Kvantna fizika Schrödingerova mačka. Quantum Cheshire cat. Rješavanje paradoksa Schrödingerove mačke - Kopenhaška interpretacija

Nemojte ovdje tražiti "istočni misticizam", savijanje kašike ili vidovnjakinju. Potražite istinitu priču o kvantnoj mehanici, čija je istina nevjerovatnija od bilo koje fikcije. Takva je nauka: nije joj potrebna odjeća s ramena druge filozofije, jer je i sama puna ljepote, misterija i iznenađenja. Ova knjiga pokušava odgovoriti na specifično pitanje: "Šta je stvarnost?" A odgovor (ili odgovori) vas mogu iznenaditi. Možda ne verujete u njega. Ali shvatićete kako savremena nauka gleda na svet.

Mačka koja se pojavljuje u naslovu je mitsko stvorenje, ali Schrödinger je zaista postojao. Erwin Schrödinger je bio austrijski naučnik koji je sredinom 1920-ih odigrao ogromnu ulogu u stvaranju jednadžbi grane nauke koja se danas zove kvantna mehanika. Međutim, teško da je tačno reći da je kvantna mehanika samo grana nauke, jer ona leži u osnovi čitave moderne nauke. Njegove jednadžbe opisuju ponašanje vrlo malih objekata - veličine atoma i manjih - i predstavljaju jedina stvar opis svijeta najmanjih čestica. Bez ovih jednadžbi, fizičari ne bi mogli dizajnirati funkcionalne nuklearne elektrane (ili bombe), stvoriti lasere ili objasniti kako se temperatura Sunca ne smanjuje. Bez kvantne mehanike, hemija bi i dalje bila u mračnom dobu i uopšte ne bi bilo molekularne biologije: ne bi bilo znanja o DNK, genetskog inženjeringa, ničega.

Kvantna teorija je najveće dostignuće nauke, mnogo značajnije i mnogo primenljivije u direktnom, praktičnom smislu od teorije relativnosti. A ona ipak daje neka čudna predviđanja. Svijet kvantne mehanike je zaista toliko neobičan da ga je čak i Albert Einstein smatrao neshvatljivim i odbio je prihvatiti sve posljedice teorije koju su izveli Schrödinger i njegove kolege. Kao i mnogi drugi naučnici, Einstein je odlučio da je zgodnije vjerovati da su jednadžbe kvantne mehanike samo neka vrsta matematičkog trika koji je slučajno pružio razumno objašnjenje ponašanja atomskih i subatomskih čestica, ali one sadrže dublju istinu da bolje korelira s našim.običnim osjećajem stvarnosti. Na kraju krajeva, kvantna mehanika kaže da stvarnosti nema i ne možemo ništa reći o ponašanju stvari kada ih ne posmatramo. Schrödingerova mitska mačka trebala je razjasniti razlike između kvantnog i običnog svijeta.

U svijetu kvantne mehanike, zakoni fizike koje poznajemo iz običnog svijeta prestaju da funkcionišu. Umjesto toga, događaji su vođeni vjerovatnoćama. Radioaktivni atom, na primjer, može, ali ne mora da se raspadne i, recimo, oslobodi elektron. Eksperiment se može izvesti tako što se zamisli da postoji tačno pedeset posto šanse da se jedan od atoma gomile radioaktivnog materijala raspadne u određenom trenutku i detektor će registrirati taj raspad ako do njega dođe. Schrödinger, uznemiren zaključcima kvantne teorije kao i Ajnštajn, pokušao je da demonstrira njihovu apsurdnost zamišljajući da se takav eksperiment odvija u zatvorenoj prostoriji ili kutiji u kojoj se nalaze živa mačka i boca otrova, a ako dođe do raspadanja, posuda sa otrov probija i mačka umire. U običnom svijetu vjerovatnoća da mačka umre je pedeset posto, a bez gledanja u kutiju možemo sa sigurnošću reći samo jedno: mačka unutra je ili živa ili mrtva. Ali ovdje se manifestira neobičnost kvantnog svijeta. Prema teoriji nijedan od dvije mogućnosti koje postoje za radioaktivnu supstancu, a samim tim i mačku, ne izgleda stvarna osim ako se ne posmatra šta se dešava. Atomska fisija se nije dogodila i nije se desila, mačka nije umrla i nije umrla, dok ne pogledamo u kutiju da saznamo šta se dogodilo. Teoretičari koji prihvataju čistu verziju kvantne mehanike tvrde da mačka postoji u nekom neodređenom stanju, nije ni živa ni mrtva, sve dok posmatrač ne pogleda u kutiju i ne vidi kako se situacija razvila. Ništa nije stvarno ako se ne uspostavi nadzor.

Ovu ideju je Ajnštajn mrzio, kao i mnogi drugi. „Bog se ne igra kockicama“, rekao je, misleći na teoriju da je svijet određen ukupnošću ishoda suštinski slučajnog „izbora“ mogućnosti na kvantnom nivou. Što se tiče nestvarnosti stanja Schrödingerove mačke, Ajnštajn to nije uzeo u obzir, sugerišući da mora postojati neki duboki "mehanizam" koji određuje zaista fundamentalnu stvarnost stvari. Dugi niz godina pokušavao je razviti eksperimente koji bi pomogli da se ova duboka stvarnost pokaže na djelu, ali je umro prije nego što je uopće bilo moguće izvesti takav eksperiment. Možda je najbolje što nije doživio da se razjasni rezultat lanca rasuđivanja koji je pokrenuo.

