Šrodingera kaķis (vienkāršots): kas tas ir un kāpēc tas ir svarīgi?

1935. gadā - divus gadus pēc Nobela prēmijas iegūšanas par ieguldījumu kvantu fizikā - austrietis Fiziķis Ervins Šrēdingers ierosināja slaveno domu eksperimentu, kas pazīstams kā Šrēdingera kaķu paradokss.

Paradokss ir viena no populārākajā kultūrā vispazīstamākajām lietām par kvantu mehāniku, taču tas nav tikai sirreāls un smieklīgs veids, kā aprakstīt, kā kvantu pasaule uzvedas, tā faktiski skar galveno kritiku par dominējošo kvantu interpretāciju mehānika.

Tas izturas, jo piedāvā absurdo ideju par vienlaikus dzīvu un mirušu kaķi, taču tam ir daži filozofiskais svars, jo savā ziņā kvantu mehānika to varētu domāt iespējams.

Šrēdingers nāca klajā ar domu eksperimentu tieši šī iemesla dēļ. Tāpat kā daudzus citus fiziķus, Kopenhāgenas kvantu mehānikas interpretācija viņu pilnībā neapmierināja, un viņš meklēja veidu, kā nodot redzēto kā centrālais trūkums tajā kā realitātes aprakstīšanas veids.

Kopenhāgenas kvantu mehānikas interpretācija joprojām ir visplašāk pieņemtais mēģinājums saprast, ko kvantu fizika patiesībā nozīmē fiziskā nozīmē.

Būtībā tas saka, ka viļņu funkcija (kas apraksta daļiņas stāvokli) un Šrēdingers vienādojums (kuru izmantojat viļņu funkcijas noteikšanai) jums pasaka visu, ko jūs varat zināt par kvantu Valsts. Sākumā tas var likties saprātīgi, taču tas nozīmē daudz lietu par realitātes būtību, kas daudziem cilvēkiem neder.

Piemēram, daļiņas viļņu funkcija izplatās visā kosmosā, un tāpēc Kopenhāgenas interpretācijā teikts, ka daļiņai nav noteikta atrašanās vietas, kamēr nav veikts mērījums.

Veicot mērījumu, jūs sabojājat viļņu funkcijas, un daļiņa uzreiz nonāk vienā no vairākiem iespējamiem stāvokļiem, un to var paredzēt tikai varbūtības izteiksmē.

Interpretācijā teikts, ka kvantu daļiņām faktiski nav novērojamu vērtību, piemēram, pozīcijas, impulsa vai griešanās līdz tiek veikts novērojums. Tie pastāv dažādos potenciālos stāvokļos, tā sauktajā “superpozīcijā”, un būtībā tā var būt domāja par visiem tiem uzreiz, kaut arī tiek vērtēts, lai atzītu, ka dažas valstis ir vairāk nekā iespējams citi.

Daži šo interpretāciju uztver stingrāk nekā citi - piemēram, viļņu funkciju varētu vienkārši uzskatīt par teorētisku konstrukcija, kas ļauj zinātniekiem prognozēt eksperimentu rezultātus, bet interpretācija kvantu vērtē kopumā teorija.

Pārdomu eksperimentā Šrēdingers ierosināja ievietot kaķi kastē, tāpēc tas tika paslēpts no novērotājiem (jūs varat iedomāties, ka tas ir arī skaņas necaurlaidīgs kaste) kopā ar indes flakonu. Indes flakons tiek noregulēts, lai kaķi salauztu un nogalinātu, ja notiek noteikts kvantu notikums, ko Šrēdingers uzskatīja par radioaktīvā atoma sabrukšanu, kas ir nosakāms ar Geigera skaitītāju.

Kā kvantu process, radioaktīvās sabrukšanas laiku nevar paredzēt nekādā konkrētā gadījumā, tikai kā vidējo rādītāju daudzos mērījumos. Tātad, nekādi nevarot faktiski noteikt sabrukšanu un indes saplīšanas flakonu, burtiski nav iespēju uzzināt, vai tas noticis eksperimentā.

Tādā pašā veidā kā daļiņas pirms mērīšanas kvantu teorijā netiek uzskatītas par noteiktā vietā, bet a iespējamo stāvokļu kvantu superpozīciju, radioaktīvo atomu var uzskatīt par “sabrukušas” un “ne sabrukusi. ”

Katra varbūtību varēja paredzēt līdz līmenim, kas būtu precīzs daudzos mērījumos, bet ne konkrētam gadījumam. Tātad, ja radioaktīvais atoms atrodas superpozīcijā un kaķa dzīve ir pilnībā atkarīga no šī stāvokļa, vai tas nozīmē, ka kaķa stāvoklis atrodas arī stāvokļu superpozīcijā? Citiem vārdiem sakot, vai kaķis atrodas dzīvu un mirušu kvantu superpozīcijā?

