Kvantefysikk katt. John Gribbin - På jakt etter Schrödingers katt. Kvantefysikk og virkelighet. Schrödingers teori: beskrivelse

Du har sikkert hørt mer enn en gang at det er et slikt fenomen som "Schrödingers katt". Men hvis du ikke er fysiker, har du mest sannsynlig bare en vag idé om hva slags katt dette er og hvorfor det er nødvendig.

« Shroedingers katt"- dette er navnet på det berømte tankeeksperimentet til den berømte østerrikske teoretiske fysikeren Erwin Schrödinger, som også er nobelprisvinner. Ved hjelp av dette fiktive eksperimentet ønsket forskeren å vise kvantemekanikkens ufullstendighet i overgangen fra subatomære systemer til makroskopiske systemer.

Denne artikkelen er et forsøk på å forklare med enkle ord essensen av Schrödingers teori om katten og kvantemekanikken, slik at den er tilgjengelig for en person som ikke har høyere teknisk utdanning. Artikkelen vil også presentere ulike tolkninger av eksperimentet, inkludert de fra TV-serien «The Big Bang Theory».

Beskrivelse av forsøket

Erwin Schrödingers originalartikkel ble publisert i 1935. I den ble eksperimentet beskrevet ved å bruke eller til og med personifisere:

Du kan også konstruere tilfeller der det er ganske burlesk. La en eller annen katt bli låst inne i et stålkammer med følgende djevelske maskin (som bør være uavhengig av kattens inngripen): inne i en geigerteller er det en liten mengde radioaktivt stoff, så lite at bare ett atom kan forfalle i løpet av en time, men med samme sannsynlighet kan det ikke gå i oppløsning; hvis dette skjer, tømmes avleserøret og reléet aktiveres, og frigjør hammeren, som bryter kolben med blåsyre.

Hvis vi lar hele systemet være for seg selv i en time, så kan vi si at katten vil være i live etter denne tiden, så lenge atomet ikke går i oppløsning. Den aller første oppløsningen av atomet ville forgifte katten. psi-funksjonen til systemet som helhet vil uttrykke dette ved å blande eller smøre en levende og en død katt (unnskyld uttrykket) i like deler. Det som er typisk i slike tilfeller er at usikkerhet som opprinnelig var begrenset til atomverdenen, transformeres til makroskopisk usikkerhet, som kan elimineres ved direkte observasjon. Dette hindrer oss i å naivt akseptere "uskarphet-modellen" som reflekterer virkeligheten. Dette i seg selv betyr ikke noe uklart eller selvmotsigende. Det er forskjell på et uskarpt eller ufokusert bilde og et bilde av skyer eller tåke.

Med andre ord:

Det er en boks og en katt. Boksen inneholder en mekanisme som inneholder en radioaktiv atomkjerne og en beholder med giftig gass. De eksperimentelle parameterne ble valgt slik at sannsynligheten for kjernefysisk forfall i løpet av 1 time er 50 %. Hvis kjernen går i oppløsning, åpnes en beholder med gass og katten dør. Hvis kjernen ikke forfaller, forblir katten i live og har det bra.
Vi lukker katten i en boks, venter en time og stiller spørsmålet: er katten levende eller død?
Kvantemekanikk ser ut til å fortelle oss at atomkjernen (og derfor katten) er i alle mulige tilstander samtidig (se kvantesuperposisjon). Før vi åpner esken, er kattekjernesystemet i tilstanden "kjernen har forfalt, katten er død" med en sannsynlighet på 50 % og i tilstanden "kjernen har ikke forfalt, katten er i live" med en sannsynlighet på 50 %. Det viser seg at katten som sitter i boksen er både levende og død på samme tid.
I følge den moderne København-tolkningen er katten levende/død uten noen mellomtilstand. Og valget av forfallstilstanden til kjernen skjer ikke i det øyeblikket boksen åpnes, men selv når kjernen kommer inn i detektoren. Fordi reduksjonen av bølgefunksjonen til "cat-detector-nucleus"-systemet ikke er assosiert med den menneskelige observatøren av boksen, men er assosiert med detektor-observatøren til kjernen.

Forklaring med enkle ord

I følge kvantemekanikken, hvis kjernen til et atom ikke blir observert, er tilstanden dens beskrevet av en blanding av to tilstander - en forfallen kjerne og en uforfallen kjerne, derfor en katt som sitter i en boks og personifiserer kjernen til et atom er både levende og død på samme tid. Hvis boksen åpnes, kan eksperimentatoren bare se én spesifikk tilstand - "kjernen har forfalt, katten er død" eller "kjernen har ikke forfalt, katten er i live."

Essensen i menneskelig språk: Schrödingers eksperiment viste at fra kvantemekanikkens synspunkt er katten både levende og død, noe som ikke kan være det. Derfor har kvantemekanikk betydelige feil.

Spørsmålet er: når slutter et system å eksistere som en blanding av to stater og velger én spesifikk? Hensikten med eksperimentet er å vise at kvantemekanikken er ufullstendig uten noen regler som indikerer under hvilke forhold bølgefunksjonen kollapser, og katten enten blir død eller forblir i live, men slutter å være en blanding av begge. Siden det er klart at en katt enten må være levende eller død (det er ingen tilstand mellom liv og død), vil dette være likt for atomkjernen. Det må enten være forfalt eller ikke forfalt (Wikipedia).

