Kot Schrödingera: esencja w prostych słowach

Wiele osób słyszało to wyrażenie, ale być może nie każdy rozumie nawet jego uproszczone znaczenie. Spróbujmy to rozgryźć bez skomplikowanych teorii i formuł.

Kot Schrödingera ” to nazwa słynnego eksperymentu myślowego słynnego austriackiego fizyka teoretycznego Erwina Schrödingera, który jest także laureatem Nagrody Nobla. Za pomocą tego fikcyjnego doświadczenia naukowiec chciał pokazać niekompletność mechaniki kwantowej w przejściu od układów subatomowych do układów makroskopowych.

Oryginalny artykuł Erwina Schrödingera został opublikowany w 1935 roku. Oto cytat:

Możesz też konstruować przypadki, w których burleska wystarczy. Niech jakiś kot zostanie zamknięty w stalowej komorze wraz z następującą diabelską maszyną (która powinna być niezależna od interwencji kota): wewnątrz licznika Geigera znajduje się niewielka ilość substancji radioaktywnej, tak mała, że ​​tylko jeden atom może rozpaść się w ciągu godziny, ale z taką samą prawdopodobieństwo nie może się rozpaść; jeśli tak się stanie, lampka odczytowa zostaje rozładowana i przekaźnik zostaje uruchomiony, zwalniając młotek, który rozbija stożek kwasem cyjanowodorowym.

Jeśli zostawisz cały ten system sam sobie na godzinę, to możemy powiedzieć, że kot po tym czasie będzie żył, o ile nie nastąpi rozpad atomu. Już pierwszy rozpad atomu zatrułby kota. Funkcja psi całego systemu wyraża to przez mieszanie lub rozmazanie żywego i martwego kota (przepraszam za wyrażenie) w równych częściach. Typowe w takich przypadkach jest to, że niepewność, początkowo ograniczona do świata atomowego, jest przekształcana w niepewność makroskopową, którą można wyeliminować poprzez bezpośrednią obserwację. Uniemożliwia nam to naiwne zaakceptowanie „modelu rozmycia” jako odzwierciedlającego rzeczywistość. Samo w sobie nie oznacza to niczego niejasnego ani sprzecznego. Istnieje różnica między rozmazanym lub nieostrym zdjęciem a zdjęciem chmur lub mgły.

  • Jest pudełko i kot. Pudełko zawiera mechanizm zawierający radioaktywne jądro atomowe oraz pojemnik z trującym gazem. Parametry eksperymentu zostały tak dobrane, aby prawdopodobieństwo rozpadu jądra w ciągu 1 godziny wynosiło 50%. Jeśli jądro rozpadnie się, pojemnik z gazem otwiera się i kot umiera. Jeśli jądro nie rozpadnie się, kot pozostaje żywy i zdrowy.
  • Zamykamy kota w pudełku, czekamy godzinę i zadajemy sobie pytanie: czy kot żyje czy nie żyje?
  • Mechanika kwantowa niejako mówi nam, że jądro atomowe (a zatem i kot) znajduje się we wszystkich możliwych stanach jednocześnie (patrz superpozycja kwantowa). Zanim otworzyliśmy pudełko, układ „kociego rdzenia” jest w stanie „jądro rozpadło się, kot nie żyje” z prawdopodobieństwem 50% oraz w stanie „jądro nie uległo rozkładowi, kot żyje” z prawdopodobieństwem 50%. Okazuje się, że kot siedzący w budce jest jednocześnie żywy i martwy.
  • Według współczesnej interpretacji kopenhaskiej kot żyje / jest martwy bez żadnych stanów pośrednich. A wybór stanu rozpadu jądrowego następuje nie w momencie otwarcia pudełka, ale także w momencie, gdy jądro wchodzi do detektora. Ponieważ redukcja funkcji falowej układu „kat-detektor-jądro” nie jest związana z człowiekiem-obserwatorem w pudełku, ale jest związana z detektorem-obserwatorem jądra.
  • Zgodnie z mechaniką kwantową, jeśli nie prowadzi się obserwacji nad jądrem atomu, to jego stan jest opisywany przez zmieszanie dwóch stanów – jądra rozpadającego się i jądra nierozdzielonego, a zatem kot siedzący w pudełku i uosabiający jądro atomu jest jednocześnie żywy i martwy. Jeśli pudełko jest otwarte, eksperymentator widzi tylko jeden określony stan – „jądro uległo rozkładowi, kot nie żyje” lub „jądro nie uległo rozkładowi, kot żyje”.

    Pytanie brzmi: kiedy system przestaje istnieć jako mieszanina dwóch stanów i wybiera jeden konkretny? Celem eksperymentu jest wykazanie, że mechanika kwantowa jest niekompletna bez pewnych reguł, które wskazują, w jakich warunkach zachodzi załamanie funkcji falowej, a kot albo staje się martwy, albo pozostaje żywy, ale przestaje być mieszaniną obu. Ponieważ jest jasne, że kot musi koniecznie być żywy lub martwy (nie ma stanu pośredniego między życiem a śmiercią), to samo będzie miało miejsce w przypadku jądra atomowego. Musi ulec dezintegracji lub nie (Wikipedia).

    Inną nowszą interpretacją eksperymentu myślowego Schrödingera jest historia Sheldona Coopera, bohatera serii Teoria wielkiego podrywu, którą recytował dla mniej wykształconego sąsiada Penny. Istotą opowieści Sheldona jest to, że koncepcję kota Schrödingera można zastosować w relacjach międzyludzkich. Aby zrozumieć, co dzieje się między mężczyzną a kobietą, jaki rodzaj relacji między nimi: dobry czy zły, wystarczy otworzyć pudełko. Wcześniej relacje są zarówno dobre, jak i złe.

    Poniżej znajduje się fragment dialogu Teorii Wielkiego Wybuchu między Sheldonem a śpiewem.

    Ilustracja Schrödingera jest najlepszym przykładem opisania głównego paradoksu fizyki kwantowej: zgodnie z jej prawami cząstki, takie jak elektrony, fotony, a nawet atomy istnieją w dwóch stanach jednocześnie („żywym” i „martwym”, jeśli pamiętacie długo cierpiącego kota). Te stany nazywane są superpozycjami.

    Amerykański fizyk Art Hobson z University of Arkansas (Arkansas State University) zaproponował rozwiązanie tego paradoksu.

    „Pomiary w fizyce kwantowej opierają się na działaniu pewnych makroskopowych urządzeń, takich jak licznik Geigera, które określają stan kwantowy mikroskopijnych układów – atomów, fotonów i elektronów. Teoria kwantowa sugeruje, że jeśli podłączysz mikroskopijny układ (cząstkę) do jakiegoś makroskopowego urządzenia, które rozróżnia dwa różne stany układu, to urządzenie (na przykład licznik Geigera) przejdzie w stan splątania kwantowego i jednocześnie będzie w dwóch superpozycjach. Niemożliwe jest jednak bezpośrednie obserwowanie tego zjawiska, co czyni je niedopuszczalnym ”- mówi fizyk.

    Hobson mówi, że w paradoksie Schrödingera kot odgrywa rolę makroskopowego instrumentu, licznika Geigera połączonego z radioaktywnym jądrem, w celu określenia stanu rozpadu lub „braku rozpadu” tego jądra. W takim przypadku żywy kot będzie wskaźnikiem „braku rozkładu”, a martwy kot wskaźnikiem rozkładu. Ale zgodnie z teorią kwantową kot, podobnie jak jądro, musi znajdować się w dwóch superpozycjach życia i śmierci.

    Zamiast tego, zdaniem fizyka, stan kwantowy kota powinien być splątany ze stanem atomu, co oznacza, że ​​są one ze sobą w „nielokalnym połączeniu”. Oznacza to, że jeśli stan jednego ze splątanych obiektów nagle zmieni się na przeciwny, stan jego pary zmieni się dokładnie w ten sam sposób, bez względu na to, jak daleko od siebie są. Robiąc to, Hobson odwołuje się do eksperymentalnego potwierdzenia tej teorii kwantowej.

    „Najciekawsze w teorii splątania kwantowego jest to, że zmiana stanu obu cząstek następuje natychmiast: żaden sygnał świetlny ani elektromagnetyczny nie zdążyłby przenieść informacji z jednego układu do drugiego. Możemy zatem powiedzieć, że jest to jeden obiekt, podzielony przestrzenią na dwie części, niezależnie od odległości między nimi ”- wyjaśnia Hobson.

    Kot Schrödingera nie jest już jednocześnie żywy i martwy. Jest martwy, jeśli nastąpi rozkład, i żyje, jeśli rozkład nigdy nie nastąpi.

    Dodajemy, że podobne opcje rozwiązania tego paradoksu zostały zaproponowane przez trzy kolejne grupy naukowców w ciągu ostatnich trzydziestu lat, ale nie zostały one potraktowane poważnie i pozostały niezauważone w szerokich kręgach naukowych. Hobson zauważa, że ​​rozwiązanie paradoksów mechaniki kwantowej, nawet teoretycznej, jest absolutnie niezbędne do jej głębokiego zrozumienia.

    Więcej o pracy fizyka można przeczytać w jego artykule, który został opublikowany w czasopiśmie Physical Review A.

    Ale ostatnio TEORETYKA WYJAŚNIAŁY, JAK GRAWITACJA ZABIJA KOTA SCHRODINGERA, ale to już jest trudniejsze …

    Z reguły fizycy wyjaśniają zjawisko polegające na tym, że superpozycja jest możliwa w świecie cząstek, ale niemożliwa w przypadku kotów lub innych makroobiektów, ingerencji ze środowiska. Kiedy obiekt kwantowy przechodzi przez pole lub wchodzi w interakcję z przypadkowymi cząstkami, natychmiast przyjmuje tylko jeden stan – tak jakby był mierzony. W ten sposób załamuje się superpozycja, jak sądzili naukowcy.

    Ale nawet jeśli w jakiś sposób stało się możliwe wyodrębnienie makroobiektu w stanie superpozycji od interakcji z innymi cząstkami i polami, to prędzej czy później nadal przyjmowałby jeden stan. Przynajmniej dotyczy to procesów zachodzących na powierzchni Ziemi.

    „Gdzieś w przestrzeni międzygwiazdowej może kot miałby szansę zachować spójność kwantową, ale na Ziemi lub w pobliżu jakiejkolwiek planety jest to bardzo mało prawdopodobne. A powodem tego jest grawitacja ”, wyjaśnia główny autor nowego badania, Igor Pikovski z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

    Pikovsky i jego koledzy z Uniwersytetu Wiedeńskiego argumentują, że grawitacja ma destrukcyjny wpływ na kwantowe superpozycje makroobiektów, dlatego nie obserwujemy takich zjawisk w makrokosmosie. Nawiasem mówiąc, podstawowa koncepcja nowej hipotezy została podsumowana w filmie fabularnym Interstellar.

    Ogólna teoria względności Einsteina głosi, że niezwykle masywny obiekt zagnie się w pobliżu czasoprzestrzeni. Biorąc pod uwagę sytuację na mniejszym poziomie, możemy powiedzieć, że dla cząsteczki umieszczonej blisko powierzchni Ziemi czas będzie płynął nieco wolniej niż dla tej na orbicie naszej planety.

    Ze względu na wpływ grawitacji na czasoprzestrzeń, cząsteczka, która znalazła się pod tym wpływem, doświadczy odchylenia w swoim położeniu. A to z kolei powinno wpłynąć na jej energię wewnętrzną – drgania cząstek w cząsteczce, które zmieniają się w czasie. Gdyby cząsteczka została wprowadzona w stan kwantowej superpozycji dwóch miejsc, wówczas związek między położeniem a energią wewnętrzną wkrótce zmusiłby cząsteczkę do „wybrania” tylko jednej z dwóch pozycji w przestrzeni.

    „W większości przypadków zjawisko dekoherencji jest związane z wpływem zewnętrznym, ale w tym przypadku wewnętrzna wibracja cząstek oddziałuje z ruchem samej cząsteczki” – wyjaśnia Pikovsky.

    Efekt ten nie został jeszcze zaobserwowany, ponieważ inne źródła dekoherencji, takie jak pola magnetyczne, promieniowanie cieplne i wibracje, są zwykle znacznie silniejsze i powodują zniszczenie układów kwantowych na długo przed grawitacją. Ale eksperymentatorzy próbują przetestować postawioną hipotezę.

    Markus Arndt, fizyk eksperymentalny z Uniwersytetu Wiedeńskiego, eksperymentuje z obserwacją superpozycji kwantowej w obiektach makroskopowych. Wysyła małe cząsteczki do interferometru, skutecznie dając cząstce „wybór”, którą ścieżkę wybrać. Z punktu widzenia mechaniki klasycznej cząsteczka może iść tylko w jedną stronę, ale cząsteczka kwantowa może iść w dwie strony naraz, zakłócając samą siebie i tworząc charakterystyczny falisty wzór.

    Podobną konfigurację można również wykorzystać do przetestowania zdolności grawitacji do niszczenia układów kwantowych. Aby to zrobić, konieczne będzie porównanie interferometrów pionowych i poziomych: w pierwszej superpozycja wkrótce zniknie z powodu dylatacji czasu na różnych „wysokościach” ścieżki, podczas gdy w drugiej może pozostać superpozycja kwantowa.

    Alexander
    Alexander
    Analityk finansowy 5 lat doświadczenia