Kvantinės fizikos katė. Johnas Gribbinas – Ieškant Šriodingerio katės. Kvantinė fizika ir realybė. Schrödingerio teorija: aprašymas

Tikrai ne kartą girdėjote, kad egzistuoja toks reiškinys kaip „Schrödingerio katė“. Bet jei nesate fizikas, greičiausiai turite tik miglotą supratimą apie tai, kokia tai katė ir kodėl ji reikalinga.

« Šrodingerio katė“ – taip vadinasi garsaus austrų fiziko teorinio Erwino Schrödingerio, kuris taip pat yra Nobelio premijos laureatas, minties eksperimentas. Šio fiktyvaus eksperimento pagalba mokslininkas norėjo parodyti kvantinės mechanikos neužbaigtumą pereinant nuo subatominių sistemų prie makroskopinių sistemų.

Šis straipsnis yra bandymas paprastais žodžiais paaiškinti Schrödingerio teorijos apie katę ir kvantinę mechaniką esmę, kad ji būtų prieinama asmeniui, neturinčiam aukštojo techninio išsilavinimo. Straipsnyje taip pat bus pateiktos įvairios eksperimento interpretacijos, įskaitant tas, kurios iš TV serialo „Didžiojo sprogimo teorija“.

Eksperimento aprašymas

Originalus Erwino Schrödingerio straipsnis buvo paskelbtas 1935 m. Jame eksperimentas buvo aprašytas naudojant ar net personifikuojant:

Taip pat galite statyti atvejus, kuriuose yra gana burleska. Leiskite katę užrakinti plieninėje kameroje su tokia velniška mašina (kuri turėtų būti, nepaisant katės įsikišimo): Geigerio skaitiklio viduje yra nedidelis radioaktyviosios medžiagos kiekis, toks mažas, kad per valandą gali suirti tik vienas atomas, bet su ta pačia tikimybe gali nesuirti; jei taip atsitiks, skaitymo vamzdelis išsikrauna ir įjungiama relė, atleidžiamas plaktukas, kuris sulaužo kolbą vandenilio cianido rūgštimi.

Jei visą šią sistemą paliksime sau valandai, tada galime sakyti, kad po šio laiko katė bus gyva, jei tik atomas nesuirs. Pirmasis atominis skilimas apnuodys katę. Sistemos kaip visumos psi funkcija tai išreikš sumaišydama arba sutepdama gyvą ir negyvą katę (atleiskite už posakį) lygiomis dalimis. Tokiais atvejais būdinga tai, kad neapibrėžtumas, iš pradžių apsiribojęs atominiu pasauliu, paverčiamas makroskopiniu neapibrėžtumu, kurį galima pašalinti tiesioginiu stebėjimu. Tai neleidžia mums naiviai priimti „neryškaus modelio“ kaip tikrovės atspindžio. Tai savaime nereiškia nieko neaiškaus ar prieštaringo. Yra skirtumas tarp neryškios arba nefokusuotos nuotraukos ir debesų ar rūko nuotraukos.

Kitaip tariant:

Yra dėžė ir katė. Dėžutėje yra mechanizmas, kuriame yra radioaktyvus atomo branduolys ir nuodingų dujų talpykla. Eksperimentiniai parametrai parinkti taip, kad branduolio skilimo per 1 valandą tikimybė būtų 50%. Jei branduolys suyra, atsidaro dujų talpa ir katė miršta. Jei branduolys nesuyra, katė lieka gyva ir sveika.
Sudarome katę į dėžutę, palaukiame valandą ir užduodame klausimą: katė gyva ar mirusi?
Atrodo, kad kvantinė mechanika mums sako, kad atomo branduolys (taigi ir katė) yra visose įmanomose būsenose vienu metu (žr. kvantinę superpoziciją). Prieš atidarant dėžutę, katės šerdies sistema yra būsenoje „branduolys suiro, katė negyva“ su 50% tikimybe, o būsena „branduolys nesuiręs, katė gyva“ tikimybe 50%. Pasirodo, dėžėje sėdinti katė yra ir gyva, ir mirusi vienu metu.
Pagal šiuolaikinę Kopenhagos interpretaciją, katė yra gyva/negyva be jokių tarpinių būsenų. Ir branduolio skilimo būsenos pasirinkimas įvyksta ne dėžutės atidarymo momentu, o net tada, kai branduolys patenka į detektorių. Nes sistemos „katė-detektorius-branduolys“ banginės funkcijos sumažinimas nėra siejamas su žmogaus dėžės stebėtoju, o su branduolio detektoriumi-stebėtoju.

Paaiškinimas paprastais žodžiais

Remiantis kvantine mechanika, jei atomo branduolys nepastebimas, tai jo būsena apibūdinama dviejų būsenų mišiniu - suirusio branduolio ir nesuirusio branduolio, todėl katė sėdi dėžėje ir personifikuoja atomo branduolį. yra ir gyvas, ir miręs vienu metu. Jei dėžutė atidaroma, eksperimentatorius gali matyti tik vieną konkrečią būseną - „branduolys suiro, katė negyva“ arba „branduolys nesuiręs, katė gyva“.

Esmė žmonių kalba: Schrödingerio eksperimentas parodė, kad kvantinės mechanikos požiūriu katė yra ir gyva, ir mirusi, o tai negali būti. Todėl kvantinė mechanika turi didelių trūkumų.

Kyla klausimas: kada sistema nustoja egzistuoti kaip dviejų būsenų mišinys ir pasirenka vieną konkrečią? Eksperimento tikslas – parodyti, kad kvantinė mechanika yra neišsami be tam tikrų taisyklių, nurodančių, kokiomis sąlygomis banginė funkcija žlunga, ir katė arba miršta, arba lieka gyva, bet nustoja būti abiejų mišiniu. Kadangi aišku, kad katė turi būti arba gyva, arba negyva (nėra tarpinės būsenos tarp gyvybės ir mirties), tai panašiai bus ir su atominiu branduoliu. Jis turi būti sugedęs arba nesuiręs (Wikipedia).

