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?
В квантовой механике считается, что если за ядром никто и ничто не наблюдает, то он находится в смешанном, неопределенном состоянии. И распавшемся, и не распавшемся сразу. А вот когда появляется наблюдатель, ядро оказывается в одном из состояний. Кстати, эксперимент Шредингера имел цель – выяснить, в какой именно момент «кот одновременно мертвый и живой». А также когда выявляется конкретное состояние. Ученый хочет доказать, что квантовая механика невозможна без тонких деталей. А они определяют, при каких именно условиях случается коллапс волновой функции (изменение состояния). А также определяют, когда объект остается в одном из возможных состояний (никак не в нескольких сразу).
Эрвин Шредингер хотел указать на странное заключение квантовых теоретиков. Они считали, что обычный человек может увидеть истинное состояние материи невооруженным . 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 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 ). 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.
В 1935 году, ярым противником только что возникшей квантовой механики, Эриком Шрёдингером была опубликована статья, предполагавшая обличить и доказать несостоятельность новой ветки развития физики.
Суть статьи заключается в проведении мысленного эксперимента :
- В совершенно герметичном ящике размещается живой кот.
- Рядом с котом помещается счётчик Гейгера, в котором располагается один радиоактивный атом.
- Напрямую к счётчику Гейгера присоединяется колба наполненная кислотой.
- Возможный распад радиоактивного атома приведёт в действие счётчик Гейгера, который, в свою очередь, разобьёт колбу и вылившаяся из неё кислота убьёт кота.
- Останется ли живым кот или же умрёт, если будет находиться вместе с такими неудобными соседями?
- Для эксперимента выделяется один час.
Ответ, на данный вопрос и был призван доказать несостоятельность квантовой теории, в основе которой лежит суперпозиция: закон парадокса — все микрочастицы нашего мира всегда одномоментно находятся в двух состояниях, до тех пор, пока за ними не начинают наблюдать.
То есть, находясь в замкнутом пространстве (квантовая теория), наш кот, как и его непредсказуемый сосед — атом, синхронно присутствуют в двух состояниях :
- Живой, и в то же время мёртвый кот.
- Распавшийся, и в то же время не распавшийся атом.
Что, согласно классической физики, является совершеннейшим абсурдом. Невозможно одномоментное существование таких, взаимоисключающих, вещей.
И это правильно, но только с точки зрения макромира. Тогда как в микромире действуют совершенно другие законы, и потому Шрёдингер ошибался, применяя законы макромира к отношениям внутри микромира. Не понимая, что целенаправленное наблюдение за происходящими неопределённостями микромира, устраняют последние.
Другими словами, если открыть замкнутую систему, в которую помещён кот вместе с радиоактивным атомом, мы увидим лишь одно из возможных состояний испытуемого.
Это и удалось доказать американскому физику из университета штата Арканзас, Арту Хобсону (Art Hobson). Согласно его теории, если соединить микросистему (радиоактивный атом) с макросистемой (счётчиком Гейгера), последняя обязательно проникнется состоянием квантовой запутанности первой и перейдёт в суперпозицию. А, так как мы не можем произвести непосредственное наблюдение этого явления, оно для нас станет неприемлемым (что и доказывал Шрёдингер).
Итак, мы выяснили, что атом и счётчик радиации находятся в одной суперпозиции. Тогда кем или чем, для этой системы, можно назвать кота? Если рассуждать логически, кот, в этом случае, становится указателем состояния радиоактивного ядра (попросту — индикатором):
- Кот — живой, ядро не распалось.
- Кот — мёртвый, ядро распалось.
Однако, надо учесть и тот факт, что кот также является частью единой системы, так как тоже находится внутри ящика. Поэтому, согласно теории кванта, кот находится в, так называемой, не локальной связи с атомом, т.е. в запутанном состоянии , а значит в суперпозиции микромира.
