După cum ne-a explicat Heisenberg, datorită principiului incertitudinii, descrierea obiectelor din microlume cuantică este de altă natură decât descrierea obișnuită a obiectelor din macrolumea newtoniană. În loc de coordonatele spațiale și viteza cu care suntem obișnuiți să descriem mișcarea mecanică, de exemplu, o minge pe o masă de biliard, în mecanica cuantică obiectele sunt descrise de așa-numita funcție de undă. Creasta „valului” corespunde probabilității maxime de a găsi o particulă în spațiu în momentul măsurării. Mișcarea unei astfel de unde este descrisă de ecuația Schrödinger, care ne spune cum se schimbă starea unui sistem cuantic în timp.
Acum despre pisica. Toată lumea știe că pisicile adoră să se ascundă în cutii (). Erwin Schrödinger era, de asemenea, la curent. Mai mult, cu fanatism pur nordic, el a folosit această caracteristică într-un experiment de gândire celebru. Esența a fost că o pisică a fost închisă într-o cutie cu o mașină infernală. Mașina este conectată printr-un releu la un sistem cuantic, de exemplu, o substanță care se descompune radioactiv. Probabilitatea de dezintegrare este cunoscută și este de 50%. Mașina infernală este declanșată atunci când starea cuantică a sistemului se schimbă (are loc decăderea) și pisica moare complet. Dacă lăsați sistemul „Cat-box-hellish machine-quanta” pentru sine timp de o oră și vă amintiți că starea unui sistem cuantic este descrisă în termeni de probabilitate, atunci devine clar că dacă pisica este vie sau nu depinde de în acest moment timp, probabil că nu va funcționa, la fel cum nu va fi posibil să preziceți cu exactitate căderea unei monede pe capete sau cozi în avans. Paradoxul este foarte simplu: funcția de undă care descrie un sistem cuantic amestecă cele două stări ale unei pisici - este vie și moartă în același timp, la fel cum un electron legat poate fi localizat cu aceeași probabilitate în orice loc din spațiu echidistant de nucleul atomic. Dacă nu deschidem cutia, nu știm exact ce mai face pisica. Fără a face observații (citiți măsurători) unui nucleu atomic, putem descrie starea acestuia doar prin suprapunerea (amestecarea) a două stări: un nucleu degradat și un nucleu nedezintegrat. O pisică aflată în dependență nucleară este atât vie, cât și moartă în același timp. Întrebarea este: când un sistem încetează să existe ca un amestec de două stări și alege una anume?
Interpretarea de la Copenhaga a experimentului ne spune că sistemul încetează să mai fie un amestec de stări și alege una dintre ele în momentul în care are loc o observație, care este și măsurătoare (se deschide caseta). Adică, însuși faptul măsurării schimbă realitatea fizică, ducând la prăbușirea funcției de undă (pisica fie devine moartă, fie rămâne în viață, dar încetează să mai fie un amestec al ambelor)! Gândește-te, experimentul și măsurătorile care îl însoțesc schimbă realitatea din jurul nostru. Personal, acest fapt îmi deranjează creierul mult mai mult decât alcoolul. Cunoscutul Steve Hawking se confruntă cu greu cu acest paradox, repetând că atunci când aude de pisica lui Schrödinger, mâna lui se întinde spre Browning. Severitatea reacției fizicianului teoretic remarcabil se datorează faptului că, în opinia sa, rolul observatorului în colapsul funcției de undă (prăbușirea acesteia într-una dintre cele două stări probabiliste) este mult exagerat.
Desigur, când profesorul Erwin și-a conceput tortura pisicilor în 1935, a fost o modalitate ingenioasă de a arăta imperfecțiunea mecanicii cuantice. De fapt, o pisică nu poate fi vie și moartă în același timp. Ca urmare a uneia dintre interpretările experimentului, a devenit evident că există o contradicție între legile macro-lumii (de exemplu, a doua lege a termodinamicii - pisica este fie vie, fie moartă) și micro- lume (pisica este vie și moartă în același timp).
