Кот Шредингера (упрощенный): что это такое и почему это важно?

В 1935 году - через два года после получения Нобелевской премии за вклад в квантовую физику - австрийский Физик Эрвин Шредингер предложил знаменитый мысленный эксперимент, известный как парадокс Шредингера с кошкой.

Парадокс - одна из самых известных особенностей квантовой механики в популярной культуре, но это не просто сюрреалистичный и забавный способ описать, как ведет себя квантовый мир, на самом деле бросает вызов ключевой критике доминирующей интерпретации квантового мира. механика.

Он живёт, потому что предлагает абсурдную идею одновременно живого и мертвого кота, но в нем есть философский вес, потому что, в некотором смысле, это действительно то, что квантовая механика может предложить возможный.

Шредингер придумал мысленный эксперимент именно по этой причине. Как и многие другие физики, он не был полностью удовлетворен копенгагенской интерпретацией квантовой механики, и он искал способ передать то, что он видел, как центральный недостаток в нем как способ описания реальности.

Копенгагенская интерпретация квантовой механики по-прежнему является наиболее широко распространенной попыткой понять, что на самом деле означает квантовая физика в физическом смысле.

По сути, это говорит о том, что волновая функция (которая описывает состояние частицы) и Шредингера уравнение (которое вы используете для определения волновой функции) расскажет вам все, что вы можете знать о квантовой государственный. Поначалу это может показаться разумным, но из этого следует многое о природе реальности, что не нравится многим людям.

Например, волновая функция частицы распространяется в пространстве, поэтому копенгагенская интерпретация утверждает, что частица не имеет определенного местоположения до тех пор, пока не будет произведено измерение.

Когда вы производите измерение, вы вызываете коллапс волновой функции, и частица мгновенно попадает в одно из нескольких возможных состояний, и это можно предсказать только с точки зрения вероятности.

Интерпретация гласит, что квантовые частицы на самом деле не имеют значений наблюдаемых, таких как положение, импульс или спин. пока не будет сделано наблюдение. Они существуют в ряде потенциальных состояний, в так называемой «суперпозиции», и по существу могут быть рассматривается как все сразу, хотя взвешено, чтобы признать, что некоторые состояния более вероятны, чем другие.

Некоторые принимают эту интерпретацию более строго, чем другие - например, волновую функцию можно просто рассматривать как теоретическую конструкция, которая позволяет ученым предсказывать результаты экспериментов - но именно так интерпретация рассматривает квантовые теория.

В мысленном эксперименте Шредингер предложил поместить кошку в ящик, чтобы он был скрыт от наблюдателей (вы можете представить, что это тоже звуконепроницаемая коробка) вместе с пузырьком с ядом. Флакон с ядом приспособлен для того, чтобы разбить и убить кошку, если произойдет определенное квантовое событие, которое Шредингер принял за распад радиоактивного атома, который можно обнаружить с помощью счетчика Гейгера.

Как квантовый процесс время радиоактивного распада невозможно предсказать в каком-либо конкретном случае, только как среднее значение по многим измерениям. Таким образом, при отсутствии возможности фактически обнаружить распад и разрушение пузырька с ядом, буквально невозможно узнать, произошло ли это в эксперименте.

Точно так же, как частицы не считаются находящимися в определенном месте до измерения в квантовой теории, но квантовая суперпозиция возможных состояний, радиоактивный атом можно рассматривать как находящийся в суперпозиции «распавшийся» и «не распался ».

Вероятность каждого из них можно предсказать до уровня, который будет точным по многим измерениям, но не для конкретного случая. Итак, если радиоактивный атом находится в суперпозиции, и жизнь кошки полностью зависит от этого состояния, означает ли это, что состояние кошки также находится в суперпозиции состояний? Другими словами, находится ли кошка в квантовой суперпозиции живого и мертвого?

Происходит ли суперпозиция состояний только на квантовом уровне, или мысленный эксперимент показывает, что это должно логически применяться и к макроскопическим объектам? Если это не применимо к макроскопическим объектам, почему бы и нет? И самое главное: разве все это не смешно?

Мысленный эксперимент затрагивает философскую суть квантовой механики. В одном легком для понимания сценарии раскрываются потенциальные проблемы с копенгагенской интерпретацией, и сторонникам объяснения остается лишь кое-что объяснить. Одна из причин, по которой он сохранился в популярной культуре, несомненно, заключается в том, что он ярко показывает разницу между тем, как квантовая механика описывает состояние квантовых частиц, и тем, как вы описываете макроскопические объекты.

Однако он также затрагивает понятие того, что вы подразумеваете под «измерением» в квантовой механике. Это важная концепция, потому что процесс коллапса волновой функции фундаментально зависит от того, наблюдалось ли что-либо.

Людям нужно физически наблюдать результат квантового события (например, чтение счетчика Гейгера), или ему просто нужно взаимодействовать с чем-то макроскопическим? Другими словами, является ли кошка «измерительным прибором» в этом сценарии - так ли разрешается парадокс?

На самом деле нет широко распространенных ответов на эти вопросы. Парадокс прекрасно отражает то, что в квантовой механике трудно переварить людям, привыкшим испытывать макроскопический мир, и действительно, чей мозг в конечном итоге эволюционировал, чтобы понимать мир, в котором вы живете, а не мир субатомных частицы.

Парадокс ЭПР - это еще один мысленный эксперимент, призванный показать проблемы с квантовой механикой, и он был назван в честь Альберта Эйнштейна, Бориса Подольского и Натана Розена, придумавших парадокс. Это относится к квантовая запутанность, который Эйнштейн назвал «жутким действием на расстоянии».

В квантовой механике две частицы могут быть «запутаны», так что ни одну из них нельзя описать без ссылки на другие - их квантовые состояния описываются общей волновой функцией, которую нельзя разделить на одну для одной частицы и одну для Другой.

Например, две частицы в определенном запутанном состоянии могут иметь измеренный «спин», а если измеряется одна поскольку у другого есть вращение «вверх», у другого должно быть вращение «вниз», и наоборот, хотя это не определено заранее.

В любом случае это немного сложно принять, но что, если, как предполагает парадокс ЭПР, две частицы были разделены огромным расстоянием. Первое измерение показывает «замедление вращения», но вскоре после этого (так быстро, что даже свет сигнал не мог перемещаться из одного места в другое во времени) измерение выполняется во втором частица.

Как вторая частица «знает» результат первого измерения, если сигнал не может пройти между ними?

Эйнштейн считал, что это доказательство того, что квантовая механика «неполна» и что существуют «скрытые переменные», которые могут объяснить такие, казалось бы, нелогичные результаты. Однако в 1964 году Джон Белл нашел способ проверить наличие скрытых переменных, предложенных Эйнштейном, и нашел неравенство, которое, если оно нарушено, докажет, что результат не может быть получен со скрытой переменной теория.

Эксперименты, проведенные на основе этого, показали, что неравенство Белла нарушается, и поэтому парадокс - это просто еще один аспект квантовой механики, который кажется странно, но так работает квантовая механика.