Vaizdo įrašas iš Didžiojo sprogimo teorijos

Kita naujesnė Schrödingerio minties eksperimento interpretacija yra istorija, kurią Didžiojo sprogimo teorijos veikėjas Sheldonas Cooperis papasakojo savo mažiau išsilavinusiam kaimynui Penny. Sheldono istorijos esmė ta, kad Schrödingerio katės koncepciją galima pritaikyti žmonių santykiams. Norint suprasti, kas vyksta tarp vyro ir moters, kokie santykiai tarp jų: geri ar blogi, tereikia atidaryti dėžutę. Iki tol santykiai yra ir geri, ir blogi.

Žemiau yra vaizdo klipas apie šio Didžiojo sprogimo teorijos mainus tarp Sheldon ir Penia.

Ar katė liko gyva dėl eksperimento?

Tiems, kurie neperskaitė straipsnio atidžiai, bet vis tiek nerimauja dėl katės, gera žinia: mūsų duomenimis, nesijaudinkite dėl pamišusio austrų fiziko minties eksperimento

NĖRA KATINĖ NESUŽEIDĖTA

Buvo savotiška „antrinė“ kokybė. Jis pats retai sprendė konkrečią mokslinę problemą. Mėgstamiausias jo kūrybos žanras buvo atsakas į kažkieno mokslinius tyrimus, šio kūrinio plėtojimas ar kritika. Nepaisant to, kad pats Schrödingeris iš prigimties buvo individualistas, jam visada reikėjo kažkieno minties, paramos tolimesniam darbui. Nepaisant šio savotiško požiūrio, Schrödingeris sugebėjo padaryti daug atradimų.

Biografinė informacija

Šriodingerio teorija dabar žinoma ne tik fizikos ir matematikos katedrų studentams. Tai bus įdomu visiems, kurie domisi populiariuoju mokslu. Šią teoriją sukūrė garsus fizikas E. Schrödingeris, į istoriją įėjęs kaip vienas iš kvantinės mechanikos kūrėjų. Mokslininkas gimė 1887 metų rugpjūčio 12 dieną alyvos fabriko savininko šeimoje. Būsimasis mokslininkas, visame pasaulyje išgarsėjęs savo mįsle, vaikystėje mėgo botaniką ir piešimą. Pirmasis jo mentorius buvo tėvas. 1906 metais Schrödingeris pradėjo studijas Vienos universitete, per kurias pradėjo žavėtis fizika. Atėjus Pirmajam pasauliniam karui, mokslininkas išvyko tarnauti artileristu. Laisvalaikiu studijavo Alberto Einšteino teorijas.

Iki 1927 m. pradžios moksle susidarė dramatiška padėtis. E. Schrödingeris manė, kad kvantinių procesų teorijos pagrindas turėtų būti bangų tęstinumo idėja. Heisenbergas, priešingai, manė, kad šios žinių srities pagrindas turėtų būti bangų diskretiškumo samprata, taip pat kvantinių šuolių idėja. Nielsas Bohras nepriėmė nė vienos pozicijos.

Mokslo pažanga

Schrödingeris gavo Nobelio premiją už bangų mechanikos koncepcijos sukūrimą 1933 m. Tačiau užaugintas klasikinės fizikos tradicijų, mokslininkas negalėjo mąstyti kitomis kategorijomis ir nelaikė kvantinės mechanikos visaverte žinių šaka. Jis negalėjo būti patenkintas dvigubu dalelių elgesiu ir bandė jį redukuoti tik į bangų elgesį. Diskusijoje su N. Bohru Schrödingeris tai pasakė taip: „Jei planuojame išsaugoti šiuos kvantinius šuolius moksle, tai apskritai apgailestauju, kad savo gyvenimą susiejau su atomų fizika“.

Tolesnis tyrėjo darbas

Be to, Schrödingeris buvo ne tik vienas iš šiuolaikinės kvantinės mechanikos kūrėjų. Būtent jis buvo mokslininkas, įvedęs terminą „apibūdinimo objektyvumas“. Tai yra mokslinių teorijų gebėjimas apibūdinti tikrovę nedalyvaujant stebėtojui. Tolimesni jo tyrimai buvo skirti reliatyvumo teorijai, termodinaminiams procesams ir netiesinei Borno elektrodinamikai. Mokslininkai taip pat keletą kartų bandė sukurti vieningą lauko teoriją. Be to, E. Schrödingeris mokėjo šešias kalbas.

Garsiausia mįslė

Schrödingerio teorija, kurioje pasirodo ta pati katė, išaugo iš mokslininko kritikos kvantinei teorijai. Vienas iš pagrindinių jos postulatų teigia, kad nors sistema nėra stebima, ji yra superpozicijos būsenoje. Būtent dviejose ar daugiau būsenų, kurios atmeta viena kitos egzistavimą. Superpozicijos būsena moksle apibrėžiama taip: tai kvanto, kuris taip pat gali būti elektronas, fotonas arba, pavyzdžiui, atomo branduolys, gebėjimas vienu metu būti dviejose būsenose arba net dviejuose taškuose. erdvėje tuo metu, kai niekas jo nestebi.

Objektai skirtinguose pasauliuose

Paprastam žmogui labai sunku suprasti tokį apibrėžimą. Juk kiekvienas materialaus pasaulio objektas gali būti arba viename erdvės taške, arba kitame. Šį reiškinį galima iliustruoti taip. Stebėtojas paima dvi dėžes ir į vieną iš jų įdeda teniso kamuoliuką. Bus aišku, kad vienoje dėžutėje yra, o kitoje – ne. Bet jei į vieną iš talpyklų įdėsite elektroną, bus teisingas toks teiginys: ši dalelė vienu metu yra dviejose dėžėse, kad ir kaip paradoksaliai tai atrodytų. Lygiai taip pat elektronas atome vienu ar kitu metu nėra griežtai apibrėžtame taške. Jis sukasi aplink šerdį, esančią visuose orbitos taškuose vienu metu. Moksle šis reiškinys vadinamas „elektronų debesimi“.

Ką mokslininkas norėjo įrodyti?

Taigi mažų ir didelių objektų elgesys įgyvendinamas pagal visiškai skirtingas taisykles. Kvantiniame pasaulyje galioja vieni dėsniai, o makropasaulyje – visai kiti. Tačiau nėra koncepcijos, kuri paaiškintų perėjimą iš žmonėms pažįstamo materialių objektų pasaulio į mikropasaulį. Schrödingerio teorija buvo sukurta siekiant parodyti tyrimų fizikos srityje nepakankamumą. Mokslininkas norėjo parodyti, kad yra mokslas, kurio tikslas yra apibūdinti mažus objektus, ir yra žinių sritis, tirianti paprastus objektus. Daugiausia mokslininko darbo dėka fizika buvo padalinta į dvi sritis: kvantinę ir klasikinę.