Video fra The Big Bang Theory

En annen nyere tolkning av Schrödingers tankeeksperiment er en historie som Big Bang Theory-karakteren Sheldon Cooper fortalte sin mindre utdannede nabo Penny. Poenget med Sheldons historie er at konseptet med Schrödingers katt kan brukes på menneskelige relasjoner. For å forstå hva som skjer mellom en mann og en kvinne, hva slags forhold er mellom dem: bra eller dårlig, du trenger bare å åpne boksen. Inntil da er forholdet både godt og dårlig.

Nedenfor er et videoklipp av denne Big Bang Theory-utvekslingen mellom Sheldon og Penia.

Forble katten i live som et resultat av eksperimentet?

For de som ikke leste artikkelen nøye, men som fortsatt er bekymret for katten, gode nyheter: ikke bekymre deg, ifølge dataene våre, som et resultat av et tankeeksperiment av en gal østerriksk fysiker

INGEN KATT BLEV SÅRD

Det var en slags "sekundær" kvalitet. Selv behandlet han sjelden et spesifikt vitenskapelig problem. Hans favoritt sjanger var respons på andres vitenskapelige forskning, utvikling av dette arbeidet eller kritikk av det. Til tross for at Schrödinger selv var en individualist av natur, trengte han alltid andres tanker, støtte for videre arbeid. Til tross for denne særegne tilnærmingen, klarte Schrödinger å gjøre mange funn.

Biografisk informasjon

Schrödingers teori er nå kjent ikke bare for studenter ved fysikk- og matematikkavdelinger. Det vil være av interesse for alle som er interessert i populærvitenskap. Denne teorien ble skapt av den kjente fysikeren E. Schrödinger, som gikk ned i historien som en av skaperne av kvantemekanikken. Forskeren ble født 12. august 1887 i familien til eieren av en oljeklutfabrikk. Den fremtidige forskeren, kjent over hele verden for gåten sin, var glad i botanikk og tegning som barn. Hans første mentor var faren. I 1906 begynte Schrödinger studiene ved universitetet i Wien, hvor han begynte å beundre fysikk. Da første verdenskrig kom, gikk forskeren for å tjene som artillerist. På fritiden studerte han teoriene til Albert Einstein.

I begynnelsen av 1927 hadde det utviklet seg en dramatisk situasjon innen vitenskapen. E. Schrödinger mente at grunnlaget for teorien om kvanteprosesser burde være ideen om bølgekontinuitet. Heisenberg, tvert imot, mente at grunnlaget for dette kunnskapsfeltet burde være konseptet om bølgenes diskrethet, så vel som ideen om kvantesprang. Niels Bohr takket ikke ja til noen av stillingene.

Fremskritt innen vitenskap

For sin etablering av konseptet bølgemekanikk mottok Schrödinger Nobelprisen i 1933. Imidlertid oppdratt i tradisjonene til klassisk fysikk, kunne forskeren ikke tenke i andre kategorier og betraktet ikke kvantemekanikk som en fullverdig gren av kunnskap. Han kunne ikke være fornøyd med den doble oppførselen til partikler, og han prøvde å redusere den utelukkende til bølgeadferd. I sin diskusjon med N. Bohr sa Schrödinger det slik: "Hvis vi planlegger å bevare disse kvantesprangene i vitenskapen, så angrer jeg generelt på at jeg koblet livet mitt til atomfysikk."

Forskerens videre arbeid

Dessuten var Schrödinger ikke bare en av skaperne av moderne kvantemekanikk. Det var han som var vitenskapsmannen som introduserte begrepet "beskrivelsens objektivitet" i vitenskapelig bruk. Dette er evnen til vitenskapelige teorier til å beskrive virkeligheten uten deltakelse fra en observatør. Hans videre forskning ble viet til relativitetsteorien, termodynamiske prosesser og ikke-lineær Born-elektrodynamikk. Forskere har også gjort flere forsøk på å lage en enhetlig feltteori. I tillegg snakket E. Schrödinger seks språk.

Den mest kjente gåten

Schrödingers teori, der den samme katten dukker opp, vokste ut av forskerens kritikk av kvanteteorien. Et av hovedpostulatene sier at mens systemet ikke blir observert, er det i en tilstand av superposisjon. Nemlig i to eller flere stater som utelukker hverandres eksistens. Superposisjonstilstanden i vitenskapen har følgende definisjon: dette er evnen til et kvante, som også kan være et elektron, foton, eller for eksempel kjernen til et atom, til samtidig å være i to tilstander eller til og med på to punkter i rommet i et øyeblikk da ingen observerer det.

Gjenstander i forskjellige verdener

Det er veldig vanskelig for en vanlig person å forstå en slik definisjon. Tross alt kan hvert objekt i den materielle verden enten være på ett punkt i rommet eller på et annet. Dette fenomenet kan illustreres som følger. Observatøren tar to bokser og legger en tennisball i en av dem. Det vil være klart at det er i den ene boksen og ikke i den andre. Men hvis du legger et elektron i en av beholderne, vil følgende utsagn være sant: denne partikkelen er samtidig i to bokser, uansett hvor paradoksalt den kan virke. På samme måte er ikke et elektron i et atom lokalisert på et strengt definert punkt på et eller annet tidspunkt. Den roterer rundt kjernen, plassert på alle punkter i banen samtidig. I vitenskapen kalles dette fenomenet en "elektronsky."

Hva ville forskeren bevise?

Dermed blir oppførselen til små og store gjenstander implementert i henhold til helt andre regler. I kvanteverdenen er det noen lover, og i makroverdenen - helt andre. Imidlertid er det ikke noe konsept som kan forklare overgangen fra verden av materielle objekter som er kjent for folk til mikroverdenen. Schrödingers teori ble laget for å demonstrere utilstrekkelig forskning innen fysikk. Forskeren ønsket å vise at det er en vitenskap som har som mål å beskrive små gjenstander, og det er et kunnskapsfelt som studerer vanlige gjenstander. Stort sett takket være vitenskapsmannens arbeid ble fysikk delt inn i to områder: kvante og klassisk.

