Парадокс кота Шредингера. Объяснение смысла. Знаменитая загадка «Кота Шредингера» простыми словами

Содержание

Парадокс кота Шредингера. Объяснение смысла

Парадокс кота Шредингера. Объяснение смысла. Знаменитая загадка «Кота Шредингера» простыми словами

Недавно вышедшая на известном научном портале “ПостНаука” авторская статья Эмиля Ахмедова о причинах возникновения знаменитого парадокса, а также о том, чем он не является.

Физик Эмиль Ахмедов о вероятностной интерпретации, замкнутых квантовых системах и формулировке парадокса

На мой взгляд, наиболее и психологически, и философски, и во многих других отношениях сложной частью квантовой механики является ее вероятностная интерпретация. С вероятностной интерпретацией спорили многие люди. Например, Эйнштейн, наряду с Подольским и Розеном, придумал парадокс, опровергающий вероятностную интерпретацию.

Помимо них с вероятностной интерпретацией квантовой механики спорил также и Шредингер. В качестве логического противоречия вероятностной интерпретации квантовой механики Шредингер придумал так называемый парадокс кота Шредингера.

Он может по-разному формулироваться, например так: скажем, у вас есть коробка, в которой сидит кот, и к этой коробке подсоединен баллон со смертельным газом.

К включателю этого баллона, который впускает или не впускает смертельный газ, подключен какой-то прибор, работающий следующим образом: есть поляризующее стекло, и если проходящий фотон нужной поляризации, то баллон включается, газ поступает к коту; если фотон не той поляризации, то баллон не включается, ключ не включается, баллон не впускает газ к коту.

Допустим, фотон циркулярно поляризован, а прибор реагирует на линейную поляризацию. Это может быть не понятно, но это не очень важно. С какой-то вероятностью фотон будет поляризован одним образом, с какой-то вероятностью — другим.

Шредингер говорил: получается такая ситуация, что в какой-то момент, пока мы не открыли крышку и не посмотрели, мертв кот или жив (а система замкнута), кот с какой-то вероятностью будет живым и с какой-то вероятностью будет мертвым.

Может быть, я небрежно формулирую парадокс, но в итоге получается странная ситуация, что кот не жив и не мертв. Так формулируется парадокс.

На мой взгляд, этот парадокс имеет совершенно четкое и ясное объяснение. Возможно, это моя личная точка зрения, но попробую объяснить. Основным свойством квантовой механики является следующее: если описывать замкнутую систему, то квантовая механика — это не что иное, как волновая механика, механика волн.

Это значит, что она описывается дифференциальными уравнениями, решениями которых являются волны. Там, где есть волны и дифференциальные уравнения, есть и матрицы и так далее. Это два эквивалентных описания: матричное описание и волновое описание.

Матричное описание принадлежит Гейзенбергу, волновое — Шредингеру, но описывают они одну и ту же ситуацию.

Важно следующее: пока система является замкнутой, она описывается волновым уравнением, и то, что происходит с этой волной, описывается при помощи какого-то волнового уравнения.

Вся вероятностная интерпретация квантовой механики возникает после того, как систему размыкают — на нее воздействуют снаружи каким-то большим классическим, то есть неквантовым, объектом. В момент воздействия она перестает уже описываться этим волновым уравнением.

Возникает так называемая редукция волновой функции и вероятностная интерпретация. До момента размыкания система эволюционирует в соответствии с волновым уравнением.

Теперь нужно сделать несколько замечаний по поводу того, чем отличается большая классическая система от маленькой квантовой. Вообще говоря, и большую классическую систему можно описывать при помощи волнового уравнения, хотя это описание, как правило, трудно предоставить, а реально оно совершенно не нужно.

Эти системы математически различаются действием. Так называемый объект есть в квантовой механике, в теории поля. Для классической большой системы действие огромное, а для квантовой маленькой системы действие маленькое.

Более того, и градиент этого действия — скорость изменения этого действия во времени и пространстве — для большой классической системы огромный, а для маленькой квантовой — маленький. Это основное различие двух систем.

Из-за того что действие очень большое для классической системы, ее удобнее описывать не какими-то волновыми уравнениями, а просто классическими законами вроде закона Ньютона и так далее.

Например, по этой причине Луна вокруг Земли вращается не как электрон вокруг ядра атома, а по определенной, четко заданной орбите, по классической орбите, траектории. В то время как электрон, являясь маленькой квантовой системой, внутри атома вокруг ядра движется как стоячая волна, его движение описывается стоячей волной, и в этом различие двух ситуаций.