Schrödingerio teorija: aprašymas

Savo garsųjį minties eksperimentą mokslininkas aprašė 1935 m. Ją vykdydamas Schrödingeris rėmėsi superpozicijos principu. Schrödingeris pabrėžė, kad kol mes nestebime fotono, jis gali būti arba dalelė, arba banga; tiek raudona, tiek žalia; tiek apvalios, tiek kvadratinės. Šį neapibrėžtumo principą, kuris tiesiogiai išplaukia iš kvantinio dualizmo sampratos, Schrödingeris panaudojo savo garsiojoje mįslėje apie katę. Eksperimento prasmė trumpai yra tokia:

Katė dedama į uždarą dėžę, taip pat talpyklą, kurioje yra vandenilio cianido rūgšties ir radioaktyvios medžiagos.
Branduolys gali suirti per valandą. To tikimybė yra 50%.
Jei atomo branduolys suyra, jį užfiksuos Geigerio skaitiklis. Mechanizmas veiks, ir nuodų dėžutė bus sulaužyta. Katė mirs.
Jei irimas neįvyks, tada Schrödingerio katė bus gyva.

Pagal šią teoriją, kol katė nepastebima, ji vienu metu yra dviejose būsenose (gyva ir mirusi), kaip ir atomo branduolys (suiręs arba nesuiręs). Žinoma, tai įmanoma tik pagal kvantinio pasaulio dėsnius. Makrokosme katė negali vienu metu būti ir gyva, ir mirusi.

Stebėtojo paradoksas

Norint suprasti Schrödingerio teorijos esmę, būtina suprasti ir stebėtojo paradoksą. Jo prasmė ta, kad mikropasaulio objektai vienu metu gali būti dviejose būsenose tik tada, kai jie nėra stebimi. Pavyzdžiui, moksle žinomas vadinamasis „Eksperimentas su 2 plyšiais ir stebėtoju“. Mokslininkai nukreipė elektronų spindulį ant nepermatomos plokštės, kurioje buvo padaryti du vertikalūs plyšiai. Už plokštės esančiame ekrane elektronai nupiešė bangų raštą. Kitaip tariant, jie paliko juodas ir baltas juosteles. Kai mokslininkai norėjo stebėti, kaip elektronai praskrieja pro plyšius, dalelės ekrane rodė tik dvi vertikalias juosteles. Jie elgėsi kaip dalelės, o ne kaip bangos.

Kopenhagos paaiškinimas

Šiuolaikinis Schrödingerio teorijos paaiškinimas vadinamas Kopenhagos. Remiantis stebėtojo paradoksu, tai skamba taip: kol niekas nestebi sistemoje esančio atomo branduolio, jis vienu metu yra dviejų būsenų – suirusio ir nesuirusio. Tačiau teiginys, kad katė yra gyva ir mirusi vienu metu, yra itin klaidingas. Juk makrokosmose niekada nepastebimi tie patys reiškiniai kaip mikrokosmose.

Todėl kalbame ne apie „katės-branduolio“ sistemą, o apie tai, kad Geigerio skaitiklis ir atomo branduolys yra tarpusavyje susiję. Branduolys gali pasirinkti vieną ar kitą būseną tuo metu, kai atliekami matavimai. Tačiau toks pasirinkimas neįvyksta tuo metu, kai eksperimentatorius atidaro dėžutę su Schrödingerio kate. Tiesą sakant, dėžutės atidarymas vyksta makrokosme. Kitaip tariant, sistemoje, kuri yra labai toli nuo atominio pasaulio. Todėl branduolys savo būseną pasirenka būtent tuo momentu, kai atsitrenkia į Geigerio skaitiklio detektorių. Taigi Erwinas Schrödingeris savo minties eksperimente nepakankamai išsamiai apibūdino sistemą.

Bendrosios išvados

Taigi ne visai teisinga makrosistemą sieti su mikroskopiniu pasauliu. Makrokosme kvantiniai dėsniai praranda savo jėgą. Atomo branduolys vienu metu gali būti dviejose būsenose tik mikrokosme. To negalima pasakyti apie katę, nes ji yra makrokosmoso objektas. Todėl tik iš pirmo žvilgsnio atrodo, kad katė iš superpozicijos pereina į vieną iš būsenų tuo momentu, kai atidaroma dėžė. Realiai jo likimas nulemtas tuo momentu, kai atomo branduolys sąveikauja su detektoriumi. Išvadą galima padaryti taip: sistemos būsena Erwino Schrödingerio mįslėje neturi nieko bendra su asmeniu. Tai priklauso ne nuo eksperimentatoriaus, o nuo detektoriaus - objekto, kuris „stebi“ branduolį.

Koncepcijos tęsinys

Schrödingerio teorija paprastais žodžiais apibūdinama taip: kol stebėtojas nežiūri į sistemą, ji vienu metu gali būti dviejose būsenose. Tačiau kitas mokslininkas Eugenijus Wigneris nuėjo toliau ir nusprendė Schrödingerio koncepciją privesti iki visiško absurdo. „Atsiprašau!“ – tarė Wigner, „o jei jo kolega stovi šalia eksperimentuotojo ir stebi katę? Partneris nežino, ką tiksliai matė pats eksperimentatorius tuo metu, kai atidarė dėžutę su kate. Šriodingerio katė išnyra iš superpozicijos. Tačiau ne kolegai stebėtojui. Tik tą akimirką, kai pastarasis sužinos katės likimą, gyvūnas gali būti galutinai pavadintas gyvu arba negyvu. Be to, Žemės planetoje gyvena milijardai žmonių. O galutinis verdiktas gali būti priimtas tik tada, kai eksperimento rezultatas taps visų gyvų būtybių nuosavybe. Žinoma, galima visiems žmonėms trumpai papasakoti apie katės likimą ir Šriodingerio teoriją, tačiau tai labai ilgas ir daug darbo reikalaujantis procesas.

Kvantinio dualizmo principų fizikoje niekada nepaneigė Schrödingerio minties eksperimentas. Tam tikra prasme apie kiekvieną būtybę galima sakyti, kad ji nėra nei gyva, nei mirusi (superpozicijoje), kol yra bent vienas jos nestebintis žmogus.

