Как сделать шредингера

Добавил пользователь Владимир З.
Обновлено: 08.09.2024

В очень, очень мелких масштабах мир состоит из вещей, ведущих себя весьма необычно. Одна из наиболее странных характеристик таких объектов — способность находиться в двух взаимоисключающих состояниях одновременно.

Что с интуитивной точки зрения еще более необычно (кто-то даже скажет, жутковато) — акт целенаправленного наблюдения устраняет эту неопределенность, и объект, только что находившийся в двух противоречивых состояниях одновременно, предстает перед наблюдателем лишь в одном из них, как ни в чем не бывало, смотрит в сторонку и невинно посвистывает.

На субатомном уровне все к этим выходкам уже давно привыкли. Существует математический аппарат, описывающий эти процессы, и знания о них нашли самые разные применения: например, в компьютерах и криптографии.

На макроскопическом же уровне эти эффекты не наблюдаются: привычные нам объекты всегда находятся в единственном конкретном состоянии.

А теперь мысленный эксперимент. Берем кота и сажаем его в ящик. Туда же помещаем колбу с ядовитым газом, радиоактивный атом и счетчик Гейгера. Радиоактивный атом может распасться в любой момент, а может не распасться. Если он распадется, счетчик засечет радиацию, нехитрый механизм разобьет колбу с газом, и наш кот погибнет. Если нет — кот останется жив.

Иван Болдин
кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, выпускник МФТИ

Поведение объектов микромира (элементарных частиц, атомов, молекул) существенно отличается от поведения объектов, с которыми нам обычно приходится иметь дело. Например, электрон может пролетать одновременно через два пространственно удаленных места или находится одновременно на нескольких орбитах в атоме. Чтобы описать эти явления была создана теория — квантовая физика. По этой теории, например, частицы могут быть размазаны в пространстве, но если вы захотите определить, где же частица все-таки находится, то вы всегда обнаружите в каком-то месте всю частицу целиком, то есть она как бы схлопнется из своего размазанного состояния в какое-то определенное место. То есть считается, что пока вы не измерили положение частицы, она вообще не имеет положения, и физика только может предсказать, с какой вероятностью в каком месте вы можете обнаружить частицу.

Эрвин Шредингер, один из создателей квантовой физики, задался вопросом: а что, если в зависимости от от результата измерения состояния какой-нибудь микрочастицы происходит или не происходит какое-нибудь событие. Например, это можно было бы реализовать следующим образом: берется радиоактивный атом с периодом полураспада, скажем, час. Атом можно поместить в непрозрачный ящик, поставить туда устройство, которое при попадании на него продуктов радиоактивного распада атома разбивает ампулу с ядовитым газом, и посадить в этот ящик кота. Тогда вы извне не увидите, распался атом или нет, то есть по квантовой теории он одновременно распался и не распался, а кот, стало быть, одновременно жив и мертв. Такого кота стали называть котом Шредингера.

Может показаться удивительным, что кот может быть одновременно жив и мертв, хотя формально здесь нет противоречия и это не является опровержением квантовой теории. Однако могут возникнуть вопросы, например: кто может осуществить схлопывание атома из размазанного в определенное состояние, а кто при такой попытке сам переходит в размазанное состояние? Как протекает этот процесс схлопывания? Или как же получается, что тот, кто осуществляет схлопывание, сам не подчиняется законам квантовой физики? Имеют ли эти вопросы смысл, и, если да, то каковы на них ответы — до сих пор неясно.

George Panin
окончил РХТУ им. Д.И. Менделеева, главный специалист исследовательского департамента (маркетинговые исследования)

Копенгагенская интерпретация эксперимента говорит нам о том, что система перестаёт быть смешением состояний и выбирает одно из них в тот момент, когда происходит наблюдение, оно же измерение (коробка открывается). То есть сам факт измерения меняет физическую реальность, приводя к коллапсу волновой функции (котик либо становится мёртвым, либо остаётся живым, но перестаёт быть смешением того и другого)! Вдумайтесь, эксперимент и измерения, ему сопутствующие, меняют реальность вокруг нас. Лично мне этот факт выносит мозг гораздо сильнее алкоголя. Небезызвестный Стив Хокинг тоже тяжело переживает этот парадокс, повторяя, что когда он слышит про кота Шредингера, его рука тянется к браунингу. Острота реакции выдающегося физика-теоретика связанна с тем, что по его мнению, роль наблюдателя в коллапсе волновой функции (сваливанию её к одному из двух вероятностных) состояний сильно преувеличена.

