimenter I denne artikel.

Her er en simpel illustration af forskellen mellem mikro- og makroobjekters opførsel. Læg en kugle i en af de 2 æsker. Fordi bolden er et objekt i vores makroverden, vil du med selvtillid sige: "Kuglen ligger kun i en af kasserne, mens den anden er tom." Hvis du i stedet for en bold tager en elektron, så vil udsagnet om, at det er i 2 kasser samtidigt være sandt. Sådan fungerer mikroverdenens love. Eksempel: Elektronen roterer i virkeligheden ikke rundt om kernen af et atom, men er placeret på alle punkter af kuglen rundt om kernen samtidigt. I fysik og kemi kaldes dette fænomen for "elektronskyen".

Resumé. Vi indså, at adfærden af en meget lille genstand og en stor genstand er underlagt forskellige love. Kvantefysikkens love og den klassiske fysiks love.

Men der er ingen videnskab, der vil beskrive overgangen fra makroverdenen til mikroverdenen. Så Erwin Schrödinger beskrev sit tankeeksperiment netop for at demonstrere ufuldstændigheden af den generelle fysikteori. Han ønskede, at Schrödingers paradoks skulle vise, at der er en videnskab til at beskrive store objekter (klassisk fysik) og en videnskab til at beskrive mikroobjekter (kvantefysik). Men der er ikke nok videnskab til at beskrive overgangen fra kvantesystemer til makrosystemer.

Beskrivelse af forsøget med Schrödingers kat

Erwin Schrödinger beskrev et tankeeksperiment med en kat i 1935. Den originale version af eksperimentbeskrivelsen er præsenteret på Wikipedia ( Schrödingers kat Wikipedia).

Her er en version af beskrivelsen af Schrödingers Kat-eksperimentet i enkle ord:

En kat blev anbragt i en lukket stålkasse.
Schrödinger Box indeholder en enhed med en radioaktiv kerne og giftig gas placeret i en beholder.
Kernen kan henfalde inden for 1 time eller ej. Sandsynlighed for henfald – 50%.
Hvis kernen henfalder, vil geigertælleren registrere dette. Relæet vil fungere, og hammeren vil knække gasbeholderen. Schrödingers kat vil dø.
Hvis ikke, så vil Schrödingers kat være i live.

Ifølge kvantemekanikkens "superposition"-lov, på et tidspunkt, hvor vi ikke observerer systemet, er kernen af et atom (og derfor katten) i 2 tilstande samtidigt. Kernen er i en henfalden/uforfalden tilstand. Og katten er i en tilstand af at være levende/død på samme tid.

Men vi ved med sikkerhed, at hvis "Schrödinger-boksen" åbnes, så kan katten kun være i en af staterne:

hvis kernen ikke forfalder, er vores kat i live
hvis kernen henfalder, er katten død

Det paradoksale ved eksperimentet er det ifølge kvantefysik: før åbning af kassen er katten både levende og død på samme tid, men ifølge fysikkens love i vores verden er dette umuligt. Kat kan være i én bestemt tilstand - at være i live eller være død. Der er ingen blandet tilstand "katten er levende/død" på samme tid.

Før du får svaret, kan du se denne vidunderlige videoillustration af paradokset ved Schrödingers katteeksperiment (mindre end 2 minutter):

Løsningen på Schrödingers Kat-paradokset - københavnerfortolkningen

Nu er løsningen. Vær opmærksom på kvantemekanikkens særlige mysterium - observatør paradoks. Et objekt i mikroverdenen (i vores tilfælde kernen) er i flere tilstande samtidigt kun mens vi ikke observerer systemet.

For eksempel, det berømte eksperiment med 2 spalter og en observatør. Når en stråle af elektroner blev rettet mod en uigennemsigtig plade med 2 lodrette spalter, malede elektronerne et "bølgemønster" på skærmen bag pladen - lodrette skiftende mørke og lyse striber. Men da forsøgslederne ville "se", hvordan elektroner flyver gennem spalterne og installerede en "observatør" på siden af skærmen, tegnede elektronerne ikke et "bølgemønster" på skærmen, men 2 lodrette striber. De der. opførte sig ikke som bølger, men som partikler.