Cele de mai sus sunt folosite în practică: în calculul cuantic și criptografia cuantică. Un semnal luminos într-o suprapunere a două stări este trimis printr-un cablu de fibră optică. Dacă atacatorii se conectează la cablu undeva la mijloc și fac o atingere de semnal acolo pentru a asculta informațiile transmise, atunci aceasta va prăbuși funcția de undă (din punctul de vedere al interpretării de la Copenhaga, se va face o observație) și lumina va intra într-una din stări. Prin efectuarea de teste statistice de lumină la capătul receptor al cablului, va fi posibil să se detecteze dacă lumina se află într-o suprapunere de stări sau a fost deja observată și transmisă în alt punct. Acest lucru face posibilă crearea unor mijloace de comunicare care exclud interceptarea semnalului nedetectabil și interceptarea cu urechea.
O altă interpretare cea mai recentă a experimentului gândirii lui Schrödinger este povestea lui Sheldon Cooper, eroul serialului „Teoria big bang" ("Big Bang Theory"), pe care l-a oferit pentru vecina sa mai puțin educată Penny. Ideea poveștii lui Sheldon este că conceptul de pisică a lui Schrödinger poate fi aplicat relațiilor umane. Pentru a înțelege ce se întâmplă între un bărbat și o femeie, ce fel de relație este între ei: bună sau rea, trebuie doar să deschideți cutia. Până atunci, relația este și bună și rea.
În 1935, marele fizician, laureat al Premiului Nobel și fondator al mecanicii cuantice Erwin Schrödinger și-a formulat faimosul paradox.
Omul de știință a sugerat că, dacă luați o anumită pisică și o puneți într-o cutie de oțel opac cu o „mașină infernală”, atunci într-o oră va fi vie și moartă în același timp. Mecanismul din cutie arată astfel: în interiorul contorului Geiger există o cantitate microscopică de substanță radioactivă care se poate descompune într-un singur atom într-o oră; în același timp, cu aceeași probabilitate s-ar putea să nu se degradeze. Dacă se produce degradarea, atunci mecanismul pârghiei va funcționa și ciocanul va sparge vasul cu acid cianhidric și pisica va muri; dacă nu există degradare, atunci vasul va rămâne intact, iar pisica va fi vie și sănătoasă.
Dacă nu am vorbi despre o pisică și o cutie, ci despre lumea particulelor subatomice, atunci oamenii de știință ar spune că pisica este atât vie, cât și moartă în același timp, dar în macrocosmos o astfel de concluzie este incorectă. Deci, de ce operăm cu astfel de concepte când vorbim despre particule mai mici de materie?
Ilustrația lui Schrödinger este cel mai bun exemplu pentru a descrie principalul paradox al fizicii cuantice: conform legilor sale, particule precum electronii, fotonii și chiar atomii există în două stări în același timp („în viață” și „moartă”, dacă vă amintiți pisica îndelung suferindă). Aceste stări se numesc suprapoziții.
Fizicianul american Art Hobson de la Universitatea din Arkansas (Universitatea de Stat din Arkansas) și-a propus soluția la acest paradox.
„Măsurătorile din fizica cuantică se bazează pe funcționarea anumitor dispozitive macroscopice, precum un contor Geiger, cu ajutorul căruia se determină starea cuantică a sistemelor microscopice - atomi, fotoni și electroni. Teoria cuantică presupune că dacă conectați un microscopic sistem (particulă) la un dispozitiv macroscopic, distingând două stări diferite ale sistemului, atunci dispozitivul (contorul Geiger, de exemplu) va intra într-o stare de întricare cuantică și se va găsi, de asemenea, în două suprapoziții în același timp este imposibil de observat direct acest fenomen, ceea ce îl face inacceptabil”, spune fizicianul.