Neieškokite čia „rytų mistikos“, šaukšto lenkimo ar ekstrasensorinio suvokimo. Ieškokite tikros kvantinės mechanikos istorijos, kurios tiesa yra nuostabesnė už bet kokią fikciją. Tai yra mokslas: jam nereikia aprangos iš kitos filosofijos, nes jis pats yra pilnas grožybių, paslapčių ir netikėtumų. Ši knyga bando atsakyti į konkretų klausimą: „Kas yra tikrovė? Ir atsakymas (ar atsakymai) gali jus nustebinti. Gali nepatikėti. Bet jūs suprasite, kaip šiuolaikinis mokslas žiūri į pasaulį.

Niekas nėra tikra

Pavadinime nurodyta katė yra mitinė būtybė, tačiau Schrödingeris tikrai egzistavo. Erwinas Schrödingeris buvo austrų mokslininkas, kuris XX a. 20-ųjų viduryje atliko svarbų vaidmenį kuriant mokslo šakos, dabar vadinamos kvantine mechanika, lygtis. Tačiau teiginys, kad kvantinė mechanika yra tik mokslo šaka, vargu ar yra tiesa, nes juo grindžiamas visas šiuolaikinis mokslas. Jo lygtys apibūdina labai mažų objektų – atomų dydžio ir mažesnių – elgesį ir vaizduoja vienintelis dalykas mažiausių dalelių pasaulio aprašymas. Be šių lygčių fizikai negalėtų suprojektuoti veikiančių atominių elektrinių (ar bombų), sukurti lazerių ar paaiškinti, kaip Saulės temperatūra nemažėja. Be kvantinės mechanikos chemija vis dar būtų tamsiaisiais amžiais, o molekulinė biologija iš viso nebūtų atsiradusi: nebūtų nei DNR žinių, nei genų inžinerijos, nei nieko.

Kvantinė teorija yra didžiausias mokslo laimėjimas, daug reikšmingesnis ir daug labiau pritaikomas tiesiogine, praktine prasme nei reliatyvumo teorija. Ir vis dėlto ji daro keistas prognozes. Kvantinės mechanikos pasaulis iš tiesų yra toks neįprastas, kad net Albertui Einšteinui jis atrodė nesuprantamas ir atsisakė priimti visas Schrödingerio ir jo kolegų išvestos teorijos pasekmes. Kaip ir daugelis kitų mokslininkų, Einšteinas nusprendė, kad patogiau manyti, kad kvantinės mechanikos lygtys tėra tam tikras matematinis triukas, netyčia pateikiantis pagrįstą atominių ir subatominių dalelių elgesio paaiškinimą, tačiau jose yra gilesnė tiesa, kuri geriau yra susijęs su įprastu mūsų tikrovės jausmu. Juk kvantinė mechanika teigia, kad tikro daikto nėra ir nieko negalime pasakyti apie daiktų elgesį, kai jų nestebime. Šriodingerio mitinė katė buvo skirta išsiaiškinti kvantinio ir įprasto pasaulių skirtumus.

Kvantinės mechanikos pasaulyje nustoja veikti mums iš įprasto pasaulio pažįstami fizikos dėsniai. Vietoj to, įvykius valdo tikimybės. Pavyzdžiui, radioaktyvus atomas gali suirti ir, tarkime, išleisti elektroną arba ne. Galite atlikti eksperimentą įsivaizduodami, kad yra lygiai penkiasdešimt procentų tikimybė, kad vienas iš radioaktyviosios medžiagos krūvos atomų tam tikru momentu suirs ir detektorius užregistruos šį skilimą, jei jis įvyks. Schrödingeris, kaip ir Einšteinas, nusiminęs dėl kvantinės teorijos išvadų, bandė parodyti jų absurdiškumą įsivaizduodamas, kad toks eksperimentas vyksta uždaroje patalpoje arba dėžėje, kurioje yra gyva katė ir butelis nuodų, o jei įvyktų irimas, konteineris su sugenda nuodai ir katė miršta. Įprastame pasaulyje katės mirties tikimybė yra penkiasdešimt procentų ir, nežiūrėdami į dėžutę, galime drąsiai teigti tik viena: katė viduje yra gyva arba negyva. Tačiau čia atsiskleidžia kvantinio pasaulio keistenybės. Pagal teoriją nė vienas Iš dviejų galimybių, kurios egzistuoja radioaktyviajai medžiagai, taigi ir katei, neatrodo realu, nebent būtų stebima, kas vyksta. Atominis skilimas neįvyko ir neįvyko, katė nenumirė ir nemirė, kol pažiūrėsime į dėžę, kad sužinotume, kas atsitiko. Teoretikai, kurie priima gryną kvantinės mechanikos versiją, teigia, kad katė egzistuoja kažkokioje neapibrėžtoje būsenoje, būdama nei gyva, nei mirusi, kol stebėtojas nepažiūri į dėžę ir pamato, kaip susiklostė situacija. Nieko nėra tikro, jei neatliekamas stebėjimas.

Šios idėjos nekentė Einšteinas, kaip ir daugelis kitų. „Dievas nežaidžia kauliukais“, – sakė jis, turėdamas omenyje teoriją, kad pasaulį lemia iš esmės atsitiktinės galimybių „atrankos“ kvantiniame lygmenyje rezultatų visuma. Kalbant apie Šriodingerio katės būsenos nerealumą, Einšteinas į tai neatsižvelgė, teigdamas, kad turi būti kažkoks gilus „mechanizmas“, nulemsiantis tikrai esminę dalykų tikrovę. Daugelį metų jis bandė kurti eksperimentus, kurie padėtų parodyti šią gilią tikrovę darbe, tačiau mirė, kol nebuvo įmanoma atlikti tokio eksperimento. Galbūt buvo geriausia, kad jis nesulaukė savo pradėtos samprotavimo grandinės rezultato.