Конечно, когда профессор Эрвин в далеком 1935 г. задумывал свое кото-измывательство это был остроумный способ показать несовершенство квантовой механики. В самом деле, кот не может быть жив и мертв одновременно. В результате одной из интерпретаций эксперимента стала очевидность противоречия законов макро-мира (например, второго закона термодинамики — кот либо жив, либо мертв) и микро-мира (кот жив и мертв одновременно).

Вышеописанное применяется на практике: в квантовых вычислениях и в квантовой криптографии. По волоконно-оптическому кабелю пересылается световой сигнал, находящийся в суперпозиции двух состояний. Если злоумышленники подключатся к кабелю где-то посередине и сделают там отвод сигнала, чтобы подслушивать передаваемую информацию, то это схлопнет волновую функцию (с точки зрения копенгагенской интерпретации будет произведено наблюдение) и свет перейдёт в одно из состояний. Проведя статистические пробы света на приёмном конце кабеля, можно будет обнаружить, находится ли свет в суперпозиции состояний или над ним уже произведено наблюдение и передача в другой пункт. Это делает возможным создание средств связи, которые исключают незаметный перехват сигнала и подслушивание.

Наверняка многие сталкивались с этой загадочной формулировкой. А большинство до конца не могли понять, в чем суть дела. Кот Шредингера – это эксперимент, который назван по фамилии создателя, австрийского физика и одного из основоположника квантовой механики. В нашем материале мы просто и кратко рассказываем про смысл эксперимента. Для чего он был нужен?

Эрвин Шредингер – известный физик-теоретик. В 1935 году он решил провести виртуальный эксперимент с котом. Все это, чтобы доказать, что копенгагенская интерпретация суперпозиции (смешения двух состояний) не совсем верна в отношении к квантовой теории.

В чем суть эксперимента?

Шредингер мысленно помещает живого кота в стальную камеру вместе с молотом, флаконом синильной кислоты и очень небольшим количеством радиоактивного вещества. Если хотя бы один атом радиоактивного вещества распадется в течение испытательного периода, механизм реле спустит молот. А вот тот уже перевернет флакон с ядовитым газом и заставит кота умереть.

Для чего Шредингер это придумывает?

Эрвин Шредингер хотел указать на странное заключение квантовых теоретиков. Они считали, что обычный человек может увидеть истинное состояние материи невооруженным глазом. Копенгагенская интерпретация квантовой физики была доминирующей в то время. Она считала, что атомы или фотоны существуют в нескольких состояниях в один момент (находятся в суперпозиции) и не переходят в определенное, пока они не наблюдаются.

Эксперимент Шредингера гововит о том, что наблюдатель не может знать, распался атом вещества или нет. К тому же наблюдатель не знает, разбился ли флакон и погиб ли кот. В соответствии с копенгагенской интерпретацией, кот будет жив и мертв, пока кто-то не заглянет в коробку. В квантовой механике способность кошки быть живой и мертвой до тех пор, пока ее не наблюдают, называется квантовой неопределенностью или парадоксом наблюдателя. Логика, лежащая в основе парадокса наблюдателя, заключается в том, что наблюдения могут определять результаты.

Шредингер согласился с тем, что суперпозиция существует. Кстати, при его жизни ученые смогли доказать это, изучая интерференцию в световых волнах. Но он задавался вопросом о том, когда на самом деле суперпозиция сменяется определенным состояние. Эксперимент Шредингера заставил людей задаться вопросом. На самом ли деле возможно определить исход жизни кота, открыв коробку (посмотреть на него)?

Но будет кот жив или мертв, даже если коробку не открывать?

Этим парадоксальным мысленным экспериментом Шредингер доказал ошибочность копенгагенской интерпретации в квантовой физике. Эта интерпретация может срабатывать на микроскопическом уровне. Но к макроскопическому миру она не имеет отношения (кот взят как пример макроскопического мира). То, что ученые знали о природе материи на микроскопическом уровне и то, что люди наблюдают на макроскопическом уровне, еще полностью не изучено. Роль наблюдателя остается важным вопросом в изучении квантовой физики и является бесконечным источником предположений.