Hobson spune că, în paradoxul lui Schrödinger, pisica joacă rolul unui dispozitiv macroscopic, un contor Geiger, conectat la un nucleu radioactiv pentru a determina starea de dezintegrare sau „nedezintegrare” a acelui nucleu. În acest caz, o pisică vie va fi un indicator al „nedegradării”, iar o pisică moartă va fi un indicator al dezintegrarii. Dar conform teoriei cuantice, pisica, ca și nucleul, trebuie să existe în două suprapuneri ale vieții și ale morții.
În schimb, spune fizicianul, starea cuantică a pisicii ar trebui să fie încurcată cu starea atomului, ceea ce înseamnă că acestea se află într-o „relație nelocală” una cu cealaltă. Adică, dacă starea unuia dintre obiectele încurcate se schimbă brusc la opus, atunci și starea perechii sale se va schimba, indiferent cât de departe sunt acestea unul de celălalt. Procedând astfel, Hobson se referă la această teorie cuantică.
„Cel mai interesant lucru despre teoria întâlcirii cuantice este că schimbarea stării ambelor particule are loc instantaneu: niciun semnal luminos sau electromagnetic nu ar avea timp să transmită informații de la un sistem la altul. Astfel, putem spune că acesta este un singur obiect împărțit în două părți spațiu, indiferent cât de mare ar fi distanța dintre ele”, explică Hobson.
Pisica lui Schrödinger nu mai este în viață și moartă în același timp. El este mort dacă are loc dezintegrarea și viu dacă dezintegrarea nu are loc niciodată.
Să adăugăm că soluții similare la acest paradox au fost propuse de încă trei grupuri de oameni de știință în ultimii treizeci de ani, dar nu au fost luate în serios și au rămas neobservate în cercurile științifice largi. Hobson observă că rezolvarea paradoxurilor mecanicii cuantice, cel puțin teoretic, este absolut necesară pentru înțelegerea ei profundă.
Poate o pisică să fie și vie și moartă în același timp? Câte universuri paralele există? Și chiar există? Acestea nu sunt deloc întrebări științifico-fantastice, ci probleme științifice foarte reale rezolvate de fizica cuantică.
Deci, să începem cu pisica lui Schrödinger. Acesta este un experiment de gândire propus de Erwin Schrödinger pentru a sublinia un paradox care există în fizica cuantică. Esența experimentului este următoarea.
O pisică imaginară este plasată simultan într-o cutie închisă, precum și același mecanism imaginar cu un miez radioactiv și un recipient cu gaz otrăvitor. Conform experimentului, dacă nucleul se dezintegrează, acesta va activa mecanismul: recipientul de gaz se va deschide și pisica va muri. Probabilitatea dezintegrarii nucleare este de 1 din 2.
Paradoxul este că, conform mecanicii cuantice, dacă nucleul nu este observat, atunci pisica se află într-o așa-numită suprapunere, cu alte cuvinte, pisica se află simultan în stări care se exclud reciproc (este și vie și moartă). Cu toate acestea, dacă observatorul deschide cutia, el poate verifica dacă pisica se află într-o anumită stare: este fie vie, fie moartă. Potrivit lui Schrödinger, caracterul incomplet al teoriei cuantice constă în faptul că nu specifică în ce condiții o pisică încetează să fie în suprapunere și se dovedește a fi vie sau moartă.
Acest paradox este agravat de experimentul lui Wigner, care adaugă categoria prietenilor unui experiment gândit deja existent. Potrivit lui Wigner, atunci când experimentatorul deschide cutia, va ști dacă pisica este vie sau moartă. Pentru experimentator, pisica încetează să mai fie în suprapunere, dar pentru prietenul care se află în spatele ușii și care nu știe încă despre rezultatele experimentului, pisica este încă undeva „între viață și moarte”. Acest lucru poate fi continuat cu un număr infinit de uși și prieteni și, după o logică similară, pisica va fi în suprapunere până când toți oamenii din Univers vor ști ce a văzut experimentatorul când a deschis cutia.
Cum explică fizica cuantică un astfel de paradox? Fizica cuantică oferă un experiment de gândire sinucidere cuantică si doi opțiuni posibile evoluții ale evenimentelor bazate pe diferite interpretări ale mecanicii cuantice.