1982 m. vasarą Paryžiaus Sudo universiteto mokslininkų grupė, vadovaujama Alaino Aspe, baigė eksperimentų seriją, skirtą atskleisti pagrindinę tikrovę, apibrėžiančią nerealų kvantinį pasaulį. Ši gili tikrovė – pagrindinis mechanizmas – buvo pavadintas „paslėptais parametrais“. Eksperimento esmė buvo stebėti dviejų fotonų arba šviesos dalelių, skrendančių iš šaltinio priešingomis kryptimis, elgesį. Eksperimentas išsamiai aprašytas dešimtame skyriuje, tačiau apskritai jį galima laikyti tikrovės patikrinimu. Du fotonai iš to paties šaltinio gali būti aptikti dviem detektoriais, kurie matuoja savybę, vadinamą poliarizacija. Remiantis kvantine teorija, ši savybė neegzistuoja tol, kol ji nėra išmatuota. Pagal „paslėptų parametrų“ idėją kiekvienas fotonas turi „tikrąją“ poliarizaciją nuo pat jo sukūrimo momento. Kadangi du fotonai išspinduliuojami vienu metu, jų poliarizacijos reikšmės priklauso viena nuo kitos, tačiau iš tikrųjų išmatuotos priklausomybės pobūdis skiriasi priklausomai nuo dviejų tikrovės požiūrių.

Šio svarbaus eksperimento rezultatai aiškūs. Paslėptų parametrų teorijos numatyta priklausomybė nebuvo atrasta, tačiau kvantinės mechanikos numatyta priklausomybė buvo atrasta. Be to, kaip numatė kvantinė teorija, vieno fotono matavimai turėjo tiesioginį poveikį kito fotono pobūdžiui. Tam tikra sąveika neatskiriamai susiejo fotonus, nors jie išsisklaidė skirtingomis kryptimis šviesos greičiu, o reliatyvumo teorija teigia, kad joks signalas negali būti perduodamas greičiau už šviesą. Eksperimentai įrodė, kad gilios realybės pasaulyje nėra. Įprasta prasme „tikrovė“ netinka mąstyti apie pagrindinių dalelių, sudarančių Visatą, elgseną, o šios dalelės kartu atrodo neatsiejamai susietos į kažkokią nedalomą visumą, kur kiekviena žino, kas atsitiks su visata. kiti.

Schrödingerio katės paieška yra kvantinės realybės paieška. Iš šios trumpos apžvalgos gali atrodyti, kad šios paieškos nebuvo vainikuotos sėkme, nes kvantiniame pasaulyje tikrovės įprasta to žodžio prasme nėra. Tačiau istorija tuo nesibaigia, o Schrödingerio katės paieška gali paskatinti mus naujai suprasti tikrovę, kuri peržengia įprastą kvantinės mechanikos interpretaciją ir kartu apima. Tačiau paieškos užtruks ilgai, o pradėti reikia nuo mokslininko, kuris galbūt labiau išsigąs nei Einšteinas, jei turėtų galimybę sužinoti atsakymus, kuriuos dabar davėme į jį kankinusius klausimus. Prieš tris šimtmečius tyrinėdamas šviesos prigimtį, Izaokas Niutonas tikriausiai nė nenutuokė, kad jau įžengė į kelią, vedantį į Šriodingerio katę.

Pirma dalis

Kas nėra sukrėstas kvantinės teorijos, jos nesuprato.

Nielsas Bohras 1885-1962 m

Pirmas skyrius

Izaokas Niutonas išrado fiziką, o likęs mokslas remiasi ja. Nors Niutonas neabejotinai rėmėsi kitų darbais, prieš tris šimtmečius jis paskelbė apie tris judėjimo dėsnius ir gravitacijos teoriją, paskatinęs mokslą į kelią, kuris galiausiai atvedė į kosmoso tyrinėjimus, lazerius, atominę energiją, genų inžineriją, chemijos supratimas ir visa kita. Du šimtmečius mokslo pasaulį valdė Niutono fizika (dabar vadinama „klasikine fizika“). Revoliucinės naujos idėjos dvidešimtojo amžiaus fiziką pažengė gerokai toliau nei Niutonas, tačiau be tų dviejų šimtmečių mokslo augimo šios idėjos galbūt niekada nebūtų atsiradusios. Ši knyga nėra mokslo istorija: joje kalbama apie naująją fiziką – kvantinę, o ne apie tas klasikines idėjas. Tačiau net ir Niutono darbuose prieš tris šimtus metų jau yra ženklų, kad pokyčiai neišvengiami: jų yra ne jo darbuose apie planetų judėjimą ir jų orbitas, o šviesos prigimties tyrimuose.

Džonas Gribinas

Ieškant Šriodingerio katės. Kvantinė fizika ir realybė

Man visa tai nepatinka ir apgailestauju, kad iš viso į tai įtraukiau.

Erwinas Schrödingeris 1887–1961 m

Niekas nėra tikra.

Johnas Lennonas 1940–1980 m

IEŠKOTI ŠRIDINGERIO KATĖS

Kvantinė fizika ir realybė

Iš anglų kalbos vertė Z. A. Mamedyarova, E. A. Fomenko

Padėkos

Mano pažintis su kvantine teorija įvyko daugiau nei prieš dvidešimt metų, dar mokykloje, kai sužinojau, kad atomo apvalkalo sandaros teorija stebuklingai paaiškina visą periodinę elementų sistemą ir beveik visą chemiją, su kuria aš kovojau. daug nuobodžių pamokų. Nedelsdamas pradėjau kasti toliau, griebiausi bibliotekos knygų, kurios, kaip teigiama, yra „per sudėtingos“ mano ribotam moksliniam pasirengimui, ir iš karto pastebėjau nuostabų atomo spektro paaiškinimo paprastumą kvantinės teorijos požiūriu ir pirmą kartą atradau, kad geriausias mokslas yra tuo pat metu gražus ir paprastas, ir tai yra faktas, kad per daug mokytojų – netyčia ar tyčia – slepiasi nuo savo mokinių. Jaučiausi kaip C. P. Snow (nors perskaičiau gerokai vėliau) romano „Paieška“ herojus, atradęs tą patį:

Pastebėjau, kaip sumaišyti atsitiktiniai faktai staiga atsidūrė vietoje... „Bet tai tiesa“, – tariau sau. - Tai nuostabu. Ir tai yra tiesa“. (leidimas A, 1963, p. 27.)