Отсюда следует, что, при внезапном изменении одного из объектов системы, тоже произойдёт и с другим объектом, как бы далеко друг от друга они не находились. Мгновенная смена состояния обоих объектов, доказывает, что мы имеем дело с единой системой, просто разделённой пространством на две части.
А значит, можно с уверенностью говорить о том, что кот Шрёдингера сиюминутно, либо жив, если атом не распался, либо мёртв, если произошёл распад атома.
И все-таки, именно благодаря мысленному эксперименту Шрёдингера, был сконструирован математический прибор описывающий суперпозиции микромира. Эти знания нашли широкое применение в криптографии и компьютерных технологиях.
Напоследок хотелось бы отметить неиссякаемую любовь к таинственному парадоксу «кота Шрёдингера» со стороны всевозможных писателей и кинематографа. Вот только несколько примеров :
- Магический устройство, под названием, «Кот Шрёдингера», в романе Лукьяненко «Последний Дозор».
- В детективном романе Дугласа Адамса «Детективное агентство Дирка Джентли», идёт живое обсуждение проблемы кота Шрёдингера.
- В романе Р. Э. Хайнлайна «Кот, проходящий сквозь стены», главный герой, кот, почти постоянно находится одномоментно в двух состояниях.
- Знаменитый чеширский кот Льюиса Кэрролла в романе «Алисы в стране чудес», любит, одномоментно появляться сразу в нескольких местах.
- В романе «451 градус по Фаренгейту» Рэй Брэдбери поднимает вопрос о коте Шрёдингера, в образе живого — мёртвого механического пса.
- В романе «Маг-целитель» Кристофер Сташеф весьма своеобразно описывает своё видение кота Шрёдингера.
И ещё много других фееричных, совершенно невозможных представлений о таком загадочном мысленном эксперименте.
В 1935 году великий физик, нобелевский лауреат и основоположник квантовой механики Эрвин Шрёдингер сформулировал свой знаменитый парадокс.
Учёный предположил, что если взять некого кота и поместить его в стальную непрозрачную коробку с "адской машиной", то через час он будет жив и мёртв одновременно. Механизм в коробке выглядит следующим образом: внутри счётчика Гейгера находится микроскопическое количество радиоактивного вещества, способного распасться за час лишь на один атом; при этом оно с той же вероятностью может и не распасться. Если распад всё же произойдёт, то сработает рычажный механизм и молоток разобьёт сосуд с синильной кислотой и кот погибнет; если распада не будет, то сосуд останется цел, а кот — жив и здоров.
Если бы речь шла не о коте и коробке, а о мире субатомных частиц, то учёные бы сказали, что кот и жив и мёртв одновременно, однако в макромире такое умозаключение некорректно. Так почему же мы оперируем такими понятиями, когда речь идёт о более мелких частицах материи?
Иллюстрация Шрёдингера является наилучшим примером для описания главного парадокса квантовой физики: согласно её законам, частицы, такие как электроны, фотоны и даже атомы существуют в двух состояниях одновременно ("живых" и "мёртвых", если вспоминать многострадального кота). Эти состояния называются суперпозициями .
Американский физик Арт Хобсон (Art Hobson) из университета Арканзаса (Arkansas State University) предложил своё решение данного парадокса.
"Измерения в квантовой физике базируются на работе неких макроскопических устройств, таких как счётчик Гейгера, при помощи которых определяется квантовое состояние микроскопических систем — атомов, фотонов и электронов. Квантовая теория подразумевает, что если вы подсоедините микроскопическую систему (частицу) к некому макроскопическому устройству, различающему два разных состояния системы, то прибор (счётчик Гейгера, например) перейдёт в состояние квантовой запутанности и тоже окажется одновременно в двух суперпозициях. Однако невозможно наблюдать это явление непосредственно, что делает его неприемлемым", — рассказывает физик.