Schrödingers teori: beskrivelse

Forskeren beskrev sitt berømte tankeeksperiment i 1935. Ved gjennomføringen stolte Schrödinger på prinsippet om superposisjon. Schrödinger understreket at så lenge vi ikke observerer fotonet, kan det enten være en partikkel eller en bølge; både rød og grønn; både rund og firkantet. Dette prinsippet om usikkerhet, som følger direkte av begrepet kvantedualisme, ble brukt av Schrödinger i sin berømte gåte om katten. Betydningen av eksperimentet er i korte trekk som følger:

En katt legges i en lukket boks, samt en beholder som inneholder blåsyre og et radioaktivt stoff.
Kjernen kan gå i oppløsning innen en time. Sannsynligheten for dette er 50 %.
Hvis en atomkjerne forfaller, vil den bli registrert av en geigerteller. Mekanismen vil fungere, og giftboksen vil bli ødelagt. Katten vil dø.
Hvis forfall ikke oppstår, vil Schrödingers katt være i live.

I følge denne teorien, inntil katten blir observert, er den samtidig i to tilstander (død og levende), akkurat som kjernen til et atom (forfall eller ikke forfalt). Selvfølgelig er dette bare mulig i henhold til lovene i kvanteverdenen. I makrokosmos kan ikke en katt være både levende og død på samme tid.

Observatørens paradoks

For å forstå essensen av Schrödingers teori er det også nødvendig å forstå observatørens paradoks. Betydningen er at objekter i mikroverdenen kan være i to tilstander samtidig bare når de ikke blir observert. For eksempel er det såkalte "Eksperimentet med 2 spalter og en observatør" kjent i vitenskapen. Forskerne rettet en elektronstråle mot en ugjennomsiktig plate der det ble laget to vertikale spalter. På skjermen bak platen malte elektronene et bølgemønster. De etterlot med andre ord svarte og hvite striper. Da forskerne ville observere hvordan elektroner fløy gjennom spaltene, viste partiklene bare to vertikale striper på skjermen. De oppførte seg som partikler, ikke som bølger.

København forklaring

Den moderne forklaringen på Schrödingers teori kalles København. Basert på observatørens paradoks høres det slik ut: så lenge ingen observerer kjernen til et atom i systemet, er det samtidig i to tilstander - forfalt og uforfallet. Påstanden om at en katt er levende og død på samme tid er imidlertid ekstremt feil. Tross alt, i makrokosmos observeres aldri de samme fenomenene som i mikrokosmos.

Derfor snakker vi ikke om "cat-nucleus"-systemet, men om det faktum at Geiger-telleren og atomkjernen er sammenkoblet. Kjernen kan velge en eller annen tilstand i det øyeblikket målingene utføres. Dette valget finner imidlertid ikke sted i det øyeblikket eksperimentatoren åpner boksen med Schrödingers katt. Faktisk skjer åpningen av boksen i makrokosmos. Med andre ord i et system som er veldig langt fra atomverdenen. Derfor velger kjernen sin tilstand nøyaktig i det øyeblikket den treffer Geigertellerdetektoren. Erwin Schrödinger beskrev altså ikke systemet fullstendig nok i sitt tankeeksperiment.

Generelle konklusjoner

Dermed er det ikke helt riktig å koble makrosystemet med den mikroskopiske verden. I makrokosmos mister kvantelovene sin kraft. Kjernen til et atom kan være i to tilstander samtidig bare i mikrokosmos. Det samme kan ikke sies om katten, siden den er et objekt av makrokosmos. Derfor ser det bare ved første øyekast ut til at katten går fra en superposisjon til en av statene i det øyeblikket boksen åpnes. I virkeligheten er dens skjebne bestemt i øyeblikket når atomkjernen samhandler med detektoren. Konklusjonen kan trekkes som følger: tilstanden til systemet i Erwin Schrödingers gåte har ingenting med personen å gjøre. Det avhenger ikke av eksperimentatoren, men av detektoren - objektet som "observerer" kjernen.

Videreføring av konseptet

Schrödingers teori beskrives i enkle ord som følger: mens observatøren ikke ser på systemet, kan det være i to tilstander samtidig. En annen vitenskapsmann, Eugene Wigner, gikk imidlertid lenger og bestemte seg for å bringe Schrödingers konsept til et punkt av fullstendig absurditet. "Unnskyld meg!" sa Wigner, "Hva om kollegaen hans står ved siden av eksperimentatoren og ser på katten?" Partneren vet ikke nøyaktig hva eksperimentatoren selv så i øyeblikket da han åpnet esken med katten. Schrödingers katt kommer ut av superposisjon. Imidlertid ikke for en medobservatør. Først i det øyeblikket kattens skjebne blir kjent for sistnevnte, kan dyret endelig kalles levende eller dødt. I tillegg lever milliarder av mennesker på planeten Jorden. Og den endelige dommen kan bare tas når resultatet av eksperimentet blir alle levende vesens eiendom. Selvfølgelig kan du fortelle alle mennesker skjebnen til katten og Schrödingers teori kort, men dette er en veldig lang og arbeidskrevende prosess.

Prinsippene for kvantedualisme i fysikk ble aldri tilbakevist av Schrödingers tankeeksperiment. På en måte kan hvert vesen sies å være verken levende eller død (i superposisjon) så lenge det er minst én person som ikke observerer det.