U ljeto 1982., grupa naučnika sa Univerziteta Pariz-South predvođena Alainom Aspeom završila je seriju eksperimenata osmišljenih da otkrije temeljnu stvarnost koja definira nestvarni kvantni svijet. Ova duboka stvarnost - osnovni mehanizam - dobila je naziv "skriveni parametri". Suština eksperimenta bila je promatranje ponašanja dva fotona, odnosno čestica svjetlosti, koje lete u suprotnim smjerovima od izvora. Eksperiment je u potpunosti opisan u desetom poglavlju, ali općenito se može smatrati provjerom stvarnosti. Dva fotona iz istog izvora mogu se detektovati pomoću dva detektora koji mjere svojstvo zvano polarizacija. Prema kvantnoj teoriji, ovo svojstvo ne postoji dok se ne izmjeri. U skladu sa idejom o "skrivenim parametrima", svaki foton ima "pravu" polarizaciju od trenutka kada se pojavi. Budući da se dva fotona emituju istovremeno, njihove vrijednosti polarizacije ovise jedna o drugoj, ali se priroda ovisnosti, koja se zapravo mjeri, razlikuje prema dva prikaza stvarnosti.

Rezultati ovog najvažnijeg eksperimenta su nedvosmisleni. Zavisnost predviđena teorijom skrivenih parametara nije pronađena, ali je zavisnost koju je predvidela kvantna mehanika. Štaviše, kao što je kvantna teorija predvidela, merenja izvršena na jednom fotonu imala su neposredan uticaj na prirodu drugog fotona. Neka interakcija je neraskidivo vezala fotone, iako su se razletjeli brzinom svjetlosti, a teorija relativnosti kaže da se nijedan signal ne može prenijeti brže od svjetlosti. Eksperimenti su dokazali da na svijetu ne postoji duboka realnost. "Stvarnost" u običnom smislu nije pogodna za razmišljanje o ponašanju osnovnih čestica koje čine univerzum, a te čestice istovremeno izgledaju kao da su neraskidivo povezane jedna s drugom u neku nedjeljivu cjelinu, gdje svaka zna šta se dešava. ostalima.

Potraga za Schrödingerovom mačkom je potraga za kvantnom stvarnošću. Iz ovog kratkog osvrta može se činiti da je ova potraga bila neuspješna, jer u kvantnom svijetu stvarnost u uobičajenom smislu riječi ne postoji. Ali priča se tu ne završava, a potraga za Schrödingerovom mačkom mogla bi nas dovesti do novog razumijevanja stvarnosti koje nadilazi – i istovremeno uključuje – konvencionalno tumačenje kvantne mehanike. Međutim, potraga će potrajati dugo, a morate početi od naučnika koji bi se, možda, više uplašio od Ajnštajna da ima priliku da sazna odgovore koje smo sada dali na pitanja koja su ga mučila. Proučavajući prirodu svetlosti pre tri veka, Isak Njutn verovatno nije ni slutio da je već kročio na stazu koja vodi do Šredingerove mačke.

Oni koji nisu šokirani kvantnom teorijom nisu je razumjeli.

Niels Bohr 1885-1962

Isaac Newton je izumio fiziku, a ostatak nauke počiva na njoj. Dok se Newton sigurno oslanjao na radove drugih, upravo je njegovo objavljivanje tri zakona kretanja i teorije gravitacije prije više od tri stoljeća postavilo nauku na put koji je na kraju doveo do istraživanja svemira, lasera, atomske energije, genetskog inženjeringa, razumijevanje hemije i svega ostalog. . Dva vijeka je Njutnova fizika (ono što se danas zove "klasična fizika") vladala svijetom nauke. Nove revolucionarne ideje odvele su fiziku mnogo dalje od Njutna u dvadesetom veku, ali bez ta dva veka naučnog rasta, do ovih ideja možda nikada ne bi došlo. Ova knjiga nije istorija nauke: radi se o novoj fizici – kvantnoj, a ne o onim klasičnim idejama. Međutim, čak iu Newtonovom djelu od prije tri stotine godina već postoje znaci da su promjene neizbježne: one nisu sadržane u njegovim spisima o kretanju planeta i njihovim orbitama, već u njegovim proučavanjima prirode svjetlosti.

„Svako ko nije šokiran kvantnom teorijom, to ne razumije”, rekao je Niels Bohr, osnivač kvantne teorije.
Osnovu klasične fizike - nedvosmisleno programiranje svijeta, inače Laplasov determinizam, s pojavom kvantne mehanike zamijenila je invazija svijeta neizvjesnosti i vjerovatnost događaja. I ovdje se, usput rečeno, pokazalo da su misaoni eksperimenti namijenjeni teoretskim fizičarima. To su bili kameni kamenčići na kojima su testirane najnovije ideje.