Измерение в квантовой механике — это когда вы большой классической системой воздействуете на маленькую квантовую. После этого происходит редукция волновой функции. На мой взгляд, присутствие баллона или кота в парадоксе Шредингера — это то же самое, что и наличие большой классической системы, которая измеряет поляризацию фотона.

Соответственно, измерение происходит не в тот момент, когда мы открываем крышку ящика и смотрим, жив кот или мертв, а в тот момент, когда происходит взаимодействие фотона с поляризационным стеклом.

Таким образом, в этот момент происходит редукция волновой функции фотона, баллон оказывается в совершенно определенном состоянии: либо он открывается, либо он не открывается, и кот умирает или не умирает. Всё. Никаких «вероятностных котов», что он с какой-то вероятностью жив, с какой-то вероятностью мертв, нет.

Когда я говорил о том, что у парадокса кота Шредингера есть много разных формулировок, я лишь говорил, что есть много разных способов придумать тот прибор, который умерщвляет или оставляет живым кота. По сути формулировка парадокса не меняется.

Я слышал и о других попытках объяснения этого парадокса при помощи множественности миров и так далее. На мой взгляд, все эти объяснения не выдерживают критики.

То, что я объяснил в течение этого ролика словами, можно облечь в математическую форму и проверить верность этого утверждения.

Еще раз подчеркиваю, что, на мой взгляд, измерение и редукция волновой функции маленькой квантовой системы происходит в момент взаимодействия с большой классической системой.

Такой большой классической системой является кот вместе с прибором, умерщвляющим его, а не человек, который открывает коробку с котом и смотрит, жив кот или нет. То есть измерение происходит в момент взаимодействия этой системы с квантовой частицей, а не в момент проверки кота. Подобные парадоксы, на мой взгляд, находят объяснения из применения теорий и здравого смысла.

Суть самого эксперимента

В оригинальной статье Шрёдингера эксперимент описан так:

Можно построить и случаи, в которых довольно бурлеска.

Некий кот 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. Типичным в подобных случаях является то, что неопределённость, первоначально ограниченная атомным миром, преобразуется в макроскопическую неопределённость, которая может быть устранена путём прямого наблюдения. Это мешает нам наивно принять «модель размытия» как отражающую действительность. Само по себе это не означает ничего неясного или противоречивого. Есть разница между нечётким или расфокусированным фото и снимком облаков или тумана. Согласно квантовой механике, если над ядром не производится наблюдение, то его состояние описывается суперпозицией (смешением) двух состояний — распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике, 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, сочетающего жизнь и смерть), то это будет аналогично и для атомного ядра. Оно обязательно должно быть либо распавшимся, либо нераспавшимся.

Оригинальная статья вышла в 1935 году. Целью статьи было обсуждение парадокса Эйнштейна — Подольского — Розена (ЭПР), опубликованного Эйнштейном, Подольским и Розеном ранее в том же году

Источник: https://futuraptor.com/science/paradoks-kota-shredingera-obyasnenie-smysla

Заглянуть в неизвестность. Физики нашли решение главной загадки квантовой механики

Парадокс кота Шредингера. Объяснение смысла. Знаменитая загадка «Кота Шредингера» простыми словами
Константин Ценцура

Коротко:

— что такое «кот Шредингера» и квантовая суперпозиция

— как узнать состояние частицы, не измеряя ее

— зачем физикам изучать квантовую природу

В нашем мире невозможно находиться в двух состояниях одновременно. По крайней мере, если вы не проснулись на утро с похмелья и первое время не понимаете — живы или мертвы.

Но, если уменьшить свое тело до субатомных размеров — можно наблюдать почти фантастические вещи. Подобное недавно доказали физики из Японии и Индии, которые заявили, что научились определять состояние кота Шредингера, не убивая его, а точнее, — придумали способ определения состояний квантовой суперпозиции без ее прямого измерения.

НВ уже писало о том, что физика работает по-разному в макро- и микромасштабах. В более объяснимом и видимом для нас макромире, например, действует сила гравитационного притяжения и движение всех объектов является предсказуемым.

В «зазеркальном» мире квантовой механики все наоборот: элементарные частицы двигаются хаотично, и ученые только пытаются выяснить, по каким именно принципам эти частицы взаимодействуют.

Одно из наиболее загадочных явлений — квантовая суперпозиция — предполагает, что мельчайшие частицы могут находиться в нескольких состояниях одновременно до момента, пока мы их не измерили.

Это явление реализовали в мысленном эксперименте с котом Шредингера: условное животное в коробке с кислотой является и живым и мертвым одновременно до тех пор, пока мы не откроем эту коробку и не определим состояние кота.

Недавно ученые из Японии и Индии придумали, как заглянуть в коробку с котом, не убивая его.