Ikke se etter "østlig mystikk", skjebøying eller ekstrasensorisk oppfatning her. Søk den sanne historien om kvantemekanikk, hvis sannhet er mer fantastisk enn noen fiksjon. Dette er vitenskap: den trenger ikke antrekk fra en annen filosofi, fordi den i seg selv er full av skjønnheter, mysterier og overraskelser. Denne boken prøver å svare på det spesifikke spørsmålet: "Hva er virkeligheten?" Og svaret (eller svarene) kan overraske deg. Du tror det kanskje ikke. Men du vil forstå hvordan moderne vitenskap ser på verden.

Ingenting er ekte

Katten i tittelen er en mytisk skapning, men Schrödinger eksisterte virkelig. Erwin Schrödinger var en østerriksk vitenskapsmann som på midten av 1920-tallet spilte en stor rolle i å lage ligningene til en vitenskapsgren som nå kalles kvantemekanikk. Men å si at kvantemekanikk bare er en gren av vitenskapen er neppe sant, fordi det ligger til grunn for all moderne vitenskap. Ligningene beskriver oppførselen til svært små objekter - på størrelse med atomer og mindre - og representerer den eneste tingen beskrivelse av de minste partiklenes verden. Uten disse ligningene ville ikke fysikere vært i stand til å designe fungerende atomkraftverk (eller bomber), lage lasere eller forklare hvordan solens temperatur ikke synker. Uten kvantemekanikk ville kjemien fortsatt vært i den mørke middelalderen, og molekylærbiologi ville ikke ha dukket opp i det hele tatt: det ville ikke vært kunnskap om DNA, ingen genteknologi, ingenting.

Kvanteteori er vitenskapens største prestasjon, mye mer betydningsfull og mye mer anvendelig i direkte, praktisk forstand enn relativitetsteorien. Og likevel kommer hun med noen merkelige spådommer. Kvantemekanikkens verden er faktisk så uvanlig at til og med Albert Einstein fant den uforståelig og nektet å akseptere alle konsekvensene av teorien utledet av Schrödinger og hans kolleger. Som mange andre forskere bestemte Einstein seg for at det var mer praktisk å tro at kvantemekanikkens ligninger bare var et slags matematisk triks som ved et uhell ga en rimelig forklaring på oppførselen til atom- og subatomære partikler, men de inneholdt en dypere sannhet som bedre forholder seg til vår vanlige virkelighetsfølelse. Kvantemekanikken sier tross alt at det ikke er noen virkelighet, og vi kan ikke si noe om tings oppførsel når vi ikke observerer dem. Schrödingers mytiske katt var ment å klargjøre forskjellene mellom kvanteverdenen og den vanlige verdenen.

I kvantemekanikkens verden slutter fysikkens lover som er kjent for oss fra den vanlige verden å fungere. I stedet styres hendelser av sannsynligheter. Et radioaktivt atom, for eksempel, kan forfalle og for eksempel frigjøre et elektron, eller det kan det ikke. Du kan gjennomføre et eksperiment ved å forestille deg at det er nøyaktig femti prosent sannsynlighet for at ett av atomene til en haug med radioaktivt stoff vil forfalle i et bestemt øyeblikk og detektoren vil registrere dette forfallet hvis det oppstår. Schrödinger, like opprørt av kvanteteoriens konklusjoner som Einstein, prøvde å demonstrere deres absurditet ved å forestille seg et slikt eksperiment som fant sted i et lukket rom eller en boks som inneholder en levende katt og en flaske gift, og hvis det oppstår forfall, vil beholderen med giften går i stykker og katten dør. I den vanlige verden er sannsynligheten for at en katt dør femti prosent, og uten å se inn i boksen kan vi trygt si bare én ting: katten inni er enten levende eller død. Men det er her kvanteverdenens merkelighet åpenbarer seg. I følge teorien ingen Av de to mulighetene som finnes for det radioaktive stoffet, og dermed katten, virker det ikke realistisk med mindre det er observasjon av hva som skjer. Atomisk forfall skjedde ikke og skjedde ikke, katten døde ikke og døde ikke, før vi ser inn i boksen for å finne ut hva som skjedde. Teoretikere som aksepterer en ren versjon av kvantemekanikk, hevder at katten eksisterer i en eller annen ubestemt tilstand, og er verken levende eller død, inntil en observatør ser inn i boksen og ser hvordan situasjonen har slått ut. Ingenting er ekte med mindre observasjon er gjort.

Denne ideen ble hatet av Einstein, så vel som mange andre. "Gud spiller ikke terninger," sa han, og refererte til teorien om at verden bestemmes av totaliteten av resultatene av et i hovedsak tilfeldig "utvalg" av muligheter på kvantenivå. Når det gjelder uvirkeligheten i tilstanden til Schrödingers katt, tok Einstein ikke hensyn til det, og antydet at det må være en dyp "mekanisme" som bestemmer den virkelig grunnleggende virkeligheten til ting. I mange år prøvde han å utvikle eksperimenter som skulle bidra til å vise denne dype virkeligheten i arbeid, men han døde før det ble mulig å gjennomføre et slikt eksperiment. Kanskje var det til det beste at han ikke levde å se resultatet av resonnementskjeden han hadde satt i gang.