Într-un experiment de gândire, un pistol este îndreptat către participant și fie va trage ca urmare a dezintegrarii unui atom radioactiv, fie nu va trage. Din nou, 50 la 50. Astfel, participantul la experiment fie va muri, fie nu, dar deocamdată este, ca pisica lui Schrödinger, în suprapunere.
Această situație poate fi interpretată în diferite moduri din punctul de vedere al mecanicii cuantice. Conform interpretării de la Copenhaga, pistolul va exploda în cele din urmă și participantul va muri. Conform interpretării lui Everett, suprapunerea prevede prezența a două universuri paralele în care participantul există simultan: într-unul dintre ele este în viață (pistolul nu a tras), în al doilea este mort (arma trasă). Cu toate acestea, dacă interpretarea mai multor lumi este corectă, atunci într-unul dintre universuri participantul rămâne întotdeauna în viață, ceea ce duce la ideea existenței „nemuririi cuantice”.
În ceea ce privește pisica lui Schrödinger și observatorul experimentului, atunci, conform interpretării lui Everett, el se găsește și el însuși și pisica în două Universuri simultan, adică în „limbaj cuantic”, „încurcat” cu el.
Sună ca o poveste dintr-un roman științifico-fantastic, dar este una dintre multele... teorii științifice, care are loc în fizica modernă.
După cum ne-a explicat Heisenberg, datorită principiului incertitudinii, descrierea obiectelor din microlume cuantică este de altă natură decât descrierea obișnuită a obiectelor din macrolumea newtoniană. În loc de coordonatele spațiale și viteza cu care suntem obișnuiți să descriem mișcarea mecanică, de exemplu, o minge pe o masă de biliard, în mecanica cuantică obiectele sunt descrise de așa-numita funcție de undă. Creasta „valului” corespunde probabilității maxime de a găsi o particulă în spațiu în momentul măsurării. Mișcarea unei astfel de unde este descrisă de ecuația Schrödinger, care ne spune cum se schimbă starea unui sistem cuantic în timp.
Acum despre pisica. Toată lumea știe că pisicile adoră să se ascundă în cutii (). Erwin Schrödinger era, de asemenea, la curent. Mai mult, cu fanatism pur nordic, el a folosit această caracteristică într-un experiment de gândire celebru. Esența a fost că o pisică a fost închisă într-o cutie cu o mașină infernală. Mașina este conectată printr-un releu la un sistem cuantic, de exemplu, o substanță care se descompune radioactiv. Probabilitatea de dezintegrare este cunoscută și este de 50%. Mașina infernală este declanșată atunci când starea cuantică a sistemului se schimbă (are loc decăderea) și pisica moare complet. Dacă lăsați sistemul „Cat-box-hellish machine-quanta” pentru sine timp de o oră și vă amintiți că starea unui sistem cuantic este descrisă în termeni de probabilitate, atunci devine clar că probabil nu va fi posibil să aflați dacă pisica este în viață sau nu la un moment dat, la fel cum este imposibil să preziceți cu exactitate căderea unei monede pe cap sau cozi în avans. Paradoxul este foarte simplu: funcția de undă care descrie un sistem cuantic amestecă cele două stări ale unei pisici - este vie și moartă în același timp, la fel cum un electron legat poate fi localizat cu aceeași probabilitate în orice loc din spațiu echidistant de nucleul atomic. Dacă nu deschidem cutia, nu știm exact ce mai face pisica. Fără a face observații (citiți măsurători) unui nucleu atomic, putem descrie starea acestuia doar prin suprapunerea (amestecarea) a două stări: un nucleu degradat și un nucleu nedezintegrat. O pisică aflată în dependență nucleară este atât vie, cât și moartă în același timp. Întrebarea este: când un sistem încetează să existe ca un amestec de două stări și alege una anume?