В чем суть эксперимента?

В работе исследовали явление квантовой суперпозиции — нахождения элементарных частиц в нескольких состояниях одновременно. Определить состояние этих частиц мы можем только после их измерения. В первой половине прошлого века один из основателей квантовой механики Эрвин Шредингер предложил мысленный эксперимент, который объясняет квантовую суперпозицию.

Суть эксперимента в следующем: в коробке с условным котом находится атом радиоактивного элемента и колба с кислотой, которая разобьется после того как радиоактивный элемент распадется.

Если колба разобьется — кот умрет, но мы не знаем наверняка, распадется ли атом радиоактивного элемента, и никто, включая кота, не может на это повлиять.

Следовательно, кот и жив, и мертв одновременно, что и называется квантовой суперпозицией.

Определить точное состояние кота мы сможем только после того, как откроем коробку и, таким образом, состояние кота Шредингера в квантовом мире определяет именно факт нашего наблюдения. проблема квантовой суперпозиции в том, что частицы ведут себя непредсказуемо, и мы никак не можем на них повлиять ни до измерения, ни после.

В прошлом месяце профессор физики Хольгер Хофманн из Университета Хиросимы и его студент Картик Патекар из Индийского технологического института Бомбея опубликовали исследование, согласно которому мы все же можем «заглянуть в коробку с котом Шредингера, не убивая его».

Ученые провели собственный мысленный эксперимент с помощью которого якобы можно измерить квантовую систему, не нарушая при этом ее суперпозицию. Оказывается, истину нужно искать не в самом измерении квантовой системы, а в методах анализа данных, полученных при ее измерении.

С помощью математических вычислений физики смоделировали условную ситуацию: закрытую коробку с котом Шредингера нужно сфотографировать с помощью камеры, которая установлена снаружи коробки, и при этом может заснять сквозь коробку самого кота.

После создания такого фото в камере будет храниться два типа информации: первый о том, как изменилось состояние суперпозиции кота (ученые называют это квантовой меткой) и второй о том, является ли кот живым или мертвым.

Идея заключается в том, что такое фото оказывается в запутанном состоянии вместе с квантовой системой, и то, как мы извлечем информацию из него — напрямую повлияет на судьбу кота.

В данном случае мы можем просто «проявить» фото в темной комнате и определить, жив он или мертв, или же мы можем восстановить на размытом фото квантовую метку с помощью компьютера и вернуть кота в состояние неопределенности между жизнью и смертью.

Хофманн и Патекар взяли за основу своей математической модели способность фотонов входить в запутанное состояние вместе с квантовой системой. То есть, вместо того, чтобы определить состояние частицы (кота) посредством ее измерения, т. е. прямого влияния света (фотонов) на нее, мы используем условную камеру, которая фотографирует кота сквозь коробку.

Запечатленные фотоны на изображении оказываются запутанными с квантовой системой, что сохраняет оба типа информации — о том, как изменилась суперпозиция и о реальном состоянии кота. Считывая данные из этого изображения тем или иным образом мы можем оживить/убить кота или восстановить его суперпозицию.

Расчеты физиков показали, что «чем больше наблюдатель знает о состоянии кота — тем больше вероятность, что он уже безвозвратно изменил его».

«Обычно мы ищем что-то, смотря на это. Но, в этом случае, наш взгляд изменяет объект, это проблема квантовой механики. Мы можем использовать сложные математические выражения, чтобы описать это, но как мы можем быть уверены, что математика описывает то, что действительно существует?» — говорит Хольгер Хофманн.

Кто еще игрался с котом Шредингера?

Как ни странно, физики из Японии и Индии — не первые, кто хотят научиться управлять судьбой кота Шредингера. Несколько месяцев назад ученые компании IBM и Йельского университета провели практический эксперимент и заявили, что при определенных условиях они могут заблаговременно определять состояние суперпозиции и фактически управлять судьбой кота Шредингера.

Для эксперимента разработали «искусственный атом», состоящий из сверхпроводящей цепи, в центре которой установлен джозефсоновский контакт — изолятор, разделяющий два сверхпроводника.

Если состояние обычного атома определяется позицией электрона вокруг его ядра, то состояние искусственного атома представлено через квантовую позицию, которая изменяется, когда электроны проходят через слой изолятора.

Управлять состоянием искусственного атома физики смогли с помощью двух микроволновых сигналов: первый выделял необходимое количество энергии для того, чтобы атом перешел от спокойного состояния в возбужденное, а второй измерял энергию в цепи во время этого перехода.