Sommeren 1982 fullførte en gruppe forskere fra University of Paris-Sud, ledet av Alain Aspé, en serie eksperimenter designet for å avsløre den underliggende virkeligheten som definerer den uvirkelige kvanteverdenen. Denne dype virkeligheten - den grunnleggende mekanismen - ble gitt navnet "skjulte parametere". Essensen av eksperimentet var å observere oppførselen til to fotoner, eller lyspartikler, som flyr i motsatte retninger fra en kilde. Eksperimentet er beskrevet i sin helhet i kapittel ti, men totalt sett kan det betraktes som en realitetssjekk. To fotoner fra samme kilde kan detekteres av to detektorer, som måler en egenskap som kalles polarisering. I følge kvanteteorien eksisterer ikke denne egenskapen før den er målt. I henhold til ideen om "skjulte parametere" har hvert foton en "ekte" polarisering fra øyeblikket det ble opprettet. Fordi to fotoner sendes ut samtidig, avhenger deres polarisasjonsverdier av hverandre, men arten av avhengigheten som faktisk måles varierer i henhold til de to virkelighetssynene.

Resultatene av dette viktige eksperimentet er klare. Avhengigheten spådd av teorien om skjulte parametere ble ikke oppdaget, men avhengigheten spådd av kvantemekanikken ble det. Dessuten, som kvanteteorien spådde, hadde målinger gjort på ett foton en umiddelbar effekt på naturen til det andre fotonet. Noen interaksjon knyttet uløselig sammen fotonene, selv om de spredte seg i forskjellige retninger med lysets hastighet, og relativitetsteorien sier at intet signal kan overføres raskere enn lys. Eksperimenter har vist at det ikke finnes noen dyp virkelighet i verden. "Virkelighet" i vanlig forstand er ikke egnet til å tenke på oppførselen til de fundamentale partiklene som utgjør universet, og disse partiklene ser samtidig ut til å være uløselig knyttet sammen til en udelelig helhet, der hver enkelt vet hva som skjer med andre.

Jakten på Schrödingers katt er letingen etter kvantevirkelighet. Fra denne korte anmeldelsen kan det virke som om dette søket ikke ble kronet med suksess, siden i kvanteverdenen eksisterer ikke virkeligheten i ordets vanlige betydning. Men historien slutter ikke der, og letingen etter Schrödingers katt kan føre oss til en ny virkelighetsforståelse som overskrider – og samtidig inkluderer – den konvensjonelle tolkningen av kvantemekanikk. Søket vil imidlertid ta lang tid, og du må begynne med en vitenskapsmann som kanskje ville vært mer redd enn Einstein hvis han hadde en sjanse til å finne ut svarene vi nå har gitt på spørsmålene som plaget ham. Da han studerte lysets natur for tre århundrer siden, hadde Isaac Newton sannsynligvis ingen anelse om at han allerede hadde satt sin fot på stien som fører til Schrödingers katt.

Del en

Alle som ikke er sjokkert over kvanteteori har ikke forstått det.

Niels Bohr 1885-1962

Kapittel først

Isaac Newton oppfant fysikken, og resten av vitenskapen hviler på den. Mens Newton absolutt bygde på andres arbeid, var det hans utgivelse av de tre bevegelseslovene og teorien om tyngdekraften for over tre århundrer siden som satte vitenskapen på banen som til slutt førte til romutforskning, lasere, atomenergi, genteknologi, forståelsen av kjemi og alt annet. . I to århundrer styrte newtonsk fysikk (det som nå kalles "klassisk fysikk") vitenskapens verden. Revolusjonerende nye ideer avanserte det tjuende århundres fysikk langt utover Newton, men uten disse to århundrene med vitenskapelig vekst, ville disse ideene kanskje aldri dukket opp. Denne boken er ikke vitenskapens historie: den snakker om den nye fysikken - kvante, og ikke om de klassiske ideene. Men selv i Newtons arbeid for tre hundre år siden er det allerede tegn på at endring er uunngåelig: de er ikke inneholdt i hans arbeider om bevegelse av planeter og deres baner, men i hans studier av lysets natur.

John Gribbin

På jakt etter Schrödingers katt. Kvantefysikk og virkelighet

Jeg liker ikke alt dette, og angrer på at jeg i det hele tatt var med på dette.

Erwin Schrödinger 1887-1961

Ingenting er ekte.

John Lennon 1940-1980

PÅ SØK ETTER SCHRÖDINGERS KATT

Kvantefysikk og virkelighet

Oversettelse fra engelsk av Z. A. Mamedyarova, E. A. Fomenko

Anerkjennelser

Mitt bekjentskap med kvanteteori fant sted for mer enn tjue år siden, på skolen, da jeg oppdaget at teorien om atomets skallstruktur på magisk vis forklarte hele det periodiske systemet av grunnstoffer og nesten all kjemien jeg hadde slitt med i mange kjedelige leksjoner. Jeg begynte umiddelbart å grave videre, ty til biblioteksbøker som sies å være "for komplekse" for min begrensede vitenskapelige trening, og la umiddelbart merke til den vakre enkelheten i forklaringen av atomspekteret fra kvanteteoriens perspektiv og oppdaget for første gang at det beste innen naturfag er samtidig vakkert og enkelt, og dette er et faktum at for mange lærere - ved et uhell eller med vilje - skjuler seg for elevene sine. Jeg følte meg akkurat som helten i romanen "The Search" av C. P. Snow (selv om jeg leste den mye senere), som oppdaget det samme:

Jeg la merke til hvordan blandede tilfeldige fakta plutselig falt på plass... "Men dette er sannheten," sa jeg til meg selv. - Dette er fantastisk. Og dette er sannheten." (Utgave EN, 1963, s. 27.)