Interpretarea de la Copenhaga a experimentului ne spune că sistemul încetează să mai fie un amestec de stări și alege una dintre ele în momentul în care are loc o observație, care este și măsurătoare (se deschide caseta). Adică, însuși faptul măsurării schimbă realitatea fizică, ducând la prăbușirea funcției de undă (pisica fie devine moartă, fie rămâne în viață, dar încetează să mai fie un amestec al ambelor)! Gândește-te, experimentul și măsurătorile care îl însoțesc schimbă realitatea din jurul nostru. Personal, acest fapt îmi deranjează creierul mult mai mult decât alcoolul. Cunoscutul Steve Hawking se confruntă cu greu cu acest paradox, repetând că atunci când aude de pisica lui Schrödinger, mâna lui se întinde spre Browning. Severitatea reacției fizicianului teoretic remarcabil se datorează faptului că, în opinia sa, rolul observatorului în colapsul funcției de undă (prăbușirea acesteia într-una dintre cele două stări probabiliste) este mult exagerat.
Desigur, când profesorul Erwin și-a conceput tortura pisicilor în 1935, a fost o modalitate ingenioasă de a arăta imperfecțiunea mecanicii cuantice. De fapt, o pisică nu poate fi vie și moartă în același timp. Ca urmare a uneia dintre interpretările experimentului, a devenit evident că există o contradicție între legile macro-lumii (de exemplu, a doua lege a termodinamicii - pisica este fie vie, fie moartă) și micro- lume (pisica este vie și moartă în același timp).
Cele de mai sus sunt folosite în practică: în calculul cuantic și criptografia cuantică. Un semnal luminos într-o suprapunere a două stări este trimis printr-un cablu de fibră optică. Dacă atacatorii se conectează la cablu undeva la mijloc și fac o atingere de semnal acolo pentru a asculta informațiile transmise, atunci aceasta va prăbuși funcția de undă (din punctul de vedere al interpretării de la Copenhaga, se va face o observație) și lumina va intra într-una din stări. Prin efectuarea de teste statistice de lumină la capătul receptor al cablului, va fi posibil să se detecteze dacă lumina se află într-o suprapunere de stări sau a fost deja observată și transmisă în alt punct. Acest lucru face posibilă crearea unor mijloace de comunicare care exclud interceptarea semnalului nedetectabil și interceptarea cu urechea.
O altă interpretare mai recentă a experimentului de gândire al lui Schrödinger este o poveste pe care personajul lui Big Bang Theory, Sheldon Cooper, i-a spus-o vecinului său mai puțin educat, Penny. Ideea poveștii lui Sheldon este că conceptul de pisică a lui Schrödinger poate fi aplicat relațiilor umane. Pentru a înțelege ce se întâmplă între un bărbat și o femeie, ce fel de relație este între ei: bună sau rea, trebuie doar să deschideți cutia. Până atunci, relația este și bună și rea.
Dacă cutia este deschisă, atunci experimentatorul trebuie să vadă o singură stare specifică: „nucleul s-a degradat, pisica este moartă” sau „nucleul nu s-a degradat, pisica este în viață”.
„Pisica lui Schrödinger” este numele unui experiment de gândire distractiv pus în scenă, așa cum probabil ați ghicit deja, de Schrödinger, sau mai precis, de laureatul Nobel pentru fizică, omul de știință austriac Erwin Rudolf Joseph Alexander Schrödinger.
Wikipedia definește experimentul după cum urmează: „O pisică este plasată într-o cutie închisă. Cutia conține un mecanism care conține un nucleu radioactiv și un recipient cu gaz otrăvitor, astfel încât probabilitatea ca nucleul să se descompună în 1 oră este de 50%. Dacă miezul se dezintegrează, pune mecanismul în acțiune - recipientul cu gaz se deschide și pisica moare.
Conform mecanicii cuantice, dacă nu se face nicio observație a nucleului, atunci starea acestuia este descrisă printr-o suprapunere (amestecare) a două stări - un nucleu degradat și un nucleu nedegradat, prin urmare, o pisică așezată într-o cutie este atât vie, cât și moartă. în același timp. Dacă cutia este deschisă, atunci experimentatorul trebuie să vadă o singură stare specifică: „nucleul s-a degradat, pisica este moartă” sau „nucleul nu s-a degradat, pisica este în viață”.