Поскольку квантовый скачок — переход из одного квантового состояния в другое — сопровождается излучением или поглощением фотонов, ученые определили, что видимый фотонный сигнал является индикатором спокойного состояния искусственного атома, а отсутствие такого сигнала, наоборот, означает, что атом изменил свое квантовое состояние на возбужденное.

Проводя микроволновые импульсы через искусственный атом, исследователи смогли измерить его квантовое состояние до и после квантового скачка. Если бы кот Шредингера был похожим атомом из сверхпроводящей цепи — мы смогли бы определить его судьбу, измерив первичное квантовое состояние, а не просто узнать, жив он или мертв фактом своего наблюдения.

Правда, в исследовании IBM есть и много неизвестных. В частности, ученые не могут точно определить, когда конкретно произойдет квантовый скачок, — через несколько мгновений после активирования микроволнового излучения, или через несколько часов.

Зачем нужна квантовая суперпозиция?

Эксперименты с условным котом Шредингера несут огромную ценность для развития квантовых компьютеров. Дело в том, что минимальная единица информации в квантовых компьютерах — кубит — также находится в квантовой суперпозиции, и представляет два значения одновременно, в отличие от обычного бита, который может быть либо нулем либо единицей.

В действительности, искусственный атом, который создали ученые из IBM и Йельского университета, является двухкубитным квантовым компьютером. Изучение того, как именно изменяются квантовые состояния даже в такой системе, может помочь физикам управлять квантовой информацией и исправлять случайные ошибки, которые часто возникают в квантовых компьютерах.

Главной задачей разработчиков квантовых компьютеров является создание стабильной системы, которая могла бы поддерживать квантовое состояние кубитов для выполнения сложных вычислений.

Как уже писало НВ, недавно в Google заявили, что они якобы достигли «квантового превосходства», — создали первый в мире квантовый компьютер, способный выполнять операции, которые не под силу любым классическим компьютерам. В калифорнийской корпорации рассказали, что их 54-кубитный квантовый компьютер Sycamore всего за 200 секунд произвел вычисления, «на которые классическому суперкомпьютеру потребуется около 10 тыс. лет».

С этой информацией не согласились главные конкуренты Google по квантовым компьютерам — компания IBM: сотрудники отдела квантовых вычислений IBM раскритиковали новое изобретение Google и написали, что заявления о достижении квантового превосходства не соответствуют действительности.

Во-первых, представители IBM уверены, что их суперкомпьютер Summit сможет выполнить вычисления, которые выполнил Sycamore, всего за два с половиной дня. А, во-вторых, ученые из IBM объяснили, что вычисления квантового компьютера Google были чисто техническими и не несли никакой практической ценности.

«Квантовые компьютеры не могут „превосходить“ классические только на базе одного лабораторного эксперимента, который был нужен, чтобы реализовать одну очень специфическую процедуру квантовой выборки вне практического применения.

На самом деле, квантовые компьютеры никогда не будут „господствовать“ над классическими компьютерами, а призваны работать в тандеме с ними, поскольку у каждого типа компьютеров есть свои уникальные преимущества», — прокомментировал для НВ директор IBM Research Дарио Гил.

Более детально о том, зачем нужны квантовые компьютеры и к чему они могут привести читайте в этом материале.

Источник: https://nv.ua/techno/popscience/zaglyanut-v-neizvestnost-fiziki-nashli-reshenie-glavnoy-zagadki-kvantovoy-mehaniki-50053972.html

Кот Шредингера: суть простыми словами

Парадокс кота Шредингера. Объяснение смысла. Знаменитая загадка «Кота Шредингера» простыми словами

Наверняка вы не раз слышали, что существует такой феномен, как «Кот Шредингера». Но если вы не физик, то, скорее всего,  лишь отдаленно  представляете себе, что это за кот и зачем он нужен.

«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.

В данной статье дана попытка объяснить простыми словами суть теории Шредингера про кота и квантовую механику, так чтобы это было доступно человеку, не имеющему высшего технического образования. В статье также будут представлены различные интерпретации эксперимента, в том числе и из сериала «Теория большого взрыва».

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.

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.

Типичным в подобных случаях является то, что неопределённость, первоначально ограниченная атомным миром, преобразуется в макроскопическую неопределённость, которая может быть устранена путём прямого наблюдения. Это мешает нам наивно принять «модель размытия» как отражающую действительность. Само по себе это не означает ничего неясного или противоречивого.

Есть разница между нечётким или расфокусированным фото и снимком облаков или тумана.