Det var delvis på grunn av denne innsikten at jeg bestemte meg for å studere fysikk på universitetet. Etter hvert ble ambisjonene mine realisert, og jeg ble student ved University of Sussex i Brighton. Men der ble enkelheten og skjønnheten til de dype ideene overskygget av mangfoldet av detaljer og matematiske metoder for å løse spesifikke problemer ved å bruke kvantemekanikkens ligninger. Anvendelsen av disse ideene til verden av moderne fysikk ga kanskje omtrent den samme ideen om dyp skjønnhet og sannhet som pilotering gir Boeing 747 om hanggliding. Selv om kraften til den opprinnelige innsikten forble den viktigste innflytelsen på karrieren min, ignorerte jeg i lang tid kvanteverdenen og oppdaget andre vitenskapelige gleder.

Glørne av den tidlige interessen ble vekket på nytt av en kombinasjon av faktorer. På slutten av 1970-tallet og begynnelsen av 1980-tallet begynte det å dukke opp bøker og artikler som forsøkte, med ulik grad av suksess, å forklare den merkelige kvanteverdenen for ikke-vitenskapelige publikum. Noen av de såkalte "populære tekstene" var så uhyrlig langt fra sannheten at jeg ikke engang kunne forestille meg at det ville være en leser som ville forstå sannheten og skjønnheten i vitenskapen ved å studere dem, og derfor ønsket å fortelle det som det. er. Samtidig dukket det opp informasjon om en lang rekke vitenskapelige eksperimenter som beviste virkeligheten til noen av de merkeligste aspektene ved kvanteteorien, og denne informasjonen tvang meg til å gå tilbake til bibliotekene og friske opp forståelsen min av disse fantastiske tingene. Og til slutt, en jul, inviterte BBC meg til å dukke opp i et radioprogram som en slags vitenskapelig motstander av Malcolm Muggeridge, som nettopp hadde kunngjort sin konvertering til katolisismen og var hovedgjest for høytiden. Etter at denne store mannen hadde gjort sitt poeng og understreket kristendommens mysterium, snudde han seg til meg og sa: «Men her er en som kan alle svarene – eller hevder å vite dem alle.» Tiden var begrenset, og jeg prøvde å gi et anstendig svar, og påpekte at vitenskapen ikke hevder å ha alle svarene, og det er religion, ikke vitenskap, som er helt avhengig av grenseløs tro og troen på at sannheten er kjent. "Jeg tror ikke på noe," sa jeg og begynte å forklare min posisjon, men i det øyeblikket tok programmet slutt. Gjennom hele juleferien minnet venner og bekjente meg om disse ordene, og jeg brukte timer på å gjenta at min mangel på ubegrenset tro på noe ikke hindret meg i å leve et normalt liv, ved å bruke den helt rimelige arbeidshypotesen om at solen neppe ville forsvinne over natten.

Alt dette hjalp meg med å sortere mine egne tanker om naturvitenskapens natur under lange diskusjoner om den grunnleggende virkeligheten – eller uvirkelighet – i kvanteverdenen, og det var nok til å overbevise meg om at jeg kunne skrive boken du nå holder i hendene dine. Mens jeg jobbet med det, testet jeg mange av de mer subtile argumentene under mine vanlige opptredener på British Forces Broadcasting Corporations vitenskapsradioprogram, arrangert av Tommy Vance. Toms nysgjerrige spørsmål avslørte raskt ufullkommenhetene i presentasjonen min, og med deres hjelp klarte jeg å organisere ideene mine på en bedre måte. Hovedkilden til referansemateriale jeg brukte når jeg skrev boken var University of Sussex-biblioteket, som kanskje inneholder en av de beste samlingene av bøker om kvanteteori i verden, og mer sjeldne materialer ble valgt ut for meg av Mandy Caplin fra magasinet Ny vitenskapsmann, som vedvarende sendte meg teletype-meldinger mens Christina Sutton korrigerte mine misoppfatninger om partikkelfysikk og feltteori. Min kone ga meg ikke bare uvurderlig hjelp til å gjennomgå litteraturen og organisere materialet, men også myknet opp mange av de grove kantene. Jeg er også takknemlig overfor professor Rudolf Pearls for å ha forklart meg i detalj noen av forviklingene ved klokke-i-en-boks-eksperimentet og Einstein-Podolsky-Rosen-paradokset.

Alt som er bra med denne boken skyldes: "vanskelige" kjemitekster, som jeg ikke lenger husker navnene på, som jeg oppdaget i Kent County Library i en alder av seksten; ve «popularisatorene» av kvanteideer som overbeviste meg 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 spesielt Min. Eventuelle klager angående de manglene som fortsatt gjenstår i denne boken skal selvfølgelig rettes til meg.

John Gribbin

juli 1983

Introduksjon

Hvis du skulle legge sammen alle bøkene og artiklene om relativitetsteorien skrevet for vanlige mennesker, ville stabelen sannsynligvis nådd månen. "Alle vet" at Einsteins relativitetsteori er den største vitenskapelige prestasjonen på det 20. århundre, og alle tar feil. Men hvis du legger sammen alle bøkene og artiklene om kvanteteori skrevet for vanlige mennesker, vil de lett få plass på skrivebordet mitt. Dette betyr ikke at kvanteteorien ikke har blitt hørt utenfor akademienes vegger. Kvantemekanikk ble til og med populær i visse sektorer: med dens hjelp prøvde de å forklare telepati og bøye skjeer, og de hentet inspirasjon fra det til mange science fiction-historier. I populær mytologi er kvantemekanikk assosiert – om i det hele tatt – med den okkulte og utenomsanselige persepsjonen, det vil si en merkelig, esoterisk gren av vitenskapen som ingen forstår og som ingen kan finne praktisk anvendelse for.