Описание эксперимента

Оригинальная статья Эрвина Шредингера вышла в свет в 1935 году. В ней эксперимент был описан с использованием приема сравнение или даже олицетворение:

Можно построить и случаи, в которых довольно бурлеска. Пусть какой-нибудь кот заперт в стальной камере вместе со следующей дьявольской машиной (которая должна быть независимо от вмешательства кота): внутри счётчика Гейгера находится крохотное количество радиоактивного вещества, столь небольшое , что в течение часа может распасться только один атом, но с такой же вероятностью может и не распасться; если же это случится, считывающая трубка разряжается и срабатывает реле, спускающее молот, который разбивает колбочку с синильной кислотой.

Объяснение простыми словами

Суть человеческим языком: эксперимент Шредингера показал, что, с точки зрения квантовой механики, кот одновременно и жив, и мертв, чего быть не может. Следовательно, квантовая механика имеет существенные изъяны.

Вопрос стоит так: когда система перестаёт существовать как смешение двух состояний и выбирает одно конкретное? Цель эксперимента — показать, что квантовая механика неполна без некоторых правил, которые указывают, при каких условиях происходит коллапс волновой функции, и кот либо становится мёртвым, либо остаётся живым, но перестаёт быть смешением того и другого. Поскольку ясно, что кот обязательно должен быть либо живым, либо мёртвым (не существует состояния, промежуточного между жизнью и смертью), то это будет аналогично и для атомного ядра. Оно обязательно должно быть либо распавшимся, либо нераспавшимся (Википедия).

Остался ли кот живым в результате эксперимента?

НИ ОДИН КОТ НЕ ПОСТРАДАЛ

Отзывы и комментарии

Если у вас есть чем поделиться относительного понимания парадокса Шредингера, можете написать об этом ниже.

Оформление или структура статьи оставляет желать лучшего.

Должно отверстать её согласно Правилам Оформления.

Кот Шрёдингера

Автор

Первоисточник

Время

Секция

Школа/Область исследования

Состояние

Статус

Кот Шредингера - Мысленный Эксперимент, предложенный австрийским учёным, лауреатом Нобелевской Премии по Физике и основателем квантовой механики Эрвином Шредингером в 1935 году в одноимённой статье для показание неприменимости квантовой физики к макросистемам и вынужденным дополнением таковой.

Содержание

Формулировка [ ]

Оригинальная [ ]

"Можно построить и случаи, в которых довольно бурлеска. Некий кот [1] заперт в стальной камере вместе со следующей адской машиной (которая должна быть защищена от прямого вмешательства кота): внутри счётчика Гейгера находится крохотное количество радиоактивного вещества, столь небольшое, что в течение часа может распасться только один атом, но с такой же вероятностью может и не распасться; если же это случится, считывающая трубка разряжается и срабатывает реле, спускающее молот, который разбивает колбочку с синильной кислотой. Если на час предоставить всю эту систему самой себе, то можно сказать, что кот будет жив по истечении этого времени, коль скоро распада атома не произойдёт. Первый же распад атома отравил бы кота. Пси-функция системы в целом будет выражать это, смешивая в себе или размазывая живого и мёртвого кота (простите за выражение) в равных долях.

начает ничего неясного или противоречивого. Есть разница между нечётким или расфокусированным фото и снимком облаков или тумана"

Простым слогом писанная [ ]

Как известно, в квантовой механики субатомные системы (то есть очень маленькие) в момент отсутствия наблюдения находятся в суперпозиции - то есть в двух состояния одновременно. Почему дело обстоит так, очень легко понять на примере подкиданной монетки. Предположим, вы, играя в орлянку, подкидываете монету. Невооружённым глазом Вы не можете понять во время полёта монетки как выпадет таковая. Но, как известно, Вы можете поставить некий датчик, к примеру, камеру замедленной съёмки, и понять коим образом монета располагается в пространстве во время полёта - мало того, Вам вовсе не необходимо наблюдение и Вы сполна можете, зная об весе монете, её положении во время броска и силе этого броска, при расчётах заранее знать положение монеты. Иным же образом всё обстоит на квантовом уровне - само наблюдение есть действие за малостью наблюдаемого. Дабы увидеть, к примеру, направленность вращения электрона по оси (спин), Вы должны запустить в таковой тот же фотон - поймать "монетку" в полёте. То есть вы не имеете возможности таковую увидеть летя, а то значит, что "монетка", субатомная система, в момент своего полёта недосягаема, а само наблюдение меняет её характеристи