Другими словами:

  1. Есть ящик и кот. В ящике имеется механизм, содержащий радиоактивное атомное ядро и ёмкость с ядовитым газом. Параметры эксперимента подобраны так, что вероятность распада ядра за 1 час составляет 50%. Если ядро распадается, открывается ёмкость с газом и кот погибает. Если распада ядра не происходит — кот остается жив-здоров.
  2. Закрываем кота в ящик, ждём час и задаёмся вопросом: жив ли кот или мертв?
  3. Квантовая же механика как бы говорит нам, что атомное ядро (а следовательно и кот) находится во всех возможных состояниях одновременно (см. квантовая суперпозиция). До того как мы открыли ящик, система «кот—ядро» находится в состоянии «ядро распалось, кот мёртв» с вероятностью 50% и в состоянии «ядро не распалось, кот жив» с вероятностью 50%. Получается, что кот, сидящий в ящике, и жив, и мёртв одновременно.
  4. Согласно современной копенгагенской интерпретации, кот-таки жив/мёртв без всяких промежуточных состояний. А выбор состояния распада ядра происходит не в момент открытия ящика, а ещё когда ядро попадает в детектор. Потому что редукция волновой функции системы «кот—детектор-ядро» не связана с человеком-наблюдателем ящика, а связана с детектором-наблюдателем ядра.

Объяснение простыми словами

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».

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).

из «Теории большого взрыва»

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.

Остался ли кот живым в результате эксперимента?

Для тех, кто невнимательно читал статью, но все равно переживает за кота — хорошие новости: не переживайте, по нашим данным, в результате мысленного эксперимента сумасшедшего австрийского физика

НИ ОДИН КОТ НЕ ПОСТРАДАЛ

Отзывы и комментарии

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

Источник: https://4brain.ru/blog/%D0%BA%D0%BE%D1%82-%D1%88%D1%80%D0%B5%D0%B4%D0%B8%D0%BD%D0%B3%D0%B5%D1%80%D0%B0-%D1%81%D1%83%D1%82%D1%8C-%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8B%D0%BC%D0%B8-%D1%81%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BC%D0%B8/

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.

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.

Типичным в подобных случаях является то, что неопределённость, первоначально ограниченная атомным миром, преобразуется в макроскопическую неопределённость, которая может быть устранена путём прямого наблюдения. Это мешает нам наивно принять «модель размытия» как отражающую действительность. Само по себе это не означает ничего неясного или противоречивого.

Есть разница между нечётким или расфокусированным фото и снимком облаков или тумана.

Другими словами:

  • Есть ящик и кот. В ящике имеется механизм, содержащий радиоактивное атомное ядро и ёмкость с ядовитым газом. Параметры эксперимента подобраны так, что вероятность распада ядра за 1 час составляет 50%. Если ядро распадается, открывается ёмкость с газом и кот погибает. Если распада ядра не происходит — кот остается жив-здоров.
  • Закрываем кота в ящик, ждём час и задаёмся вопросом: жив ли кот или мертв?
  • Квантовая же механика как бы говорит нам, что атомное ядро (а следовательно и кот) находится во всех возможных состояниях одновременно (см. квантовая суперпозиция). До того как мы открыли ящик, система «кот—ядро» находится в состоянии «ядро распалось, кот мёртв» с вероятностью 50% и в состоянии «ядро не распалось, кот жив» с вероятностью 50%. Получается, что кот, сидящий в ящике, и жив, и мёртв одновременно.
  • Согласно современной копенгагенской интерпретации, кот-таки жив/мёртв без всяких промежуточных состояний. А выбор состояния распада ядра происходит не в момент открытия ящика, а ещё когда ядро попадает в детектор. Потому что редукция волновой функции системы «кот—детектор-ядро» не связана с человеком-наблюдателем ящика, а связана с детектором-наблюдателем ядра.

Объяснение простыми словами

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».

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).

из «Теории большого взрыва»

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.

Остался ли кот живым в результате эксперимента?

Для тех, кто невнимательно читал статью, но все равно переживает за кота — хорошие новости: не переживайте, по нашим данным, в результате мысленного эксперимента сумасшедшего австрийского физика

НИ ОДИН КОТ НЕ ПОСТРАДАЛ

Отзывы и комментарии

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

Источник: https://zen.yandex.ru/media/id/5c4709740a3dc300af018f6a/5c7541fc836cde00b565f278

Знаменитая загадка «Кота Шредингера» простыми словами

Парадокс кота Шредингера. Объяснение смысла. Знаменитая загадка «Кота Шредингера» простыми словами

Не все читают книги о великих изобретениях человечества. Но точно все, кто смотрел сериал «Теория большого взрыва», слышали о таком феномене как “Кот Шредингера”. Поскольку он имеет отношение к квантовой механике, то человеку без технического образования достаточно сложно понять его смысл. Попробуем разобраться, что же означает понятие “Кот Шредингера” простыми словами.