Denne boken er skrevet i motsetning til denne oppfatningen av hva som i hovedsak er det mest grunnleggende og viktigste området for vitenskapelig kunnskap. Denne boken skylder sin opprinnelse til flere omstendigheter som oppsto sommeren 1982. Først leste jeg nettopp en bok om relativitetsteorien kalt The Curvatures of Space, og bestemte meg for at det var på tide å ta på meg oppgaven med å avmystifisere den andre store grenen av det tjuende århundres vitenskap. For det andre, på den tiden ble jeg stadig mer irritert over de feilaktige ideene som eksisterte under navnet kvanteteori blant mennesker langt fra vitenskapen. Fridtjof Capras utmerkede bok The Tao of Physics ga opphav til mange imitatorer som verken forsto fysikk eller Tao, men mente at man kunne tjene penger ved å koble vestlig vitenskap med østlig filosofi. Og til slutt, i august 1982, kom det nyheter fra Paris om at en gruppe forskere med suksess hadde utført et avgjørende eksperiment som bekreftet – for de som fortsatt tvilte – nøyaktigheten til det kvantemekaniske synet på universet.

Ingenting er ekte

Hvis du er interessert i en artikkel om et emne fra kvantefysikk, så er det stor sannsynlighet for at du elsker TV-serien "The Big Bang Theory". Så Sheldon Cooper kom med en ny tolkning Schrödingers tankeeksperiment(Du finner en video med dette fragmentet på slutten av artikkelen). Men for å forstå Sheldons dialog med naboen Penny, la oss først vende oss til den klassiske tolkningen. Så, Schrödingers katt med enkle ord.

I denne artikkelen skal vi se på:

Kort historisk bakgrunn
Beskrivelse av forsøket med Schrödingers katt
Løsningen på Schrödingers katt-paradokset

Umiddelbart gode nyheter. Under eksperimentet Schrödingers katt ble ikke skadet. Fordi fysikeren Erwin Schrödinger, en av skaperne av kvantemekanikken, bare utførte et tankeeksperiment.

Før vi dykker ned i beskrivelsen av eksperimentet, la oss lage en miniutflukt i historien.

På begynnelsen av forrige århundre klarte forskere å se inn i mikroverdenen. Til tross for den ytre likheten mellom "atom-elektron" -modellen og "Sun-Earth" -modellen, viste det seg at de kjente newtonske lovene i klassisk fysikk ikke fungerer i mikrokosmos. Derfor dukket det opp en ny vitenskap - kvantefysikk og dens komponent - kvantemekanikk. Alle mikroskopiske objekter i mikroverdenen ble kalt kvanter.

Merk følgende! Et av postulatene til kvantemekanikken er "superposisjon". Det vil være nyttig for oss å forstå essensen av Schrödingers eksperiment.

"Superposisjon" er evnen til et kvante (det kan være et elektron, et foton, kjernen til et atom) til ikke å være i én, men i flere tilstander samtidig eller å være i flere punkter i rommet samtidig tid, hvis ingen ser på ham

Dette er vanskelig for oss å forstå, fordi i vår verden kan en gjenstand bare ha en tilstand, for eksempel å være enten levende eller død. Og det kan bare være på ett bestemt sted i verdensrommet. Du kan lese om "superposisjon" og de fantastiske resultatene av kvantefysikkeksperimenter I denne artikkelen.

Her er en enkel illustrasjon av forskjellen mellom oppførselen til mikro- og makroobjekter. Legg en ball i en av de 2 boksene. Fordi ballen er et objekt for vår makroverden, vil du si med selvtillit: "Bullen ligger i bare en av boksene, mens den andre er tom." Hvis du i stedet for en ball tar et elektron, vil påstanden om at det er i 2 bokser samtidig være sant. Slik fungerer mikroverdenens lover. Eksempel: Elektronet roterer i realiteten ikke rundt atomkjernen, men befinner seg på alle punkter av kulen rundt kjernen samtidig. I fysikk og kjemi kalles dette fenomenet "elektronskyen".

Sammendrag. Vi innså at oppførselen til en veldig liten gjenstand og en stor gjenstand er underlagt forskjellige lover. Kvantefysikkens lover og den klassiske fysikkens lover.

Men det er ingen vitenskap som kan beskrive overgangen fra makroverdenen til mikroverdenen. Så Erwin Schrödinger beskrev tankeeksperimentet sitt nettopp for å demonstrere ufullstendigheten til den generelle teorien om fysikk. Han ønsket at Schrödingers paradoks skulle vise at det finnes en vitenskap for å beskrive store objekter (klassisk fysikk) og en vitenskap for å beskrive mikroobjekter (kvantefysikk). Men det er ikke nok vitenskap til å beskrive overgangen fra kvantesystemer til makrosystemer.

Beskrivelse av forsøket med Schrödingers katt

Erwin Schrödinger beskrev et tankeeksperiment med en katt i 1935. Den originale versjonen av eksperimentbeskrivelsen er presentert på Wikipedia ( Schrödingers katt Wikipedia).

Her er en versjon av beskrivelsen av Schrödingers katt-eksperimentet i enkle ord:

En katt ble plassert i en lukket stålkasse.
Schrödinger-boksen inneholder en enhet med en radioaktiv kjerne og giftig gass plassert i en beholder.
Kjernen kan forfalle innen 1 time eller ikke. Sannsynlighet for forfall - 50%.
Hvis kjernen forfaller, vil geigertelleren registrere dette. Reléet vil fungere og hammeren vil bryte gassbeholderen. Schrödingers katt vil dø.
Hvis ikke, vil Schrödingers katt være i live.