ки (что показывают неравенства Белла) - в момент же полёта она находится в нескольких позициях сразу, то есть в "суперпозиции". Шрёдингер предлагает поместить кота (то есть макросистему) в коробку и сделать жизнь такового зависящей от находящейся в суперпозиции субатомной системы. Тогда, ибо жизнь кота находится в зависимости от неопределённой субатомной системы, сам кот начинает подчинятся субатомным правилам и впадает в мир, наполненный законами квантового мира, то есть в суперпозицию - став одновременно и живым, и мёртвым, то есть "живомёртвым" котом. Но, очевидно, кот не может быть одновременно живым и мёртвым - он либо жив либо мёртв, что мы не узнаем пока не откроем контейнер, то есть макросистема не подчинилась законам микромира.

Интерпретации (А что с котом?) [ ]

Кот находится в весьма неблагоприятном положении

Однако, различные интерпретации квантовой механики не согласны с нашим привычным мышлением жителей макромира и готовы оспорить таковое решение. Но прежде чем начать, мы должны понять, что ни одна таковая интерпретация не влияет на жизнь бедной зверушки - по философии позитивизма в целом и по критерию фальсифицируемости Поппера в частности, таковые и вовсе являются ненаучными, ибо интерпретации эти не сколь не влияют на саму квантовую физику, а оперируют, как раз, непроверяемыми концепциями, касающимися ненаблюдаемого, к примеру, Кота Шредингера. Фактически, главная цель всех интерпретаций (некоторые из коих согласуется далеко не хорошо) квантовой механики сделать процесс рассуждения при рассмотрении хода экспериментов квантовой физике проще, а саму квантовую физику - на уровне бытийного мышления чуть понятней. Итак, начнём.

Копенгагенская интерпретация [ ]

Многомировая интерпретация [ ]

Многомировая интерпретация гласит, что, просто говоря, наблюдение субатомных объектов или объектов от них зависящих приводить к "расщеплению" мира на два мира с различно случившимися наблюдениям. То есть, по Многомировой интерпретации, когда мы открываем ящик с котом, мы видим, к примеру, живого кота, но в тот же момент Вселенная "расщепляется", и мы же в другой вселенной видим кота мёртвого (или живого, если те мы, что видели живого кота, увидели мёртвого). Это, кстати, может наглядно показывать наличие совершенно противоположных Вселенных - к примеру, некто Х увидев кота живого в детстве вырастет обычным человеком, но тот же Х при прочих предпосылках, можно предположить, увидев кота мёртвого, всю жизнь, возможно, будет ненавидеть физиков - и повторение таковых процессов когда-нибудь приведёт к существованию полностью диаметральных Вселенных. Из этого следует весьма забавный вывод, что чем больше происходит экспериментов по квантовой механике, к примеру, чем больше происходит "Котов Шредингера" в реальности, тем более различные Вселенные появляются на свет.

Кот-Наблюдатель (уточнение) [ ]

Также стоит помнить, что кот как таковой, даже ничего не понимая в квантовой физике, также является наблюдателем, что полностью исключает факт его нахождения в суперпозиции. Тогда, с точки зрения Копенгагенской интерпретации, кот, в случае своей смерти, окажется в одной позиции, а человек, позже открывший коробку, будет своего рода "другом Вигнера", коего мы разберём ниже (из-за чего пока оставим уточнение в Копенгагенской интерпретации). Но, с точки зрения Многомировой интерпретации, кот наблюдая сам себя одной своей версией всегда будет оставаться жив, а другой, не наблюдающей, мёртв, что означает то, что кот сам для себя будет живой, а для наблюдателя, вскрывшего коробку - либо живой, либо мёртвый. При сомнениях относительно способности кота наблюдать, кота заменяют человеком и получают МЭ "Квантовое самоубийство". Однако, в данном случае появляются вопросы относительно расщепления сознания - и тогда, вероятно, мы вернёмся на круги своя в лице

того, что одна версия кота-наблюдателя будет наблюдать смерть, а другая - всю тот же унылый контейнер. И не что не гарантирует Вам, что Вы будете тем котом-наблюдателем, что выживет - хотя, если Многомировая интерпретация верна, одна из ваших версий-наблюдателей выживет спустя огромное количество времени, выйдет из ящика и докажет факт существования Многомировой интерпретации.