Краткая историческая справка

Эрвин Шредингер – известный физик, один из создателей теории квантовой механики. Отличительной чертой его научной деятельности была так называемая вторичность. Он редко брался первым за исследование чего-либо.

В основном Шредингер писал отзывы на чье-либо изобретение или научное достижение, критиковал автора или же приступал к дальнейшим разработкам чужих изысканий и открытий.

Хотя он и был по характеру индивидуалистом, но не мог не опираться на чужие идеи и мысли, которые он брал за основу в своих исследованиях.

Несмотря на это, он внес огромный вклад в развитие квантовой механики, во многом благодаря своей загадки о «Коте Шредингера».

К достижениям Шредингера в науке относятся:

  • создание концепции волновой механики (за это в 1933 году получил Нобелевскую премию);
  • ввел в научный оборот термин «объектность описания» – обосновал возможность научных теорий без непосредственного участия субъекта исследования (стороннего наблюдателя) описывать окружающую реальность;
  • развивал теорию относительности;
  • изучал термодинамические процессы и нелинейную электродинамику Борна;
  • предпринимал попытки создания единой теории поля.

Понятие “Кот Шредингера”

“Кот Шредингера” – знаменитая загадка теории Шредингера, мысленный эксперимент, проведенный австрийским физиком-теоретиком, с помощью которого удалось продемонстрировать неполноту квантовой механики при переходе от микросистем к макросистемам. Вся эта теория базируется на критике ученым достижений квантовой механики.

Прежде чем переходить к описанию эксперимента, необходимо дать определение основным понятиям, которые в ней используются.

Основной постулат знаменитого феномена гласит, что до тех пор, пока за системой никто не наблюдает, она находится в положении суперпозиции – одновременно в двух или более состояниях, которые исключают взаимное существование.

Сам Шредингер дал следующее определение суперпозиции – это квантовая способность (в роли кванта может быть и электрон, и фотон, и ядро атома) находиться сразу в нескольких состояниях или нескольких точках пространства одновременно, пока за системой никто не наблюдает. Квант – это микроскопический объект микросреды.

Разгадка парадокса – копенгагенская интерпретация

Ученые из Копенгагена разгадали загадку «Кота Шредингера».

Современная копенгагенская интерпретация состоит в том, что кот жив/мертв без всяких промежуточных состояний, потому что ядро распадается или не распадается не при открытии ящика, а еще раньше – когда ядро направляется в детектор.

Объяснение этому следующее: редукция волновой функции микросистемы «кот-детектор-ядро» не имеет никакой связи с человеком, наблюдающим за ящиком, а связана с детектором-наблюдателем ядра.

Данная интерпретация феномена Кота Шредингера отрицает возможность нахождения кота до открытия ящика в состоянии суперпозиции – в состоянии живого/мёртвого кота одновременно. Кот в макросистеме всегда находится лишь в каком-то одном состоянии.

Важно! Эксперимент Шредингера показал, что микрообъект и макрообъект ведут себя в системах в соответствии с разными законами – законами квантовой физики и законами физики в ее классическом понимании соответственно.

Но науки, изучающей явления при переходе от макросистемы к микросистеме, не существует. Эрвин Шредингер загорелся идеей проведения такого эксперимента именно с той целью, чтобы доказать слабость и неполноту общей теории физики.

Его самым сокровенным желанием было продемонстрировать на конкретном опыте, что каждая наука выполняет свои задачи: классическая физика изучает макрообъекты, квантовая физика – микрообъекты.

Есть потребность в разработке научных знаний для описания процесса перехода от больших к маленьким объектам в системах.

Сразу простому обывателю очень сложно понять сущность данного парадокса. Ведь в сознании каждого человека есть убежденность в том, что любой объект материального мира в данный момент времени может находиться только в какой-то одной точке.

Но теорию Шредингера можно применять только к микрообъектам, кот – же объект макромира.

Самой свежей интерпретацией парадокса «Кота Шредингера» является применение его в сериале «Теория большого взрыва», в котором главный герой Шелдон Купер объяснил его сущность для менее образованной Пенни.

Купер перенес этот феномен в область человеческих отношений. Чтобы понять, хорошие или плохие отношения между людьми противоположного пола, просто нужно открыть ящик.

А до этого момента любые отношения являются одновременно и хорошими, и плохими.

Источник: https://advi.club/psihologiya-i-obshhestvo/155-kot-shredingera-prostymi-slovami.html

Кот Шредингера простыми словами. Суть эксперимента

Парадокс кота Шредингера. Объяснение смысла. Знаменитая загадка «Кота Шредингера» простыми словами

Если Вы заинтересовались статьёй по теме из квантовой физики, то велика вероятность того, что Вы любите сериал «Теория большого взрыва».