Det ser ud til, at kvantepartikler selv bestemmer, hvilken tilstand de skal indtage i det øjeblik, hvor de "måles".

Baseret på dette lyder den moderne københavnske forklaring (fortolkning) af fænomenet "Schrödingers kat" således:

Mens ingen observerer "kattekernen"-systemet, er kernen i en forfalden/uforfalden tilstand på samme tid. Men det er en fejl at sige, at katten er levende/død på samme tid. Hvorfor? Ja, fordi kvantefænomener ikke observeres i makrosystemer. Det ville være mere korrekt ikke at tale om "cat-core"-systemet, men om "core-detector (Geiger counter)"-systemet.

Kernen vælger en af tilstandene (henfaldet/uforfaldet) i observationsøjeblikket (eller måling). Men dette valg sker ikke i det øjeblik, hvor eksperimentatoren åbner kassen (åbningen af kassen sker i makroverdenen, meget langt fra kernens verden). Kernen vælger sin tilstand i det øjeblik, den rammer detektoren. Faktum er, at systemet ikke er beskrevet nok i forsøget.

Den københavnske fortolkning af Schrödingers Kat-paradokset afviser således, at indtil det øjeblik, hvor kassen blev åbnet, var Schrödingers Kat i en tilstand af superposition - den var samtidig i tilstanden af en levende/død kat. En kat i makrokosmos kan og eksisterer kun i én tilstand.

Resumé. Schrödinger beskrev ikke eksperimentet fuldt ud. Det er ikke korrekt (mere præcist er det umuligt at forbinde) makroskopiske og kvantesystemer. Kvantelove gælder ikke i vores makrosystemer. I dette eksperiment er det ikke "cat-core", der interagerer, men "cat-detector-core". Katten er fra makrokosmos, og "detektor-kerne"-systemet er fra mikrokosmos. Og kun i sin kvanteverden kan en kerne være i to tilstande på samme tid. Dette sker før kernen måles eller interagerer med detektoren. Men en kat i sit makrokosmos kan og eksisterer kun i én tilstand. Derfor, Det er kun ved første øjekast, at det ser ud til, at kattens "levende eller døde" tilstand bestemmes i det øjeblik, kassen åbnes. Faktisk bestemmes dens skæbne i det øjeblik, hvor detektoren interagerer med kernen.

Endelig opsummering. Tilstanden af "detektor-kerne-kat" systemet er IKKE forbundet med personen - observatøren af kassen, men med detektoren - observatøren af kernen.

Pyha. Min hjerne begyndte næsten at koge! Men hvor er det rart selv at forstå løsningen på paradokset! Som i den gamle elev-joke om læreren: "Mens jeg fortalte det, forstod jeg det selv!"

Sheldons fortolkning af Schrödingers Katteparadoks

Nu kan du læne dig tilbage og lytte til Sheldons seneste fortolkning af Schrödingers tankeeksperiment. Essensen af hans fortolkning er, at den kan anvendes i relationer mellem mennesker. For at forstå, om et forhold mellem en mand og en kvinde er godt eller dårligt, skal du åbne boksen (gå på date). Og før det var de både gode og dårlige på samme tid.

Nå, hvordan kan du lide dette "søde eksperiment"? Nu om dage ville Schrödinger få en masse straf af dyrerettighedsaktivister for sådanne brutale tankeeksperimenter med en kat. Eller måske var det ikke en kat, men Schrödingers kat?! Stakkels pige, hun led nok af denne Schrödinger (((

Vi ses i de næste publikationer!

Jeg ønsker alle en god dag og en hyggelig aften!

P.S. Del dine tanker i kommentarerne. Og stille spørgsmål.

P.S. Abonner på bloggen – tilmeldingsformularen findes under artiklen.