Iš dalies dėl šios įžvalgos nusprendžiau universitete studijuoti fiziką. Atėjus laikui, mano ambicijos buvo įgyvendintos, ir aš tapau Sasekso universiteto Braitone studentu. Tačiau gilių idėjų paprastumas ir grožis buvo nustelbti dėl detalių ir matematinių metodų, skirtų konkrečioms problemoms spręsti naudojant kvantinės mechanikos lygtis, įvairovė. Šių idėjų pritaikymas šiuolaikinės fizikos pasauliui davė, ko gero, maždaug tą pačią gilaus grožio ir tiesos idėją, kurią suteikia pilotavimas. Boeing 747 apie sklandymą deltai. Nors pirminės įžvalgos galia išliko didžiausią įtaką mano karjerai, ilgą laiką ignoravau kvantinį pasaulį ir atradau kitus mokslo malonumus.

To ankstyvojo susidomėjimo žarijas vėl įžiebė įvairių veiksnių derinys. Aštuntojo dešimtmečio pabaigoje ir devintojo dešimtmečio pradžioje pradėjo pasirodyti knygos ir straipsniai, kuriuose su įvairia sėkme buvo bandoma paaiškinti keistą kvantinį pasaulį nemokslinei auditorijai. Kai kurie vadinamieji „populiarieji tekstai“ buvo taip siaubingai toli nuo tiesos, kad net neįsivaizdavau, kad atsiras skaitytojas, kuris juos studijuodamas supras mokslo tiesą ir grožį, todėl norėtų tai pasakyti taip. yra. Tuo pačiu metu pasirodė informacija apie ilgą mokslinių eksperimentų seriją, įrodančių kai kurių keisčiausių kvantinės teorijos aspektų tikrumą, ir ši informacija privertė mane grįžti į bibliotekas ir atnaujinti savo supratimą apie šiuos nuostabius dalykus. Ir galiausiai per vieną Kalėdas BBC pakvietė mane pasirodyti radijo programoje kaip mokslinį priešininką Malcolmui Muggeridge'ui, kuris ką tik paskelbė apie atsivertimą į katalikybę ir buvo pagrindinis šventinio sezono svečias. Po to, kai šis didis žmogus išsakė savo mintis, pabrėždamas krikščionybės paslaptį, jis atsisuko į mane ir pasakė: „Bet štai kažkas žino visus atsakymus – arba teigia, kad žino juos visus“. Laikas buvo ribotas, ir aš bandžiau tinkamai atsakyti, nurodydamas, kad mokslas nepretenduoja į visus atsakymus, o religija, o ne mokslas, visiškai remiasi beribiu tikėjimu ir tikėjimu, kad tiesa žinoma. „Aš niekuo netikiu“, - pasakiau ir pradėjau aiškinti savo poziciją, bet tuo metu programa baigėsi. Per visas Kalėdų atostogas draugai ir pažįstami man priminė šiuos žodžius, o aš valandų valandas kartojau, kad beribio tikėjimo niekuo stoka man netrukdo gyventi normalaus gyvenimo, remiantis visiškai pagrįsta darbine hipoteze, kad saulė vargu ar išnyks. per naktį.

Visa tai padėjo man išsiaiškinti savo mintis apie mokslo prigimtį per ilgas diskusijas apie pagrindinę kvantinio pasaulio tikrovę – arba nerealybę – ir to pakako, kad įtikinčiau, kad galiu parašyti knygą, kurią dabar laikote rankose. Dirbdamas su juo išbandžiau daug subtilesnių argumentų, kai reguliariai dalyvaudamas Britų pajėgų transliavimo korporacijos mokslo radijo programoje, kurią vedė Tommy Vance. Smalsūs Tomo klausimai greitai atskleidė mano pristatymo trūkumus, o jų pagalba galėjau geriau išdėstyti savo idėjas. Pagrindinis informacinės medžiagos šaltinis, kurį naudojau rašydamas knygą, buvo Sasekso universiteto biblioteka, kurioje yra bene vienas geriausių kvantinės teorijos knygų rinkinių pasaulyje, o retesnę medžiagą man atrinko Mandy Caplin iš žurnalo. Naujasis mokslininkas, kuris atkakliai siųsdavo man teletipo žinutes, o Christina Sutton ištaisė mano klaidingą nuomonę apie dalelių fiziką ir lauko teoriją. Žmona ne tik man suteikė neįkainojamą pagalbą peržiūrint literatūrą ir tvarkant medžiagą, bet ir sušvelnino daugelį šiurkščių kraštų. Taip pat esu dėkingas profesoriui Rudolfui Pearlsui už tai, kad jis man išsamiai paaiškino kai kuriuos eksperimento „laikrodis dėžutėje“ ir Einšteino-Podolskio-Roseno paradokso subtilybes.

Viskas, kas gera šioje knygoje, yra: „sunkūs“ chemijos tekstai, kurių pavadinimų jau nebepamenu, kuriuos atradau Kento apygardos bibliotekoje būdama šešiolikos; vargas kvantinių idėjų „populiarintojams“, kurie mane įtikino, kad galiu jas apibūdinti geriau; Malcolmas Muggeridge'as ir BBC; Sasekso universiteto biblioteka; Tommy Vance ir BFBS; Mandy Caplin ir Christina Sutton ir ypač Min. Bet kokie nusiskundimai dėl tų trūkumų, kurie vis dar yra šioje knygoje, žinoma, turi būti adresuojami man.

Džonas Gribinas

1983 metų liepa

Įvadas

Susumavus visas knygas ir straipsnius apie reliatyvumo teoriją, parašytus paprastiems žmonėms, krūva tikriausiai pasiektų mėnulį. „Visi žino“, kad Einšteino reliatyvumo teorija yra didžiausias XX amžiaus mokslo laimėjimas, ir visi klysta. Tačiau jei susumuosite visas knygas ir straipsnius apie kvantinę teoriją, parašytus paprastiems žmonėms, jie nesunkiai tilps ant mano stalo. Tai nereiškia, kad kvantinė teorija nebuvo girdėta už akademijų sienų. Kvantinė mechanika netgi išpopuliarėjo tam tikruose sektoriuose: jos pagalba buvo bandoma paaiškinti telepatiją ir šaukštų lenkimą, iš jos sėmėsi įkvėpimo daugeliui mokslinės fantastikos istorijų. Populiariojoje mitologijoje kvantinė mechanika siejama – jei apskritai – su okultiniu ir ekstrasensoriniu suvokimu, tai yra keista, ezoteriška mokslo šaka, kurios niekas nesupranta ir kuriai niekas neranda praktinio pritaikymo.