Vai stāvokļu uzlikšana notiek tikai kvantu līmenī, vai domu eksperiments parāda, ka tam būtu loģiski jāpiemēro arī makroskopiskie objekti? Ja to nevar attiecināt uz makroskopiskiem objektiem, kāpēc gan ne? Un galvenokārt: vai tas viss nav mazliet smieklīgi?

Domas eksperiments nonāk kvantu mehānikas filozofiskajā centrā. Vienā viegli saprotamā scenārijā iespējamie Kopenhāgenas interpretācijas jautājumi tiek atklāti, un paskaidrojuma atbalstītājiem paliek daži paskaidrojumi. Viens no iemesliem, kāpēc tas ir izturējis populāro kultūru, neapšaubāmi ir tas, ka tas spilgti parāda atšķirību starp to, kā kvantu mehānika apraksta kvantu daļiņu stāvokli, un veidu, kā jūs raksturojat makroskopisko objektiem.

Tomēr tas pievēršas arī jēdzienam par to, ko jūs domājat ar “mērīšanu” kvantu mehānikā. Tas ir svarīgs jēdziens, jo viļņu funkcijas sabrukšanas process ir atkarīgs no tā, vai kaut kas ir novērots.

Vai cilvēkiem tas ir vajadzīgs fiziski novērot kvantu notikuma iznākums (piemēram, lasot Ģēģera skaitītāju), vai arī tam vienkārši ir nepieciešams mijiedarboties ar kaut ko makroskopisku? Citiem vārdiem sakot, vai kaķis šajā scenārijā ir “mērīšanas ierīce” - vai tas ir tas, kā tiek atrisināts paradokss?

Uz šiem jautājumiem nav īsti plaši pieņemtu atbilžu. Paradokss lieliski uztver to, kas ir saistīts ar kvantu mehāniku, kas cilvēkiem, kuri pieraduši to piedzīvot, ir grūti ievainojami makroskopiskā pasaule, un kuras smadzenes galu galā attīstījās, lai izprastu pasauli, kurā dzīvojat, nevis subatomisko pasauli. daļiņas.

EPR paradokss ir vēl viens domu eksperiments, kura mērķis ir parādīt problēmas ar kvantu mehāniku, un tas tika nosaukts pēc Alberta Einšteina, Borisa Podoļska un Natana Rozena, kuri izstrādāja paradoksu. Tas attiecas uz kvantu sapīšanās, kuru Einšteins slaveni dēvēja par “spocīgu darbību attālumā”.

Kvantu mehānikā divas daļiņas var “sapīties”, tā ka nevienu no pāri nevar aprakstīt bez atsauces uz cits - to kvantu stāvokļus raksturo dalītā viļņa funkcija, kuru nevar atdalīt vienā daļiņai un citai daļiņai cits.

Piemēram, divām daļiņām noteiktā sapinušajā stāvoklī var izmērīt “spin” un, ja tiek mērīta viena kā griešanās “uz augšu”, otram jābūt grieztai “uz leju” un otrādi, lai gan tas iepriekš nav noteikts.

Jebkurā gadījumā to ir nedaudz grūti pieņemt, bet, ja EPR paradokss ierosina, abas daļiņas būtu atdalītas ar milzīgu attālumu. Pirmais mērījums tiek veikts un atklāj “spin down”, bet pēc tam ļoti drīz pēc tam (tik ātri, ka pat gaisma) signāls laikā nevarēja pārvietoties no vienas vietas uz otru), otrajā veic mērījumu daļiņa.

Kā otrā daļiņa "zina" pirmā mērījuma rezultātu, ja signālu nav iespējams pārvietot starp abiem?

Einšteins uzskatīja, ka tas ir pierādījums tam, ka kvantu mehānika ir “nepilnīga” un ka spēlē ir “slēptie mainīgie”, kas izskaidro šķietami neloģiskos rezultātus kā šie. Tomēr 1964. gadā Džons Bels atrada veidu, kā pārbaudīt Einšteina ierosināto un slēpto mainīgo lielumu klātbūtni atrada nevienlīdzību, kas, ja tā tiktu sadalīta, pierādītu, ka rezultātu nevar iegūt ar slēptu mainīgo teorija.

Eksperimenti, kas veikti, pamatojoties uz to, atklāja, ka Bella nevienlīdzība ir salauzta, un tāpēc paradokss ir tikai vēl viens kvantu mehānikas aspekts, kas šķiet dīvaini, bet vienkārši darbojas kvantu mehānika.