Друзья Вигнера [ ]

Взрывчатка Шрёдингера [ ]

Замена [ ]

Ваш любимый динамит

Тогда, исходя из "друзей" и "кота-наблюдателя", скажем мы, кота необходимо заменить нечем, что не сможет себя наблюдать, ибо в обоих интерпретациях, как мы поняли, именно кот мешает находится в суперпозиции себе - и пусть на месте кота будет маленькое количество взрывчатки, какая взорвётся при распаде радиоактивного вещества, но при том не одна её частица не коснётся стенок коробки и не передаст таковой импульс. Тогда не что не будет говорить стороннему наблюдателю коробки о взрыве или отсутствии взрыва и до открытия таковой, как и в случае с котом, но и наблюдатель - кот будет отсутствовать. Тогда, заявив об отсутствии "объективной реальности", мы сделаем вывод, что взрывчатка и правда находится в суперпозиции.

Взрывчатка-наблюдатель [ ]

Однако, тогда мы можем настоять на том, что утверждение важности наблюдения весьма сомнительно, если таковое есть лишь частный случай взаимодействия субатомной системы с макросистемой. Сказав это, мы, вероятно, окажемся гораздо ближе, чем если будет утверждать, что мир определяется только наблюдением - ибо, если мы начнём измерять спин электрона, но не будем смотреть результат такового измерения - изменится ли результат измерения? Тогда даже взрывчатка может быть "наблюдателем" - по взаимодействию себя, макросистемы, с субатомной. Фактически, мы попадаем в ловушку: ибо мы есть макросистемы и только мы судим (как минимум, мы так считаем) о субатомных системах, мы связываем два этих действия и считаем, что наблюдение и есть только то взаимодействие с субатомным миром, что приводит к коллапсу волновой функции. Однако, мы даже так предположив, не можем понять, что истинно - "только наблюдение" и "любое взаимодействие", что ещё раз показывает что, по критерию фальсифицируемости, интерпретации квантовой механики, конечно, весьма интересны и близки к науке и факту, но при том ненаучны за своей непроверяемостью.

Друзья взрывчатки [ ]

Тогда, если соединить "Друзей Вигнера" и "Взрывчатку-наблюдателя", можно получить весьма понятную картину. Предположим наш второй наблюдатель - простейший робот, начинённые взрывчаткой, а "друзья" - мир действия, полностью состоящий из динамитов Тогда предположим, что робот, увидев взорванную взрывчатку и также взрывается. Наш наблюдатель№2 открывает коробку и видит, также допустим, что взрывчатка в коробке взорвалась. Тогда наш робот также взорвётся - и запустит цепную реакцию взрыва динамитов, пока мир нашего МЭ не взорвётся весь полностью. То есть для мира данного взрывчатка будет взорвавшейся, а, предположим, для соседней динамитной планеты. пока до неё не долетит свет от этой, взрывчатка будет находится в суперпозиции. И тогда мы поймём что дело не в наблюдении, а взаимодействии с макросистемой.

В культуре [ ]

Пожалуй, никто не сделал больше для популяризации квантовой механики, чем бедолага-кот. Даже самые далёкие от этой сложной области знания люди, взволнованные судьбой вероятно страдающей зверушки, пытаются разобраться в тонкостях эксперимента, надеясь, что не всё так плохо. Кот вдохновляет деятелей искусства и массовой культуры. Упомянем же основные его заслуги:

Литература [ ]

Экран [ ]

Комиксы / манга [ ]

Музыка [ ]

Любая шутка про кота Шрёдингера смешная и несмешная одновременно.
Шрёдингер и Гейзенберг едут по трассе на конференцию, Шрёдингер за рулём. Внезапно раздаётся удар и он останавливает машину. Гейзенберг выглядывает на дорогу:

— Боже мой, похоже я сбил кота! — Он умер? — Не могу сказать точно.

Шрёдингер ходил по комнате в поисках нагадившего котёнка, а тот сидел в коробке ни жив ни мертв.

Прочее [ ]

В связи с открытием кафедры теологии МИФИ в сети получила распространение такая картинка.
Существует научно-популярный журнал "Кот Шрёдингера".

Сноски [ ]

? На самом деле у Шрёдингера была кошка, die Katze, но в обиходе прижился именно кот.

Ссылки [ ]

Про Кота Шрёдингера можно также прочитать на Википедии и Бестиарии Мысленных Экспериментов, откуда частично взяты материалы статьи.

Читайте также: