сон шредингера что это
Кот Шредингера: суть эксперимента простыми словами
Приветствую Вас, друзья!
Каждый человек, пользующийся интернетом, встречал загадочное словосочетание «кот Шрёдингера». Данный термин является названием известного мысленного эксперимента, предложенного австрийским физиком Эрвином Шрёдингером. Этот ученый известен тем, что является одним из создателей такого важного раздела физики как квантовая механика. Давайте поговорим о том, что такое кот Шредингера простыми словами, и узнаем, в чем суть эксперимента.
В чём суть эксперимента?
Представьте себе металлический ящик с толстыми звуконепроницаемыми стенками. Внутри находится кот. Пока ящик закрыт, внешний наблюдатель не может знать, что происходит с котом. В этом же ящике находится хитроумный механизм, который автор назвал «адская машинка». Он содержит капсулу со смертельным ядом и одно ядро вымышленного радиоактивного элемента, период полураспада которого составляет 1 час.
Теперь закроем ящик ровно на 1 час. Если за время эксперимента атом распадется, то механизм сработает, и кот погибнет. При этом вероятность такого исхода составляет ровно 50%. Узнать результат эксперимента можно, только открыв контейнер. Но в каком состоянии находится кот перед самым открытием? Согласно формальной логике, состояние кота полностью соответствует состоянию ядра. Ядро целое – кот Шрёдингера жив, ядро распалось – кот погиб. И вот здесь начинается самое интересное.
Квантовая механика утверждает, что нестабильное ядро пребывает в суперпозиции – одновременно является и целым, и распавшимся. Но тогда получается, что кот тоже одновременно и жив, и мёртв. И из состояния неопределенности его выводит ученый, открывающий ящик через час после начала эксперимента.
Существует распространенное заблуждение, что Эрвин Шрёдингер придумал данный эксперимент, чтобы объяснить простыми словами основы квантовой механики. Но ученый был известным критиком общепринятой интерпретации КМ и своим экспериментом пытался показать её очевидные недостатки.
Для Шрёдингера было важно показать, что один из ключевых принципов общепринятой интерпретации квантовой механики теряет смысл при взаимодействии квантового мира с макрообъектами. Именно поэтому в эксперименте фигурирует нестабильное атомное ядро. Ученый показательно связал состояния субатомного объекта, пребывающего в состоянии квантовой неопределенности, и объекта макромира, хорошо знакомого и привычного каждому из нас.
Объяснение эксперимента Шрёдингера
Нестабильное атомное ядро можно рассматривать как объект квантового мира, поскольку оно может пребывать в одном из двух определенных состояний: распавшееся или не распавшееся. При этом до факта наблюдения оно пребывает одновременно в обоих состояниях (такое смешанное состояние называется «суперпозицией»).
Смысл эксперимента Шрёдингера простыми словами можно объяснить так:
Таким образом, цель эксперимента Шрёдингера заключалась в том, чтобы продемонстрировать противоречие одного из ключевых принципов квантовой механики логике и здравому смыслу. Автор настаивал, что общепринятая копенгагенская интерпретация КМ неполна, поскольку в ней не описаны чёткие критерии, при которых происходит так называемый коллапс волновой функции (тот самый момент, когда суперпозиция сменяется одним из возможных состояний).
Что хотел показать Шрёдингер
Эрвин Шрёдингер посвятил значительную часть жизни теоретическим исследованиям в области квантовой механики, поэтому точно не был её противником или критиком. Ученого не устраивала копенгагенская интерпретация, которую его коллеги приняли как наиболее обоснованную. Доводя один из ключевых тезисов квантовой механики до абсурда, он не пытался его опровергнуть, а лишь обращал внимание на неполноту общепринятой интерпретации.
Он считал, что для полноты необходимо точное определение условий, при которых происходит коллапс волновой функции (то есть, система переходит из суперпозиции в одно определенное квантовое состояние). Из принятых тогда формулировок можно было заключить, что человек способен влиять на состояние материи буквально одним взглядом. И якобы именно в момент наблюдения система переходит из суперпозиции в одно конкретное состояние.
Говоря простыми словами, если рассматривать эксперимент Шрёдингера в рамках копенгагенской интерпретации, то кот становится живым или мёртвым лишь тогда, когда учёный открывает ящик, а вовсе не в момент срабатывания «адской машинки». Ученый не оспаривал существование суперпозиции и принципа неопределенности в квантовом мире. Он оспаривал так называемый «парадокс наблюдателя», согласно которому именно наблюдатель в момент наблюдения выводит систему из состояния суперпозиции.
Заключение
Существует известная шутка Альберта Эйнштейна о парадоксе наблюдателя: «Неужели вы думаете, что Луна существует только тогда, когда вы на неё смотрите?». При этом он не был противником квантовой механики, а лишь указывал коллегам на серьезную брешь в этой фундаментальной области знаний.
Шрёдингер поставил перед собой такую же задачу. Он решил доказать всем, что не наблюдатель определяет состояние системы, и судьба кота определяется отнюдь не в тот момент, когда открывается коробка.
Напоследок остаётся лишь добавить, что рассмотренный сегодня эксперимент является мысленным. А значит, ни один кот во время его проведения не пострадал.
Кот Шредингера — суть эксперимента простыми словами
Суть эксперимента
Итак, кот Шредингера — что это такое? Устраивайтесь поудобнее и включайте воображение. Представьте, что перед вами стоит большой металлический ящик, стенки которого сделаны из толстого звуконепроницаемого материала. Внутри сидит кот, обычный, ничем не примечательный кот. Рядом с котом находится так называемая адская машинка. В ней расположена капсула с ядом и ядро придуманного профессором Шредингером элемента. Период его полураспада составляет ровно 1 час.
Ящик плотно закрыт. За час, на протяжении которого будет длиться эксперимент, атом может распасться. Вероятность этого 50%. Но он также может остаться целым. Шанс этого также равен 50%. Как вы узнаете, что произошло? Правильно, открыв ящик и заглянув внутрь него.
Что будет в этот момент с котом? Варианта два: он или жив, или мертв. Если сказать простыми словами, то его состояние полностью повторяет состояние ядра. Если ядро в целости и сохранности, кот жив. Если же оно распалось, кот, к сожалению, погиб.
Пояснение
Попробуем объяснить эксперимент «кот Шредингера» простыми словами кратко и понятно. Согласно законам квантовой физики, ядро любого атома занимает суперпозицию. Что это значит? Оно одновременно пребывает сразу в двух состояниях: распавшееся и целое. Если это на самом деле так, то суперпозицию занимает и кот. Получается, что в один и тот же промежуток времени он и живой, и мертвый сразу. Парадокс.
Что хотел показать Эрвин Шредингер
Большую часть своей жизни ученый изучал теорию квантовой механики. Ему не давала покоя копенгагенская интерпретация, принятая как самая обоснованная. По мнению самого Шредингера, она была неполной, что он и пытался доказать с помощью своего эксперимента. Нужно было определить, при каких условиях система сменит суперпозицию на одно из двух вероятных состояний (коллапс волновой функции).
Если придерживаться копенгагенской интерпретации, система переходит в состояние в тот момент, когда наблюдатель открывает ящик. Получается, что и кот либо остается живым, либо умирает в ту же самую секунду. Вот что оспаривал ученый. Он совсем не отрицал, что суперпозиция существует. Он боролся с парадоксом наблюдателя, согласно которому эта самая суперпозиция исчезает, как только человек начинает наблюдать за системой.
Как все описанное относится к психологии? На этот вопрос, пусть и немного смешно, но ответил один из героев популярного сериала «Теория большого взрыва». Если сказать простыми словами, эксперимент Шредингера он применил к отношениям между мужчиной и женщиной. Чтобы понять, хорошие они или плохие, нужно открыть «ящик». До этого момента оба партнера будут находиться в неведении.
Выжил ли кот после эксперимента
Эксперимент был мысленным. По-настоящему его никто не проводил. Поэтому ни одно животное не пострадало.
Заключение
Итак, суть эксперимента «кот Шредингера» заключается в следующем: абсурдно считать, что луна существует только тогда, когда вы на нее смотрите. То же самое говорил Альберт Эйнштейн, пытаясь указать коллегам на несостоятельность некоторых убеждений. Мнение Эрвина Шредингера было таким же. Кот не может быть и жив, и мертв сразу. Так же и в нашей жизни. Отношения не могут быть хорошими и плохими одновременно. Это только так кажется. Откройте «ящик» и посмотрите, стоит ли их продолжать или вы тратите время попусту?
masterok
masterokМастерок.жж.рф
Хочу все знать
Много кто слышал это выражение, но возможно не все понимают даже упрощенный его смысл. Давайте попробуем разобраться без сложных теорий и формул.
«Кот Шредингера» – так называется знаменитый мысленный эксперимент знаменитого австрийского физика-теоретика Эрвина Шредингера, который также является лауреатом Нобелевской премии. С помощью этого вымышленного опыта ученый хотел показать неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим системам.
Оригинальная статья Эрвина Шредингера вышла в свет 1935 году. Вот цитата:
Согласно квантовой механике, если над ядром атома не производится наблюдение, то его состояние описывается смешением двух состояний — распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике и олицетворяющий ядро атома, и жив, и мёртв одновременно. Если же ящик открыть, то экспериментатор может увидеть только какое-нибудь одно конкретное состояние — «ядро распалось, кот мёртв» или «ядро не распалось, кот жив».
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).
Еще одной наиболее свежей интерпретацией мысленного эксперимента Шредингера является рассказ Шелдона Купера, героя сериала «Теория большого взрыва» («Big Bang Theory»), который он произнес для менее образованной соседки Пенни. Суть рассказа Шелдона заключается в том, что концепция кота Шредингера может быть применена в отношениях между людьми. Для того чтобы понять, что происходит между мужчиной и женщиной, какие отношения между ними: хорошие или плохие, – нужно просто открыть ящик. А до этого отношения являются одновременно и хорошими, и плохими.
Ниже приведен видеофрагмент этого диалога «Теории большого взрыва» между Шелдоном и Пении.
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 экспериментальные подтверждения 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. Хобсонотмечает, что решение парадоксов квантовой механики, хотя бы теоретические, совершенно необходимы для её глубинного понимания.
Подробнее о работе физика можно почитать в его статье, которая была опубликована в журнале Physical Review A.
А вот совсем недавно ТЕОРЕТИКИ ОБЪЯСНИЛИ, КАК ГРАВИТАЦИЯ УБИВАЕТ КОТА ШРЁДИНГЕРА, но это уже сложнее …
Как правило, физики объясняют феномен того, что суперпозиция возможна в мире частиц, но невозможна с котами или другими макрообъектами, помехами от окружающей среды. Когда квантовый объект проходит сквозь поле или взаимодействует со случайными частицами, он тут же принимает всего одно состояние — как если бы его измерили. Именно так и разрушается суперпозиция, как полагали учёные.
Но даже если каким-либо образом стало возможным изолировать макрообъект, находящийся в состоянии суперпозиции, от взаимодействий с другими частицами и полями, то он всё равно рано или поздно принял бы одно-единственное состояние. По крайней мере, это верно для процессов, протекающих на поверхности Земли.
«Где-то в межзвёздном пространстве, может быть, кот и имел бы шанс сохранить квантовую когерентность, но на Земле или вблизи любой планеты это крайне маловероятно. И причина тому — гравитация», — поясняет ведущий автор нового исследования Игорь Пиковский (Igor Pikovski) из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики.
Пиковский и его коллеги из Венского университета утверждают, что гравитация оказывает разрушительное воздействие на квантовые суперпозиции макрообъектов, и потому мы не наблюдаем подобных явлений в макромире. Базовая концепция новой гипотезы, к слову, кратко изложена в художественном фильме «Интерстеллар».
Эйнштейновская общая теория относительности гласит, что чрезвычайно массивный объект будет искривлять вблизи себя пространство-время. Рассматривая ситуацию на более мелком уровне, можно сказать, что для молекулы, помещённой у поверхности Земли, время будет идти несколько медленнее, чем для той, что находится на орбите нашей планеты.
Из-за влияния гравитации на пространство-время молекула, попавшая под это влияние, испытает отклонение в своём положении. А это, в свою очередь, должно повлиять и на её внутреннюю энергию — колебания частиц в молекуле, которые изменяются с течением времени. Если молекулу ввести в состояние квантовой суперпозиции двух локаций, то соотношение между положением и внутренней энергией вскоре заставило бы молекулу «выбрать» только одну из двух позиций в пространстве.
«В большинстве случаев явление декогеренции связано с внешним влиянием, но в данном случае внутреннее колебание частиц взаимодействует с движением самой молекулы», — поясняет Пиковский.
Этот эффект пока что никто не наблюдал, поскольку другие источники декогеренции, такие как магнитные поля, тепловое излучение и вибрации, как правило, гораздо сильнее, и вызывают разрушение квантовых систем задолго до того, как это сделает гравитация. Но экспериментаторы стремятся проверить высказанную гипотезу.
Маркус Арндт (Markus Arndt), физик-экспериментатор из Венского университета, проводит опыты по наблюдению квантовой суперпозиции у макроскопических объектов. Он посылает небольшие молекулы в интерферометр, фактически предоставляя частице «выбор», какой дорогой пойти. С точки зрения классической механики молекула может пройти только одним путём, но квантовая молекула может пройти сразу двумя путями, интерферируя сама с собой и создавая характерный волнообразный рисунок.
Подобная установка также может быть использована для проверки способности гравитации разрушать квантовые системы. Для этого необходимо будет сравнить вертикальный и горизонтальный интерферометры: в первом суперпозиция должна будет вскоре исчезнуть из-за растяжения времени на разных «высотах» пути, тогда как во втором квантовая суперпозиция может и сохраниться.
Параллельные миры и кот Шредингера
Физик-теоретик Фред Алан Вулф совершенно согласен с концепцией параллельных миров и их способностью функционировать в качестве механизма, обеспечивающего наше сообщение с будущим. В своей книге «Параллельные миры» он утверждает:
«Тот факт, что будущее может оказывать влияние на настоящее — новый прогноз математических законов квантовой физики. В буквальной интерпретации математические формулы указывают не только каким образом будущее входит в настоящее, но и каким образом наше сознание может «воспринимать» параллельные миры.
Наше сознание настроено или может быть настроено на множество измерений, множество реальностей. При помощи свободных ассоциаций оно способно преодолевать временные барьеры, воспринимая будущее и пересматривая прошлое. Наше сознание — машина времени, способная воспринимать поток вероятностных волн из прошлого и будущего»
((Е. A. Wolf, Parallel Universes. New York: Simon and Schuster, 1988, p. 23).)
Чтобы понять смысл понятия «параллельные миры», мы должны обратиться к его истории. Хью Эверетт III, студент Принстонского университета и ученик известного физика Джона Уилера, доказал, что два альтернативных варианта (результата) любого события должны каким-то образом существовать одновременно во времени, то есть они существуют в параллельных мирах.
Примером существования двух параллельных миров может служить следующий классический эксперимент. Поток электронов направляется на экран через две параллельные щели, которые мы можем открывать или закрывать независимо друг от друга.
Так как каждая частица может выбирать, через какую щель ей проходить, можно было бы предположить, что в случае, когда обе щели открыты, число достигающих экрана электронов в два раза больше числа электронов, попадающих на экран, когда открыта только одна из щелей. Тем не менее максимальное число электронов достигает экрана в случае, когда только одна из щелей открыта.
Квантовая физика объясняет этот результат тем, что в данном эксперименте каждый электрон действует в качестве волны (а не частицы) и проходит через каждую щель также в качестве отдельной волны. Однако в других экспериментах электроны действительно ведут себя как частицы (кванты), что привело к возникновению термина «квантово-волновой дуализм».
В нашем эксперименте с двумя щелями каждый электрон существовал в качестве частицы (волны) в параллельных мирах. В каждом из этих миров находилась только одна частица, так как материя (наш мир) и ангаматерия (параллельный мир) при контакте аннигилируют.
Электрон проходил сквозь одну щель в одном мире и сквозь другую — в другом. Когда он достигал экрана, два мира соединялись в один. Это слияние обусловлено принципом самопоследовательности. Расщепление и слияние происходит каждый раз, когда что-либо взаимодействует с чем-нибудь еще в данном мире. Волновое поведение объясняется расщеплением, квантовое — слиянием.
Это волноподобное поведение представляет реальности — бесконечное число реальных параллельных миров. Мы судим о том, достиг электрон экрана или нет, на основе нашего личного наблюдения за событием. Каждый раз, когда имеет место наблюдение, специфическая физическая структура частицы или события подвергается внезапному изменению физических свойств. Ничто не является до конца реальным, пока мы не наблюдаем это.
Отличной иллюстрацией этого принципа является парадокс кота Шредингера. В коробке находится кот и баллончик с удушающим газом, который выпускается только в случае, если атом испускает квант энергии. Если учесть, что узлучение этого кванта может произойти через минуту, а может через сутки (события равновероятны), то что произойдет с котом через несколько часов? Будет ли он жив или мертв? Если никто не заглянет в коробку, кот будет одновременно и жив, и мертв, но в разных (параллельных) мирах.
Предположим, ваш друг заглядывает в коробку и обнаруживает, что кот жив. Для того чтобы этот кот оказался живым в вашем мире, необходимо ваше личное наблюдение. То есть для вашего друга этих параллельных миров, в одном из которых кот жив, а в другом мертв, больше не существует. Для него теперь существует только один мир, в котором кот живой. Но пока он вам не скажет об этом или вы сами не убедитесь, что кот жив, для вас эти два параллельных мира еще существуют.
Этот немедленный эффект, производимый наблюдателями, квантовые физики называют коллапсом волновой функции. Наблюдатель в каком-то смысле становится частью этой волны. Мы знаем, что коллапс произошел, так как наблюдаем конкретную физическую величину. То есть мы постоянно создаем нашу личную реальность. Эта концепция чрезвычайно важна для понимания того, что только мы сами отвечаем за создание нашей реальности.
Новое состояние кота Шредингера позволяет находиться сразу в двух местах одновременно
Скорее всего, вы слышали о парадоксе кота Шредингера. Речь идет о гипотетическом коте внутри коробки, находящемся одновременно в двух состояниях — живым и мертвым — до тех пор, пока мы не откроем коробку, чтобы посмотреть. Это так называемая квантовая суперпозиция. Так вот, физики Йельского университета выяснили, как сохранить оба состояния кота сразу в двух коробках. О своей работе ученые поделились на страницах журнала Science.
С технической точки зрения нет никакого кота. Речь идет о так называемом «состоянии кота», роль которого выполняют две (или больше) частицы, находящиеся одновременно в двух разных состояниях. В течение многих десятилетий «кот Шредингера» был лишь гипотетическим экспериментом, однако в 2005 году Национальный институт стандартов и технологий США на самом деле успешно создал настоящее «состояние кота» в лабораторных условиях. Для этого они использовали шесть атомов, находящихся в «состоянии со спином, ориентированным вверх» и в «состоянии со спином, ориентированным вниз». Чтобы было проще понять, представьте себе часы, одновременно идущие по часовой стрелке и против часовой. С тех пор своих эксперименты с «состояниями кота» проводят с фотонами.
Физики Йельского университета, в свою очередь, смогли выйти на новую ступень. Они не только использовали фотоны в квантовой суперпозиции состояний, они также запутали их. То есть, другими словами, они добились того, что при изменении состояния одного фотона изменялось бы состояние и другого фотона, даже если они находятся друг от друга разделенными. Следует отметить, что это один из самых сложных, запутанных и странных аспектов квантовой механики. Альберт Эйнштейн в свое время называл все это «жутким дальнодействием».
«Мы получили два маленьких и простых «кота Шредингера», оба находящихся в своих коробках и оба находящихся в состоянии запутанности».
Для создания состояния ученые построили маленькую камеру с двумя отдельными полостями из алюминия. Помещенные внутрь сверхвысокочастотные фотоны начали ударяться о стенки полостей, и благодаря этому ученым удалось соединить их с искусственным атомом сверхпроводящего сапфира. В результате получились два своеобразных живых/мертвых кота из микроволнового света и находящиеся в двух разных коробках в одно и то же время.
«У нас получился большой и умный кот. В одной коробке он не остается, так как квантовое состояние разделено между двумя полостями и не может быть описано раздельно», — говорит ведущий автор исследования Чен Ван.
«Можно также принять во внимание альтернативный вариант, при котором два маленьких и простых кота Шредингера, каждый в своей коробке, находится в запутанном состоянии».
Подобные исследования очень важны для будущего квантовых вычислений. В отличие от классических компьютеров, где используются биты, которые представляют собой нули и единицы, квантовые компьютеры хранят информацию в так называемых кубитах. Кубиты в свою очередь могут находиться сразу в двух состояниях — нуля и единицы, — прямо как кот Шредингера может находиться одновременно в состояниях «жив» и «мертв» до тех пор, пока никто не будет проводить наблюдение. Можно сказать, что состояние суперпозиции очень хрупко. Поэтому квантовая информация должна быть экранирована от любого рода шумов внешней среды. Ведь малейшая интерференция — например, один фотон столкнется с атомом, который используется для кодирования и хранения вашей информации, — сразу же вызовет «декогерацию» всей системы. Другими словами, суперпозиция квантового состояния будет утеряна, что приведет к сбоям всей системы.
Изучения состояний, в которых может находиться «кот», интересны потому, что могут быть очень полезны для хранения квантовой информации. А возможность создавать состояния кота в двух разных коробках, по словам соавтора исследования Роберта Шольскофа, является «первым шагом к созданию логической операции между двумя квантовыми битами и открытию возможности коррекции ошибок».