Shroedingerova kočka

Schrödingerova kočka (původně „kočka“) je myšlenkový experiment navržený jedním z tvůrců kvantové mechaniky Erwinem Schrödingerem v roce 1935, když diskutoval o fyzikálním významu vlnové funkce . Během experimentu se objevuje superpozice živé a mrtvé kočky, která vypadá z pohledu zdravého rozumu absurdně [1] .

Schrödingerův článek

V článku v časopise Naturwissenschaften , publikovaném v roce 1935 v reakci na práci Einsteina, Podolského a Rosena , Schrödinger diskutuje o výkladu kvantové mechaniky , zejména o fyzikálním významu vlnové funkce.

Nejprve (v § 4) zavrhuje možnost, že popis částice pomocí vlnové funkce odráží pouze naši neznalost přesných hodnot dynamických proměnných (které přesto skutečně existují ). Dále (v § 5) se Schrödinger ptá: tedy, možná jsou proměnné skutečně "rozmazané" v souladu s vlnovou funkcí částice? Ne, odpoví. Obklopme radioaktivní atom clonou citlivou na elektrony. Vlnová funkce elektronu emitovaného během rozpadu je kulová vlna . Ve skutečnosti však elektron spadne do jednoho konkrétního bodu obrazovky (i když pokaždé do jiného) a nebude po něm rovnoměrně „rozmazaný“.

Existují také docela bláznivé příklady tohoto druhu, říká Schrödinger:

Uložme kočku do ocelového trezoru spolu s pekelným strojem (chráněným před kočkou). Zrnko radioaktivního materiálu je umístěno v Geigerově počítači, tak malém, že se jeden z atomů může rozpadnout za hodinu, ale žádný se nemůže rozpadnout se stejnou pravděpodobností. Pokud se atom rozpadne, počítadlo přes relé aktivuje kladivo, které rozbije baňku s kyselinou kyanovodíkovou . Necháme-li tento systém na hodinu pro sebe, řekneme, že kočka je stále naživu , pokud se během této doby nerozpadl ani jeden atom. První rozklad by kočku otrávil. ψ -funkce celého systému by to vyjádřila tak, že živá a mrtvá kočka (tak říkajíc) jsou smíchány nebo rozmazány ve stejném poměru [2] .

Původní text  (německy)[ zobrazitskrýt] Eine Katze wird in eine Stahlkammer gesperrt, zusammen mit folgender Höllenmaschine (die man gegen den direkten Zugriff der Katze sichern muß): in einem Geigerschen Zählrohr befindet sich eine winzige Mengevon weintomen de Substanz , im sorfät ebenso wahrscheinlich aber auch keines; geschieht es, so spricht das Zählrohr an und betätigt über ein Relais ein Hämmerchen, das ein Kölbchen mit Blausäure zertrümmert. Hat man dieses ganze System eine Stunde lang sich selbst überlassen, so wird man sich sagen, daß die Katze noch lebt, wenn inzwischen kein Atom zerfallen ist. Der erste Atomzerfall würde sie vergiftet haben. Die ψ -Funktion des ganzen Systems würde das so zum Ausdruck carryen, daß in ihr die lebende und die tote Katze (svv) zu gleichen Teilen gemischt oder verschmiert sind [3] .

Ale očividně kočka nemůže být živá a mrtvá zároveň. Takže, uzavírá Schrödinger, nemůžeme předpokládat, že realita je skutečně „vymazána“ podle vlnové funkce.

Tento experiment se líbil Einsteinovi , o kterém je známo, že nikdy nepřijal kodaňskou interpretaci kvantové mechaniky. Schrödingerovi napsal: „Jako dříve, tak i nyní jsem přesvědčen, že vlnová reprezentace hmoty není úplnou reprezentací stavu věcí, i když se ukázalo, že je prakticky užitečná. Váš příklad s kočkou to velmi pěkně ukazuje…“ [2]

Vysvětlení experimentu

Podle kvantové mechaniky, pokud se nad jádrem neprovádí žádné pozorování, je jeho stav popsán superpozicí (smícháním) dvou stavů - rozpadlé jádro a nerozložené jádro, takže kočka sedící v krabici je živá i mrtvá. ve stejnou dobu. Pokud se krabička otevře, pak může experimentátor vidět pouze jeden konkrétní stav – „jádro se rozpadlo, kočka je mrtvá“ nebo „jádro se nerozpadlo, kočka žije“.

Otázka zní: kdy systém přestane existovat jako směs dvou stavů a ​​vybere si jeden konkrétní? Účelem experimentu je ukázat, že kvantová mechanika je neúplná bez některých pravidel, která specifikují, za jakých podmínek se vlnová funkce zhroutí a kočka buď zemře, nebo zůstane naživu, ale přestane být směsí obojího.

Protože je jasné, že kočka musí být nutně buď živá, nebo mrtvá (neexistuje žádný stav, který by spojoval život a smrt), bude to stejné pro atomové jádro. Musí být nutně buď rozpadlé, nebo nerozpadlé.

Ve velkých komplexních systémech sestávajících z mnoha miliard atomů dochází k dekoherenci téměř okamžitě, a proto kočka nemůže být mrtvá i živá po jakoukoli měřitelnou dobu. Proces dekoherence je nezbytnou součástí experimentu.

Kodaňský výklad

V kodaňské interpretaci systém přestává být směsí stavů a ​​vybírá si jeden z nich v okamžiku, kdy dojde k pozorování. Experiment s kočkou ukazuje, že v této interpretaci není povaha právě tohoto pozorování – měření  – dostatečně definována. Někteří věří, že zkušenost naznačuje, že dokud je krabice uzavřena, je systém v obou stavech současně: v superpozici stavů „rozložené jádro, mrtvá kočka“ a „nerozložené jádro, živá kočka“, a když je krabice otevřena , pak teprve se vlnová funkce zhroutí na jednu z variant. Jiní hádají, že k „pozorování“ dochází, když částice z jádra zasáhne detektor; nicméně (a to je klíčový bod myšlenkového experimentu) v kodaňské interpretaci neexistuje jasné pravidlo, které říká, kdy se tak stane, a proto je tato interpretace neúplná, dokud se do ní takové pravidlo nezavede, nebo se neřekne, jak to lze zavést. Přesné pravidlo je toto: náhodnost se objevuje v bodě, kde je poprvé použita klasická aproximace.

Můžeme se tedy spolehnout na následující přístup: v makroskopických systémech nepozorujeme kvantové jevy (kromě jevů supratekutosti a supravodivosti ); takže pokud superponujeme makroskopickou vlnovou funkci na kvantový stav, musíme ze zkušenosti dojít k závěru, že superpozice se zhroutí. A i když není úplně jasné, co to znamená, že je něco „makroskopické“ obecně, o kočce se s jistotou ví, že jde o makroskopický objekt. Kodaňská interpretace tedy nezvažuje , že před otevřením krabice je kočka ve stavu míšení mezi živými a mrtvými.

Everettova mnohosvětová interpretace a historie spolupráce

V mnohosvětové interpretaci kvantové mechaniky, která nepovažuje proces měření za nic zvláštního, oba stavy kočky existují, ale dekoherují . Když pozorovatel otevře krabici, zaplete se s kočkou, což má za následek dva stavy pozorovatele odpovídající živé a mrtvé kočce, které se vzájemně neovlivňují. Stejný mechanismus kvantové dekoherence je také důležitý pro sdílené historie . V této interpretaci může být ve sdílené historii pouze „mrtvá kočka“ nebo „živá kočka“.

Jinými slovy, když je krabice otevřena, vesmír se rozdělí na dva různé vesmíry, z nichž jeden se pozorovatel dívá na krabici s mrtvou kočkou a ve druhém - na živou kočku.

Kosmolog Max Tegmark navrhl variantu Schrödingerova experimentu s kočkou nazvanou „ kvantový sebevražedný stroj “. Uvažuje o kočičím experimentu z pohledu kočky samotné a tvrdí, že tak lze experimentálně rozlišit mezi kodaňskou a mnohosvětovou interpretací. Další variací experimentu je experiment s Wignerovým přítelem .

Fyzik Stephen Hawking jednou zvolal: "Když slyším o Schrödingerově kočce, moje ruka sahá po zbrani!" Parafrázoval známý výrok jedné z postav ve Schlageterovi Hanse Josta : "Wenn ich 'Kultur' höre, entsichere ich meinen Browning!" („Když slyším slovo ‚kultura‘, sundávám bezpečí ze svého Browninga !“).

Ve skutečnosti Hawking, stejně jako mnoho jiných fyziků, zastával názor, že „kodaňská škola“ výkladu kvantové mechaniky zdůrazňuje roli pozorovatele nepřiměřeně. Konečné jednoty mezi fyziky v této otázce ještě nebylo dosaženo.

Paralelizace světů v každém časovém okamžiku odpovídá skutečnému nedeterministickému automatu, na rozdíl od toho pravděpodobnostního, kdy je v každém kroku vybrána jedna z možných cest v závislosti na jejich pravděpodobnosti.

Wignerův paradox

Toto je komplikovaná verze Schrödingerova experimentu. Eugene Wigner představil kategorii „přátelé“. Po dokončení experimentu experimentátor otevře krabici a uvidí živou kočku. Stavový vektor kočky v okamžiku otevření boxu přechází do stavu „jádro se nerozpadlo, kočka žije“. V laboratoři tak byla kočka rozpoznána jako živá. Mimo laboratoř je přítel . Přítel zatím neví, zda je kočka živá nebo mrtvá. Přítel pozná kočku jako živou, až když mu experimentátor sdělí výsledek pokusu. Všichni ostatní přátelé ale ještě kočku nepoznali jako živou a poznají ji, až když jim bude sdělen výsledek experimentu. Kočku tedy lze považovat za zcela živou (nebo za zcela mrtvou) pouze tehdy, když všichni lidé ve vesmíru znají výsledek experimentu. Až do tohoto bodu, v měřítku Velkého vesmíru, kočka podle Wignera zůstává živá a mrtvá zároveň [4] .

Většina fyziků se však domnívá, že neživé objekty mohou kvantové systémy vyjmout ze superpozice pomocí dekoherence. Dá se říci, že funkce se hroutí objektivně: bez ohledu na to, zda vůbec existují pozorovatelé a jejich „přátelé“. [5]

Praktická aplikace

Výše uvedené je aplikováno v praxi: v kvantových počítačích a v kvantové kryptografii . Optický kabel vysílá světelný signál, který je v superpozici dvou stavů. Pokud se útočníci připojí na kabel někde uprostřed a udělají tam signální odposlech, aby odposlouchávali přenášené informace, pak to zhroutí vlnovou funkci (z pohledu kodaňské interpretace bude provedeno pozorování), a světlo půjde do jednoho ze stavů. Po provedení statistických testů světla na přijímacím konci kabelu bude možné zjistit, zda je světlo v superpozici stavů nebo zda již bylo pozorováno a přeneseno do jiného bodu. To umožňuje vytvářet komunikační prostředky, které vylučují nepostřehnutelné zachycení signálu a odposlechy.

Experiment (který je v zásadě proveditelný, ačkoli dosud nebyly vytvořeny fungující systémy kvantové kryptografie schopné přenášet velké množství informací) také ukazuje, že „pozorování“ v kodaňské interpretaci nemá nic společného s myslí pozorovatele, ale že „pozorování“ v kodaňské interpretaci nemá nic společného s myslí pozorovatele. protože v tomto případě změna statistiky na konec kabelu vede ke zcela neživé větvi drátu.

V kvantovém počítání je stav Schrodingerovy kočky speciálním zapleteným stavem qubitů , ve kterém jsou všechny ve stejné superpozici všech nul nebo jedniček, to jest .

Viz také

Poznámky

  1. ↑ Belinsky A. V., Chirkin A. S. QUANTUM PARADOXES Archivní kopie datovaná 16. května 2021 na Wayback Machine // Great Russian Encyclopedia . Svazek 13. Moskva, 2009, s. 469.
  2. ↑ 1 2 Schrödinger E. Vybrané práce z kvantové mechaniky. - M .: Nauka, 1976. - S. 335.
  3. ↑ Schrödinger E. Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik  (německy)  // Naturwissenschaften. - 1935. - Bd. 23 , H. 48 . - S. 807-812 . - doi : 10.1007/BF01491891 .
  4. ↑ EPWigner. Poznámky k otázce mysli a těla v LG Good, editor. The Scientist Speulates, str. 284-302, Londýn, Heinemann, 1961.
  5. ↑ Wignerův paradox: co potřebujete vědět o dualitě reality? . earth-chronicles.ru . Získáno 5. prosince 2021. Archivováno z originálu dne 5. prosince 2021.