I henhold til loven om "superposisjon" av kvantemekanikk, i en tid da vi ikke observerer systemet, er kjernen til et atom (og derfor katten) i 2 tilstander samtidig. Kjernen er i en forfalt/uforfallen tilstand. Og katten er i en tilstand av å være levende/død på samme tid.

Men vi vet med sikkerhet at hvis "Schrödinger-boksen" åpnes, kan katten bare være i en av statene:

hvis kjernen ikke forfaller, er katten vår i live
hvis kjernen forfaller, er katten død

Paradokset med eksperimentet er det i følge kvantefysikk: før du åpner esken, er katten både levende og død på samme tid, men i henhold til fysikkens lover i vår verden er dette umulig. Katt kan være i en bestemt tilstand - å være i live eller å være død. Det er ingen blandet tilstand "katten er levende/død" på samme tid.

Før du får svaret, se denne fantastiske videoillustrasjonen av paradokset ved Schrödingers katteksperiment (mindre enn 2 minutter):

Løsningen på Schrödingers katt-paradokset - København-tolkningen

Nå er løsningen. Vær oppmerksom på det spesielle mysteriet med kvantemekanikk - observatørparadoks. Et objekt i mikroverdenen (i vårt tilfelle kjernen) er i flere tilstander samtidig bare mens vi ikke observerer systemet.

For eksempel, det berømte eksperimentet med 2 spalter og en observatør. Når en elektronstråle ble rettet mot en ugjennomsiktig plate med 2 vertikale spalter, malte elektronene et "bølgemønster" på skjermen bak platen - vertikale vekslende mørke og lyse striper. Men da eksperimentørene ønsket å "se" hvordan elektroner flyr gjennom spaltene og installerte en "observatør" på siden av skjermen, tegnet elektronene ikke et "bølgemønster" på skjermen, men 2 vertikale striper. De. oppførte seg ikke som bølger, men som partikler.

Det ser ut til at kvantepartikler selv bestemmer hvilken tilstand de skal ha i det øyeblikket de blir «målt».

Basert på dette, høres den moderne København-forklaringen (tolkningen) av "Schrödinger's Cat"-fenomenet slik ut:

Mens ingen observerer "kattekjerne"-systemet, er kjernen i en forfalt/uforfallen tilstand på samme tid. Men det er en feil å si at katten er levende/død samtidig. Hvorfor? Ja, fordi kvantefenomener ikke observeres i makrosystemer. Det ville være mer riktig å ikke snakke om "cat-core"-systemet, men om "core-detector (Geiger-teller)"-systemet.

Kjernen velger en av tilstandene (forfallen/uforfallen) i øyeblikket av observasjon (eller måling). Men dette valget skjer ikke i det øyeblikket eksperimentatoren åpner boksen (åpningen av boksen skjer i makroverdenen, veldig langt fra kjernens verden). Kjernen velger sin tilstand i det øyeblikket den treffer detektoren. Faktum er at systemet ikke er beskrevet nok i forsøket.

Dermed benekter København-tolkningen av Schrödingers katt-paradokset at inntil det øyeblikket esken ble åpnet, var Schrödingers katt i en tilstand av superposisjon - den var i tilstanden til en levende/død katt på samme tid. En katt i makrokosmos kan og eksisterer i bare én tilstand.

Sammendrag. Schrödinger beskrev ikke eksperimentet fullt ut. Det er ikke riktig (mer presist, det er umulig å koble sammen) makroskopiske og kvantesystemer. Kvantelover gjelder ikke i våre makrosystemer. I dette eksperimentet er det ikke «cat-core» som samhandler, men «cat-detector-core». Katten er fra makrokosmos, og "detektor-kjerne"-systemet er fra mikrokosmos. Og bare i sin kvanteverden kan en kjerne være i to tilstander samtidig. Dette skjer før kjernen måles eller interagerer med detektoren. Men en katt i sitt makrokosmos kan og eksisterer i bare én tilstand. Derfor, Det er bare ved første øyekast at det ser ut til at kattens "levende eller døde" tilstand bestemmes i det øyeblikket boksen åpnes. Faktisk bestemmes skjebnen i det øyeblikket detektoren samhandler med kjernen.

Endelig oppsummering. Tilstanden til "detektor-kjerne-katt"-systemet er IKKE assosiert med personen - observatøren av boksen, men med detektoren - observatøren av kjernen.

Puh. Hjernen min begynte nesten å koke! Men så fint det er å forstå løsningen på paradokset selv! Som i den gamle elevvitsen om læreren: «Mens jeg fortalte det, forsto jeg det!»

Sheldons tolkning av Schrödingers katteparadoks

Nå kan du lene deg tilbake og lytte til Sheldons siste tolkning av Schrödingers tankeeksperiment. Essensen i tolkningen hans er at den kan brukes i relasjoner mellom mennesker. For å forstå om et forhold mellom en mann og en kvinne er bra eller dårlig, må du åpne boksen (gå på date). Og før det var de både gode og dårlige på samme tid.

Vel, hvordan liker du dette "søte eksperimentet"? Nå for tiden ville Schrödinger få mye straff fra dyrerettighetsaktivister for slike brutale tankeeksperimenter med en katt. Eller kanskje det ikke var en katt, men Schrödingers katt?! Stakkars jente, hun led nok av denne Schrödinger (((

Vi sees i de neste publikasjonene!

Jeg ønsker alle en god dag og en hyggelig kveld!

P.S. Del dine tanker i kommentarene. Og stille spørsmål.

P.S. Abonner på bloggen - abonnementsskjemaet finner du under artikkelen.