У 1935 році - через два роки після отримання Нобелівської премії за внесок у квантову фізику - Австрія Фізик Ервін Шредінгер запропонував відомий думковий експеримент, відомий як парадокс котів Шредінгера.
Що таке парадокс котів Шредінгера?
Парадокс - це одна з найвідоміших речей про квантову механіку в популярній культурі, але це не просто сюрреалістичне та смішне Щоб описати, як поводиться квантовий світ, він насправді вражає ключову критику домінуючої інтерпретації кванту механіка.
Це терпить, бо пропонує безглузду ідею одночасно живого і мертвого кота, але у нього є деякі філософська вага, бо в певному сенсі це насправді є те, що квантова механіка може запропонувати можливо.
Шредінгер придумав мислительний експеримент саме з цієї причини. Як і багатьох інших фізиків, він не був повністю задоволений копенгагенською інтерпретацією квантової механіки, і він шукав спосіб передати те, що він бачив як центральний недолік в ньому як спосіб опису дійсності.
Копенгагенська інтерпретація квантової механіки
Копенгагенська інтерпретація квантової механіки досі є найбільш прийнятою спробою зрозуміти, що насправді означає квантова фізика у фізичному сенсі.
По суті, це говорить про те, що хвильова функція (яка описує стан частинки) і Шредінгера рівняння (яке ви використовуєте для визначення хвильової функції) розповість вам все, що ви можете знати про квант держава. Спочатку це може здатися розумним, але це передбачає багато речей про природу реальності, які не подобаються багатьом людям.
Наприклад, хвильова функція частинки поширюється по простору, і тому Копенгагенська інтерпретація стверджує, що частинка не має остаточного місця розташування, поки не буде проведено вимірювання.
Здійснюючи вимірювання, ви спричиняєте колапс хвильової функції, і частинка миттєво потрапляє в один із кількох можливих станів, і це можна передбачити лише з точки зору ймовірності.
Інтерпретація говорить, що квантові частинки насправді не мають значень таких спостережуваних, як положення, імпульс чи спін поки не буде зроблено спостереження. Вони існують у ряді потенційних станів, у тому, що називається "суперпозицією", і по суті можуть бути Ми вважаємо їх усіма одночасно, хоча зважене визнати, що деякі держави мають більшу вірогідність інші.
Деякі сприймають це тлумачення більш суворо, ніж інші - наприклад, хвильову функцію можна просто розглядати як теоретичну конструкція, яка дозволяє вченим прогнозувати результати експериментів, - але саме так інтерпретація розглядає квант теорія.
Кіт Шредінгера
В експерименті з думками Шредінгер запропонував помістити кота в коробку, щоб вона була прихована від спостерігачів (ви можете собі уявити, що це теж звукоізоляційна коробка) разом із флаконом з отрутою. Флакон з отрутою сфабрикований, щоб зламати і вбити кота, якщо має місце певна квантова подія, яку Шредінгер прийняв за розпад радіоактивного атома, який можна виявити за допомогою лічильника Гейгера.
Як квантовий процес, час радіоактивного розпаду не можна передбачити в будь-якому конкретному випадку, лише як середнє значення для багатьох вимірювань. Тому, не маючи можливості насправді виявити гниття та флакон з отрутою, буквально неможливо дізнатися, чи це сталося в експерименті.
Так само, як до вимірювання в квантовій теорії частинки вважаються не в певному місці, а квантової суперпозиції можливих станів, радіоактивний атом можна вважати таким, що знаходиться в суперпозиції «розпався», а «не занепав ».
Ймовірність кожного з них можна передбачити до рівня, який був би точним під час багатьох вимірювань, але не для конкретного випадку. Отже, якщо радіоактивний атом знаходиться в суперпозиції, і життя кота повністю залежить від цього стану, чи означає це, що стан кота також знаходиться в суперпозиції станів? Іншими словами, чи перебуває кіт у квантовій суперпозиції живих і мертвих?
Суперпозиція станів відбувається лише на квантовому рівні, або мислительний експеримент показує, що логічно він повинен застосовуватися і до макроскопічних об'єктів? Якщо це не може стосуватися макроскопічних об'єктів, чому б і ні? І найбільше: чи не все це трохи смішно?
Чому це важливо?
Мисленнєвий експеримент потрапляє у філософське серце квантової механіки. В одному легко зрозумілому сценарії розкриваються потенційні проблеми з тлумаченням Копенгагена, а прихильникам пояснення залишається кілька пояснень. Безсумнівно, одна з причин, чому вона переживається в популярній культурі, - це яскрава різниця між тим, як квантова механіка описує стан квантових частинок, і тим, як ви описуєте макроскопічні об'єктів.
Однак він також займається поняттям того, що ви маєте на увазі під "вимірюванням" у квантовій механіці. Це важлива концепція, оскільки процес колапсу хвильової функції принципово залежить від того, чи спостерігалося щось.
Чи потрібно людям фізично спостерігати результат квантової події (наприклад, читання лічильника Гейгера), або йому просто потрібно взаємодіяти з чимось макроскопічним? Іншими словами, чи є кішка «вимірювальним приладом» у цьому сценарії - чи так вирішується парадокс?
На ці запитання насправді немає загальновизнаної відповіді. Парадокс чудово фіксує те, що саме про квантову механіку важко переживати людям, звиклим переживати макроскопічний світ, і справді, мозок якого зрештою еволюціонував, щоб зрозуміти світ, в якому ти живеш, а не світ субатомних частинки.
Парадокс EPR
Парадокс EPR - ще один мислительський експеримент, який мав на меті показати проблеми з квантовою механікою, і він був названий на честь Альберта Ейнштейна, Бориса Подольського та Натана Розена, які створили парадокс. Це стосується квантове заплутування, який Ейнштейн знаменито називав "моторошною дією на відстані".
У квантовій механіці дві частинки можна "заплутати", так що жодна з пари не може бути описана без посилання на інше - їх квантові стани описуються спільною хвильовою функцією, яку не можна розділити на одне для однієї частинки та одне для інший.
Наприклад, для двох частинок у конкретному переплутаному стані можна виміряти “спін”, а якщо виміряти одну як спін "вгору", інший повинен "спін", і навпаки, хоча це не визначено заздалегідь.
У будь-якому випадку це трохи важко прийняти, але що, якщо, згідно з парадоксом EPR, дві частинки були розділені на величезну відстань. Перше вимірювання проводиться і виявляє "обертання вниз", але потім дуже скоро після цього (настільки швидко, що навіть світло сигнал не міг проїхати з одного місця до іншого в часі) вимірювання проводиться на другому частинка.
Як друга частинка "знає" результат першого вимірювання, якщо між ними неможливо пройти сигнал?
Ейнштейн вважав, що це є доказом того, що квантова механіка була "неповною" і що в грі були "приховані змінні", які пояснювали б, здавалося б, нелогічні результати, подібні цим. Однак у 1964 р. Джон Белл знайшов спосіб перевірити наявність прихованих змінних, запропонованих Ейнштейном і виявили нерівність, яка, якщо її порушити, доведе, що результат неможливо отримати за допомогою прихованої змінної теорія.
Експерименти, проведені на основі цього, виявили, що нерівність Белла порушена, і тому парадокс - це лише інший аспект квантової механіки, який здається дивно, але це просто спосіб роботи квантової механіки.