Хобсон говорит, что в парадоксе Шрёдингера кот играет роль макроскопического прибора, счётчика Гейгера, подсоединённого к радиоактивному ядру, для определения состояния распада или "нераспада" этого ядра. В таком случае, живой кот будет индикатором "нераспада", а мёртвый кот — показателем распада. Но согласно квантовой теории, кот, так же как и ядро, должен пребывать в двух суперпозициях жизни и смерти.
Вместо этого, по словам физика, квантовое состояние кота должно быть запутанным с состоянием атома, что означает что они пребывают в "нелокальной связи" друг с другом. То есть, если состояние одного из запутанных объектов внезапно сменится на противоположное, то состояние его пары точно также поменяется, на каком бы расстоянии друг от друга они ни находились. При этом Хобсон ссылается на этой квантовой теории.
"Самое интересное в теории квантовой запутанности — это то, что смена состояния обеих частиц происходит мгновенно: никакой свет или электромагнитный сигнал не успел бы передать информацию от одной системы к другой. Таким образом, можно сказать, что это один объект, разделённый на две части пространством, и неважно, как велико расстояние между ними", — поясняет Хобсон.
Кот Шрёдингера больше не живой и мёртвый одновременно. Он мёртв, если произойдёт распад, и жив, если распад так и не случится.
Добавим, что похожие варианты решения этого парадокса были предложены ещё тремя группами учёных за последние тридцать лет, однако они не были восприняты всерьёз и так и остались незамеченными в широких научных кругах. Хобсон отмечает , что решение парадоксов квантовой механики, хотя бы теоретические, совершенно необходимы для её глубинного понимания.
Энциклопедичный YouTube
1 / 5
✪ 🔶 Кот Шредингера
✪ Физика - Квантовая теория. Кот Шрёдингера и двойная щель.
✪ Кот Шрёдингера
✪ Кот Шредингера
✪ Кот Шрёдингера мысленный эксперимент в квантовой механике
Субтитры
[музыка] Австрийский физик Эрвин Шрёдингер является одним из основателей квантовой механики. Однако он известен благодаря тому, чего никогда не делал - мысленного эксперимента связанного с котом. Он предложил поместить кота в запечатанный контейнер вместе с устройством, имеющим 50% шанс убить его в течение часа. Спустя час, ученому стало интересно в каком же состоянии находится кот? Здравый смысл подсказывает, что тот либо жив, либо мертв. Но Шрёдингер обратил внимание, что согласно квантовой физике, в момент перед открытием контейнера, кот равнозначно жив и мертв, в одно и тоже время. И только после открытия контейнера, мы можем увидеть единственное определенное состояние животного. До этого он пребывает в состоянии неопределенности - наполовину в одном состоянии, наполовину - в другом. Это кажется абсурдным, на что и обратил внимание Шрёдингер. Он обнаружил, что квантовая физика настолько философски противоречива, что забросил теорию, которую сам же помог создать и обратился к работам по биологии. Несмотря на кажущуюся абсурдность, эксперимент Шрёдингера весьма реален. Более того, важность его бесспорна. пребывать в двух состояниях одновременно, Если бы у квантовых объектов не было возможности то и не существовало бы компьютера, с помощью которого вы смотрите это видео. Квантовый феномен Суперпозиции является следствием двойственного, материально-волнового происхождения сущего. Для того, чтобы любой объект имел свойства волны, он должен простираться на определенное расстояние. Тем самым, он займет множество позиций одновременно. Тем не менее, длина волны любого объекта, ограниченного небольшим участком пространства, не может быть однозначно определена и объект существует как множество волн одновременно. Нам недоступны свойства волн повседневных объектов, поскольку длина волны уменьшается только при увеличении импульса. И кот кажется относительно большим и тяжелым. Если взять отдельный атом и увеличить его до размеров Солнечной системы, то длина волны кота, убегающего от физика, была бы так же мала, как и атом внутри такой Солнечной системы. Она слишком мала для обнаружения, поэтому мы никогда не увидим как кот ведёт себя как волна. В то же время микрочастица, такая как электрон, может продемонстрировать