Ši knyga parašyta prieštaraujant šiam suvokimui apie tai, kas iš esmės yra pati svarbiausia ir svarbiausia mokslo žinių sritis. Ši knyga atsirado dėl kelių aplinkybių, susidariusių 1982 m. vasarą. Pirma, aš ką tik baigiau skaityti knygą apie reliatyvumo teoriją, pavadintą „Erdvės kreivės“, ir nusprendžiau, kad laikas imtis užduoties demistifikuoti kitą didelę dvidešimtojo amžiaus mokslo šaką. Antra, tuo metu mane vis labiau erzino klaidingos idėjos, kurios egzistavo kvantinės teorijos pavadinimu tarp žmonių, nutolusių nuo mokslo. Puikioje Fridtjofo Capros knygoje „Fizikos tao“ atsirado daug mėgdžiotojų, kurie nesuprato nei fizikos, nei tao, bet manė, kad galima užsidirbti pinigų susiejant Vakarų mokslą su Rytų filosofija. Ir galiausiai, 1982 m. rugpjūtį iš Paryžiaus atkeliavo žinia, kad grupė mokslininkų sėkmingai atliko itin svarbų eksperimentą, kuris patvirtino – tiems, kurie vis dar abejojo – kvantinio mechaninio visatos vaizdo tikslumu.

Niekas nėra tikra

Jei jus domina straipsnis kvantinės fizikos tema, yra didelė tikimybė, kad jums patinka serialas „Didžiojo sprogimo teorija“. Taigi, Sheldon Cooper pateikė naują interpretaciją Schrödingerio minties eksperimentas(Vaizdo įrašą su šiuo fragmentu rasite straipsnio pabaigoje). Tačiau norėdami suprasti Sheldono dialogą su kaimyne Penny, pirmiausia atsigręžkime į klasikinę interpretaciją. Taigi, Šriodingerio katė paprastais žodžiais.

Šiame straipsnyje apžvelgsime:

Trumpas istorinis fonas
Eksperimento su Šriodingerio katinu aprašymas
Schrödingerio katės paradokso sprendimas

Iškart geros naujienos. Eksperimento metu Šriodingerio katė nenukentėjo. Mat fizikas Erwinas Schrödingeris, vienas iš kvantinės mechanikos kūrėjų, atliko tik minties eksperimentą.

Prieš pasinerdami į eksperimento aprašymą, padarykime mini ekskursiją į istoriją.

Praėjusio amžiaus pradžioje mokslininkams pavyko pažvelgti į mikropasaulį. Nepaisant išorinio „atomo-elektrono“ modelio panašumo su „Saulės-Žemės“ modeliu, paaiškėjo, kad žinomi Niutono klasikinės fizikos dėsniai mikrokosmose neveikia. Todėl atsirado naujas mokslas – kvantinė fizika ir jos komponentas – kvantinė mechanika. Visi mikroskopiniai mikropasaulio objektai buvo vadinami kvantais.

Dėmesio! Vienas iš kvantinės mechanikos postulatų yra „superpozicija“. Mums bus naudinga suprasti Schrödingerio eksperimento esmę.

„Superpozicija“ – tai kvanto (tai gali būti elektronas, fotonas, atomo branduolys) gebėjimas būti ne vienoje, o keliose būsenose vienu metu arba keliuose erdvės taškuose tuo pačiu metu. laikas, jei niekas jo nestebi

Mums tai sunku suprasti, nes mūsų pasaulyje objektas gali turėti tik vieną būseną, pavyzdžiui, būti gyvas arba miręs. Ir jis gali būti tik vienoje konkrečioje erdvės vietoje. Galite perskaityti apie „superpoziciją“ ir nuostabius kvantinės fizikos eksperimentų rezultatus Šiame straipsnyje.

Štai paprastas mikro ir makro objektų elgsenos skirtumo pavyzdys.Įdėkite kamuolį į vieną iš 2 dėžių. Nes kamuolys yra mūsų makro pasaulio objektas, drąsiai pasakysite: „Kamuolis guli tik vienoje iš dėžių, o antroji tuščia“. Jei vietoj rutulio paimsite elektroną, tada teiginys, kad jis vienu metu yra 2 dėžutėse, bus teisingas. Taip veikia mikropasaulio dėsniai. Pavyzdys: Elektronas iš tikrųjų nesisuka aplink atomo branduolį, bet yra visuose sferos taškuose aplink branduolį vienu metu. Fizikoje ir chemijoje šis reiškinys vadinamas „elektronų debesiu“.

Santrauka. Supratome, kad labai mažo ir didelio objekto elgesiui galioja skirtingi dėsniai. Atitinkamai kvantinės fizikos ir klasikinės fizikos dėsniai.

Tačiau nėra mokslo, kuris apibūdintų perėjimą iš makropasaulio į mikropasaulį. Taigi Erwinas Schrödingeris savo minties eksperimentą aprašė būtent tam, kad parodytų bendrosios fizikos teorijos neišsamumą. Jis norėjo, kad Schrödingerio paradoksas parodytų, jog yra mokslas, apibūdinantis didelius objektus (klasikinė fizika), ir mokslas, apibūdinantis mikroobjektus (kvantinė fizika). Bet nėra pakankamai mokslo, kad apibūdintų perėjimą nuo kvantinių sistemų prie makrosistemų.

Eksperimento su Šriodingerio katinu aprašymas

Erwinas Schrödingeris aprašė minties eksperimentą su kate 1935 m. Pradinė eksperimento aprašymo versija pateikiama Vikipedijoje ( Schrödingerio katė Vikipedija).

Štai Schrödingerio katės eksperimento aprašymo versija paprastais žodžiais:

Katė buvo įdėta į uždarą plieninę dėžę.
„Schrödinger Box“ yra prietaisas su radioaktyviu branduoliu ir nuodingomis dujomis, įdėtais į konteinerį.
Branduolys gali suirti per 1 valandą arba ne. Skilimo tikimybė – 50%.
Jei branduolys suyra, Geigerio skaitiklis tai užfiksuos. Relė veiks ir plaktukas sulaužys dujų baką. Schrödingerio katė mirs.
Jei ne, tada Schrödingerio katė bus gyva.

Pagal kvantinės mechanikos „superpozicijos“ dėsnį, tuo metu, kai mes nestebime sistemos, atomo branduolys (taigi ir katė) yra 2 būsenose vienu metu. Branduolys yra suirusios/nesuirusios būsenos. Ir katė yra gyvos/negyvos būsenos tuo pačiu metu.

Tačiau mes tikrai žinome, kad atidarius „Schrödingerio dėžutę“, katė gali būti tik vienoje iš būsenų:

jei branduolys nesuyra, mūsų katė gyva
jei branduolys suyra, katė negyva

Eksperimento paradoksas yra tas pagal kvantinę fiziką: prieš atidarant dėžutę katė yra ir gyva, ir mirusi vienu metu, bet pagal mūsų pasaulio fizikos dėsnius tai neįmanoma. Katė gali būti vienoje konkrečioje būsenoje – būti gyvam arba mirusiam. Tuo pačiu metu nėra mišrios būsenos „katė gyva / mirusi“.

Prieš gaudami atsakymą, pažiūrėkite šį nuostabų Šriodingerio katės eksperimento paradokso vaizdo iliustraciją (mažiau nei 2 min.):

Schrödingerio katės paradokso sprendimas – Kopenhagos interpretacija

Dabar sprendimas. Atkreipkite dėmesį į ypatingą kvantinės mechanikos paslaptį - stebėtojo paradoksas. Mikropasaulio objektas (mūsų atveju šerdis) vienu metu yra keliose būsenose tik kol nestebime sistemos.

Pavyzdžiui, garsusis eksperimentas su 2 plyšiais ir stebėtoju. Kai elektronų spindulys buvo nukreiptas į nepermatomą plokštę su 2 vertikaliais plyšiais, elektronai ekrane už plokštės nupiešė „bangų raštą“ – vertikalias kintančias tamsias ir šviesias juosteles. Bet kai eksperimentuotojai norėjo „pažiūrėti“, kaip elektronai skrenda pro plyšius, ir ekrano šone įrengė „stebėtoją“, elektronai ekrane nupiešė ne „bangų raštą“, o 2 vertikalias juosteles. Tie. elgėsi ne kaip bangos, o kaip dalelės.

Atrodo, kad kvantinės dalelės pačios nusprendžia, kokią būseną jos turėtų įgyti tuo metu, kai jos yra „matuojamos“.

Remiantis tuo, šiuolaikinis Kopenhagos „Schrödingerio katės“ fenomeno paaiškinimas (interpretacija) skamba taip:

Nors niekas nestebi „katės šerdies“ sistemos, branduolys tuo pačiu metu yra suiręs / nesuiręs. Tačiau klaidinga sakyti, kad katė yra gyva/negyva tuo pačiu metu. Kodėl? Taip, nes makrosistemose kvantiniai reiškiniai nepastebimi. Teisingiau būtų kalbėti ne apie „cat-core“, o apie „core-detector (Geiger counter)“ sistemą.

Branduolys stebėjimo (arba matavimo) momentu pasirenka vieną iš būsenų (suirusią/nesuirusią). Bet šis pasirinkimas neįvyksta tuo metu, kai eksperimentatorius atidaro dėžutę (dėžės atidarymas įvyksta makropasaulyje, labai toli nuo branduolio pasaulio). Branduolys pasirenka savo būseną, kai atsitrenkia į detektorių. Faktas yra tas, kad eksperimente sistema nėra pakankamai aprašyta.

Taigi, Kopenhagos Šriodingerio katės paradokso interpretacija neigia, kad iki pat dėžutės atidarymo momento Šriodingerio katė buvo superpozicijos būsenoje – ji tuo pat metu buvo gyvos/negyvos katės būsenoje. Katė makrokosmose gali egzistuoti ir egzistuoja tik vienoje būsenoje.

Santrauka. Schrödingeris iki galo neaprašė eksperimento. Neteisinga (tiksliau, neįmanoma sujungti) makroskopinės ir kvantinės sistemos. Kvantiniai dėsniai netaikomi mūsų makrosistemoms. Šiame eksperimente sąveikauja ne „katės branduolys“, o „katės detektoriaus branduolys“. Katė yra iš makrokosmoso, o „detektoriaus šerdies“ sistema yra iš mikrokosmoso. Ir tik savo kvantiniame pasaulyje branduolys vienu metu gali būti dviejose būsenose. Tai įvyksta prieš išmatuojant branduolį arba sąveikaujant su detektoriumi. Tačiau katė savo makrokosmose gali egzistuoti ir egzistuoja tik vienoje būsenoje. Štai kodėl, Tik iš pirmo žvilgsnio atrodo, kad katės būsena „gyva ar mirusi“ nustatoma tuo metu, kai atidaroma dėžė. Tiesą sakant, jo likimas nulemtas tuo metu, kai detektorius sąveikauja su branduoliu.

Galutinė santrauka. Sistemos „detektorius-branduolis-katė“ būsena siejama NE su žmogumi – dėžės stebėtoju, o su detektoriumi – branduolio stebėtoju.

pfu. Mano smegenys beveik pradėjo virti! Bet kaip malonu pačiam suprasti paradokso sprendimą! Kaip sename mokinių pokšte apie mokytoją: „Kol pasakojau, supratau!

Sheldono Schrödingerio katės paradokso interpretacija

Dabar galite sėdėti ir klausytis naujausios Sheldono Schrödingerio minties eksperimento interpretacijos. Jo interpretacijos esmė ta, kad ją galima pritaikyti žmonių tarpusavio santykiuose. Norint suprasti, ar santykiai tarp vyro ir moters yra geri ar blogi, reikia atidaryti langelį (nueiti į pasimatymą). O prieš tai jie buvo ir geri, ir blogi tuo pačiu metu.

Na, kaip jums patinka šis „mielas eksperimentas“? Šiais laikais už tokius žiaurius minčių eksperimentus su kate Schrödingeris gautų daug bausmių iš gyvūnų teisių aktyvistų. O gal tai buvo ne katė, o Šriodingerio katė?! Vargšė mergaitė, ji pakankamai kentėjo nuo šito Šriodingerio (((

Iki pasimatymo kituose leidiniuose!

Linkiu visiems geros dienos ir gražaus vakaro!

P.S. Pasidalykite savo mintimis komentaruose. Ir užduoti klausimus.

P.S. Prenumeruokite tinklaraštį - prenumeratos forma yra po straipsniu.