Так вот, Шелдон Купер придумал свеженькую интерпретацию мысленного эксперимента Шрёдингера (видео с этим фрагментом Вы найдёте в конце статьи).

Но чтобы понять диалог Шелдона с его соседкой Пенни, обратимся сначала к классической интерпретации. Итак, Кот Шредингера простыми словами.

В этой статье мы рассмотрим:

  • Короткая историческая справка
  • Описание эксперимента с Котом Шрёдингера
  • Разгадка парадокса Кота Шрёдингера  
  • Интерпретация Шелдона парадокса Кота Шрёдингера

Сразу хорошая новость. Во время эксперимента кот Шредингера не пострадал. Потому что физик Эрвин Шрёдингер, один из создателей квантовой механики, провёл только мысленный эксперимент.

Короткая историческая справка

Перед тем, как погрузиться в описание эксперимента, сделаем мини экскурс в историю.

В начале прошлого века учёным удалось заглянуть в микромир. Несмотря на внешнюю схожесть модели «атом-электрон» с моделью «Солнце-Земля», оказалось, что в микромире не работают привычные нам ньютоновские законы классической физики. Поэтому появилась новая наука –квантовая физика и ёё составляющая – квантовая механика. Квантами назвали все микроскопические объекты микромира.

Внимание! Один из постулатов квантовой механики – «суперпозиция». Он пригодится нам для понимания сути эксперимента Шрёдингера.

«Суперпозиция» – это способность кванта (им может быть электрон, фотон, ядро атома) находится не в одном, а в нескольких состояниях одновременно или находится в нескольких точках пространства одновременно, если никто за ним не наблюдает

Нам это сложно понять, потому что в нашем мире объект может иметь только одно состояние, например, быть, или живым, или мёртвым. И может находиться только в одном определённом месте в пространстве. О «суперпозиции» и ошеломляющих результатах экспериментов квантовой физики можете почитать в этой статье Квантовая физика для чайников.

Вот простая иллюстрация отличия поведения микро и макро объектов. Положите в одну из 2-х коробок шар. Т.к. шар – это объект нашего макро мира, Вы с уверенностью скажете: «Шар лежит только в одной из коробок, при этом во второй – пусто».

Если же вместо шара возьмёте электрон, то верным будет высказывание, что он находится одновременно в 2-х коробках. Так работают законы микромира. Пример: электрон в реальности не вращается вокруг ядра атома, а находится во всех точках сферы вокруг ядра одновременно.

В физике и химии, этот феномен имеет название «электронного облака».

Резюме. Мы поняли, что поведение очень маленького объекта и большого объекта подчиняются разным законам. Законам квантовой физики и Законам классической физики соответственно.

Но нет науки, которая описывала бы переход от макромира в микромир. Так вот, Эрвин Шрёдингер описал свой мысленный эксперимент  как раз для того, чтобы продемонстрировать неполноту общей теории физики.

Он хотел, чтобы парадокс Шредингера показал, что есть наука для описания больших объектов (классическая физика) и наука для описания микрообъектов (квантовая физика).

Но не хватает науки для описания перехода от квантовых систем к макросистемам.

Описание эксперимента с Котом Шредингера

Эрвин Шрёдингер описал мысленный эксперимент с котом в 1935 году. Оригинальная версия описания эксперимента представлена в Википедии (Кот Шредингера Википедия).

Вот версия описания эксперимента Кот Шредингера простыми словами:

  • В закрытый стальной ящик поместили кота.
  • В «ящике Шредингера» есть устройство с радиоактивным ядром и ядовитым газом, помещённым в ёмкость.
  • Ядро может распасться в течение 1 часа или нет. Вероятность распада – 50%.
  • Если ядро распадётся, то счётчик Гейгера зафиксирует это. Сработает реле и молоточек разобьёт ёмкость с газом. Котик Шрёдингера умрёт.
  • Если – нет, то шредингеровский кот будет жив.

Согласно закону «суперпозиции» квантовой механики в то время, когда мы не наблюдаем за системой, ядро атома (а следовательно, и кот) находится в 2-х состояниях одновременно. Ядро находится в состоянии распавшееся/нераспавшееся. А кот – в состоянии жив/мертв одновременно.

Но мы точно знаем, если «ящик Шредингера» открыть, то кот может быть только в одном из состояний:

  • если ядро не распалось – наш кот жив
  • если ядро распалось – котик мёртв

Парадокс эксперимента заключается в том, что согласно квантовой физике: до открытия коробки кот, и жив, и мёртв одновременно, но согласно законам физики нашего мира – это невозможно. Кот может быть в одном конкретном состоянии – быть живым или быть мёртвым. Нет смешанного состояния «кот жив/мёртв» одновременно.