Citeste si :
Rezultă că la ieșire avem un trai sau pisica moarta Cu toate acestea, potențial, pisica este atât vie, cât și moartă în același timp. Astfel, Schrödinger a încercat să demonstreze limitările mecanicii cuantice, fără a-i aplica anumite reguli.
Interpretarea de la Copenhaga a fizicii cuantice - și în special acest experiment - indică faptul că pisica dobândește proprietățile uneia dintre fazele potențiale (viu-mort) numai după ce observatorul intervine în proces.
Adică, atunci când un anumit Schrödinger deschide o cutie, cu o siguranță sută la sută va trebui să taie cârnați sau să cheme medicul veterinar. Pisica va fi cu siguranță vie sau moartă brusc. Dar atâta timp cât nu există niciun observator în proces - o persoană specifică care are avantaje indubitabile sub forma viziunii și, cel puțin, conștiință clară - pisica va fi în limb „între cer și pământ”.
Vechea pildă despre o pisică care merge singură capătă noi nuanțe în acest context. Fără îndoială, pisica lui Schrödinger nu este cea mai prosperă creatură din Univers. Să-i urăm pisicii un rezultat de succes și să ne întoarcem către o altă problemă distractivă din lumea misterioasă și uneori nemiloasă a mecanicii cuantice.
Sună așa: „Ce sunet face un copac care cade în pădure dacă nu există nicio persoană în apropiere care să poată percepe acest sunet?” Aici, în contrast cu soarta alb-negru a unei pisici nefericite/fericite, ne confruntăm paletă multicoloră speculații: nu există sunet/există sunet, ce este, dacă există, iar dacă nu există, atunci de ce? La această întrebare nu se poate răspunde dintr-un motiv foarte simplu - imposibilitatea efectuării experimentului. La urma urmei, orice experiment presupune prezența unui observator capabil să perceapă și să tragă concluzii.
Citeste si :
Adică, este imposibil să ghicim ce se întâmplă cu obiectele realității din jurul nostru în absența noastră. Și dacă nu poate fi percepută, atunci nu există. De îndată ce părăsim o cameră, tot conținutul acesteia, împreună cu camera în sine, încetează să existe sau, mai exact, continuă să existe doar în potențial.
În același timp, are loc un incendiu sau inundație, furt de echipamente sau oaspeți neinvitați. Mai mult, existăm și în ea, în diferite stări potențiale. Unul mă plimb prin cameră și fluieră o melodie stupidă, altul mă uit trist la fereastră, al treilea vorbește la telefon cu soția mea. Chiar și ai noștri trăiesc în ea moarte subită sau vești bune sub forma unui apel telefonic neașteptat.
Imaginați-vă pentru o clipă toate posibilitățile ascunse în spatele ușii. Acum imaginați-vă că întreaga noastră lume este doar o colecție de astfel de potențiale nerealizate. E amuzant, nu-i așa?
DESPRE Totuși, aici apare o întrebare logică: și ce? Da, este amuzant, da, este interesant, dar ce se schimbă, în esență, asta? Știința tace modest despre asta. Pentru fizica cuantică, astfel de cunoștințe deschide noi căi în înțelegerea Universului și a mecanismelor sale, dar pentru noi, oamenii departe de a fi mari descoperiri științifice, astfel de informații par să nu fie de folos.
Cum poate asta să nu fie de folos!? Până la urmă, dacă eu, un muritor, exist în această lume, atunci eu, un nemuritor, exist în altă lume! Dacă viața mea constă într-o serie de eșecuri și dezamăgiri, atunci undeva exist - reușit și fericit? De fapt, nu există nimic în afara senzațiilor noastre, la fel cum nu este loc până nu intrăm în el. Organele noastre de percepție doar ne înșală, desenând în creier o imagine a lumii care ne „înconjoară”. Ceea ce se află de fapt în afara noastră rămâne încă un secret în spatele celor șapte sigilii.