впечатляющее доказательство своего двойственного происхождения. Если один за другим направлять электроны сквозь две узких щели в преграде, каждый электрон ведет себя как частица, и в конечном итоге оказывается в определенном месте в каждый конкретный момент. Но если многократно повторять этот эксперимент, отслеживая все отдельные результаты, можно заметить, что электроны образуют рисунок, который характерен для поведение волны. Комбинации полос - областей с множеством электронов, отделенных областями, где их нет вообще. Если заблокировать одну из щелей, полосы исчезнут. Это доказывает, что рисунок является следствием прохождения каждого электрона сквозь обе щели одновременно. Отдельный электрон не определяет, отправиться ему налево или направо, он проходит слева и справа одновременно. Эта Суперпозиция состояний также приводит нас к современным технологиям. Любой электрон, находясь около ядра в любом атоме, существует в форме распределенной, волнообразной орбиты. При сближении двух атомов, электронам не приходится выбирать только один атом, они распределяются между ними. Таким образом формируются химические связи. Любой электрон в любой молекуле связан не только с атомом А или Б, но с А и Б одновременно. При увеличении количества атомов, электроны рассредотачиваются еще дальше, распределяясь между большим количеством атомов одновременно. В твердом теле электроны не связаны с конкретным атомом, они распределяются между ними всеми, распространяясь на больший объем пространства. Эта гигантская Суперпозиция состояний определяет способы, которыми электроны двигаются сквозь материю, будь-то проводник, диэлектрик или полупроводник. Понимание того, как электроны распределяются между атомом, позволяет максимально точно контролировать свойства полупроводниковых материалов, таких как кремний. Правильное комбинирование различных полупроводников позволяет нам создавать транзисторы на миниатюрном уровне - миллионы их приходятся на один компьютерный чип. Такие чипы и их распределенные электроны помогают работать компьютеру, который вы используете для просмотра этого видео. Согласно старой шутке, интернет существует с целью распространения видео о котиках. На самом деле, на базовом уровне, интернет обязан своему существованию Австрийскому физику и его воображаемому коту.
Суть эксперимента
Фактически Хокинг и многие другие физики придерживаются мнения, что «Копенгагенская школа» интерпретации квантовой механики подчёркивает роль наблюдателя безосновательно. Окончательного единства среди физиков по этому вопросу всё ещё не достигнуто.
Распараллеливание миров в каждый момент времени соответствует подлинному недетерминированному автомату в отличие от вероятностного, когда на каждом шаге выбирается один из возможных путей в зависимости от их вероятности.
Парадокс Вигнера
Это усложнённый вариант эксперимента Шрёдингера. Юджин Вигнер ввёл категорию «друзей». После завершения опыта экспериментатор открывает коробку и видит живого кота. Вектор состояния кота в момент открытия коробки переходит в состояние «ядро не распалось, кот жив». Таким образом, в лаборатории кот признан живым. За пределами лаборатории находится друг . Друг ещё не знает, жив кот или мёртв. Друг признает кота живым только тогда, когда экспериментатор сообщит ему исход эксперимента. Но все остальные друзья ещё не признали кота живым, и признают только тогда, когда им сообщат результат эксперимента. Таким образом, кота можно признать полностью живым (или полностью мёртвым) только тогда, когда все люди во вселенной узнают результат эксперимента. До этого момента в масштабе Большой Вселенной кот, согласно Вигнеру, остаётся живым и мёртвым одновременно .
(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.
Эксперимент (который в принципе может быть выполнен, хотя работающие системы квантовой криптографии, способные передавать большие объёмы информации, ещё не созданы) также показывает, что «наблюдение» в копенгагенской интерпретации не имеет отношения к сознанию наблюдателя, поскольку в данном случае к изменению статистики на конце кабеля приводит совершенно неодушевлённое ответвление провода.