Перед тем, как получить разгадку, посмотрите эту замечательную видео-иллюстрацию парадокса эксперимента с котом Шрёдингера (меньше 2-х минут):

Разгадка парадокса Кота Шрёдингера – копенгагенская интерпретация

Теперь разгадка. Обратите внимание на особую загадку квантовой механики – парадокс наблюдателя. Объект микромира (в нашем случае, ядро) находится в нескольких состояниях одновременно только пока мы не наблюдаем за системой.

Например, знаменитый эксперимент с 2-мя щелями и наблюдателем.

Когда пучок электронов направляли на непрозрачную пластину с 2-мя вертикальными щелями, то на экране за пластиной электроны рисовали «волновую картину» — вертикальные чередующиеся тёмные и светлые полосы.

Но когда экспериментаторы захотели «посмотреть», как электроны пролетают сквозь щели и установили со стороны экрана «наблюдателя», электроны нарисовали на экране не «волновую картину», а 2 вертикальные полосы. Т.е. вели себя, не как волны, а как частицы.

Похоже на то, что квантовые частицы сами решают, какое состояние им принять в момент, когда их «замеряют».

Исходя из этого, современное копенгагенское пояснение (интерпретация) феномена «Кота Шредингера» звучит так:

Пока никто не наблюдает за системой «кот-ядро», ядро находится в состоянии распавшееся/нераспавшееся одновременно. Но ошибочно утверждать, что и кот жив/мёртв одновременно. Почему? Да потому что в макросистемах квантовые явления не наблюдаются. Правильнее говорить не о системе «кот-ядро», а о системе «ядро-детектор (счётчик Гейгера)».

Ядро выбирает одно из состояний (распавшееся/нераспавшееся) в момент наблюдения (или измерения).

Но этот выбор происходит не в тот момент, когда экспериментатор открывает ящик (открытие ящика происходит в макромире, очень далёком от мира ядра).

Ядро выбирает своё состояние в момент, когда оно попадает в детектор. Дело в том, что в эксперименте система описана недостаточно.

Таким образом, копенгагенская интерпретация парадокса Кота Шредингера отрицает, что до момента открытия ящика Кот Шредингера был в состоянии суперпозиции –  находился в состоянии живого/мёртвого кота одновременно. Кот в макромире может находится и находится только в одном состоянии.

Резюме. Шредингер не совсем полно описал эксперимент. Не правильно (точнее, невозможно связывать) макроскопические и квантовые системы. В наших макросистемах не действуют квантовые законы.

В данном эксперименте взаимодействуют не «кот-ядро», а «кот – детектор-ядро». Кот из макромира, а система «детектор-ядро» – из микромира. И только в своём квантовом мире ядро может находиться в 2-х состояниях одновременно.

Это происходит до момента измерения или взаимодействия ядра с детектором. А кот в своём макромире может находиться и находится только в одном состоянии. Поэтому, это только на 1-й взгляд кажется, что состояние кота «жив-мёртв» определяется в момент открытия ящика.

На самом деле его судьба определяется в момент взаимодействия детектора с ядром.

Окончательное резюме. Состояние системы «детектор-ядро — кот» связано НЕ с человеком – наблюдателем за ящиком, а с детектором – наблюдателем за ядром.

Фух. Чуть мозги не закипели! Но как приятно самой понять разгадку парадокса! Как в старом студенческом анекдоте про преподавателя: «Пока рассказывал, сам понял!».

Интерпретация Шелдона парадокса Кота Шрёдингера

Теперь можно расслабиться и послушать самую свежую интерпретацию мысленного эксперимента Шредингера от Шелдона. Суть его интерпретации в том, что ёё можно применять в отношениях между людьми. Чтобы понять, хорошие отношения между мужчиной и женщиной или плохие – нужно открыть ящик (пойти на свидание). А до этого они, и хорошие, и плохие одновременно.

Ну как Вам этот «милый эксперимент»? В наше время досталось бы Шрёдингеру от защитников животных за такие зверские мысленные эксперименты с котом. А может это был не кот, а Кошка Шредингера?! Бедная девочка, натерпелась от этого Шредингера (((

До встречи в следующих публикациях!

Желаю всем удачного дня и приятного вечера!

Алёна Краева

P.S. Если Вам понравилась информация и была понятной и полезной, не забудьте поделиться статьёй с друзьями.

Источник: http://alenakraeva.com/new-digital-world/kot-shryodingera-prostymi-slovami/

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.