Schrödingerova mačka je misaoni eksperiment, koji je predložio Erwin Schrödinger, kojim je želio pokazati nepotpunost kvantne mehanike u prelasku sa subatomskih sistema na makroskopske sisteme.

Mačka se stavlja u zatvorenu kutiju. Kutija sadrži mehanizam koji sadrži radioaktivno jezgro i posudu s otrovnim plinom. Vjerovatnoća da će se jezgro raspasti za 1 sat je 1/2. Ako se jezgro raspadne, pokreće mehanizam, otvara spremnik za plin i mačka umire. Prema kvantnoj mehanici, ako se jezgro ne promatra, tada se njegovo stanje opisuje superpozicijom (miješanjem) dva stanja - raspadnutog jezgra i neraspadnutog jezgra, dakle, mačka koja sjedi u kutiji je živa i mrtva u isto vrijeme. Ako se kutija otvori, tada eksperimentator može vidjeti samo jedno specifično stanje - "nukleus se raspao, mačka je mrtva" ili "nukleus se nije raspao, mačka je živa".

Kada sistem prestaje da postoji? poput miješanja dva stanja i odabira jednog određenog?

Svrha eksperimenta- pokazati da je kvantna mehanika nepotpuna bez nekih pravila koja pokazuju pod kojim uslovima se talasna funkcija kolabira (trenutna promena kvantnog stanja objekta koja se javlja tokom merenja), a mačka ili postaje mrtva ili ostaje živa, ali prestaje da bude mešavina oba.

Pošto je jasno da mačka mora biti ili živa ili mrtva (ne postoji međustanje između života i smrti), to znači da to vrijedi i za atomsko jezgro. Ona će nužno biti ili raspadnuta ili neraspadnuta.

Schrödingerov članak "Trenutna situacija u kvantnoj mehanici" koji predstavlja misaoni eksperiment s mačkom pojavio se u njemačkom časopisu Natural Sciences 1935. kako bi raspravljao o EPR paradoksu.

Radovi Einstein-Podolsky-Rosena i Schrödingera ocrtali su čudnu prirodu "kvantnog zapleta" (izraz koji je uveo Schrödinger), što je karakteristično za kvantna stanja koja su superpozicija stanja dvaju sistema (na primjer, dvije subatomske čestice ).

Interpretacije kvantne mehanike

Tokom postojanja kvantne mehanike, naučnici su iznosili njena različita tumačenja, ali danas su najpodržanija od svih „Kopenhagen“ i „mnogi svetovi“.

"Kopenhaška interpretacija"- ovu interpretaciju kvantne mehanike formulirali su Niels Bohr i Werner Heisenberg tokom njihovog zajedničkog rada u Kopenhagenu (1927). Naučnici su pokušali odgovoriti na pitanja koja nastaju kao rezultat korpuskularno-valnog dualizma svojstvenog kvantnoj mehanici, posebno na pitanje mjerenja.

U tumačenju Kopenhagena, sistem prestaje biti mješavina stanja i bira jedno od njih u trenutku kada dođe do promatranja. Eksperiment s mačkom pokazuje da u ovoj interpretaciji priroda samog zapažanja - mjerenja - nije dovoljno definirana. Neki vjeruju da iskustvo sugerira da sve dok je kutija zatvorena, sistem je u oba stanja u isto vrijeme, u superpoziciji stanja "raspadnuto jezgro, mrtva mačka" i "neraspadnuto jezgro, živa mačka", a kada se kada se otvori okvir, tek tada se valna funkcija kolabira u jednu od varijanti. Drugi pretpostavljaju da se "opažanje" dešava kada čestica iz jezgra udari u detektor; međutim (a to je ključna tačka misaonog eksperimenta) u tumačenju Kopenhagena ne postoji jasno pravilo koje kaže kada se to događa, pa je stoga ovo tumačenje nepotpuno dok se takvo pravilo ne unese u njega, ili se ne kaže kako može se uvesti. Tačno pravilo je sljedeće: slučajnost se pojavljuje na mjestu gdje se prvi put koristi klasična aproksimacija.

Dakle, možemo se osloniti na sljedeći pristup: ne opažamo kvantne pojave u makroskopskim sistemima (osim fenomena superfluidnosti i supravodljivosti); pa ako superponiramo makroskopsku talasnu funkciju na kvantno stanje, moramo iz iskustva zaključiti da se superpozicija urušava. I iako nije sasvim jasno šta uopšte znači da je nešto "makroskopsko", za mačku se pouzdano zna da je makroskopski objekat. Dakle, Kopenhaška interpretacija ne smatra da je mačka u stanju miješanja između živih i mrtvih prije nego što se kutija otvori.

U "interpretaciji više svijeta" kvantne mehanike, koja proces mjerenja ne smatra nečim posebnim, postoje oba stanja mačke, ali dekoherno, tj. postoji proces u kojem kvantno mehanički sistem stupa u interakciju sa okolinom i prikuplja informacije dostupne u okolini, ili se na drugi način "prepliće" sa okolinom. I kada posmatrač otvori kutiju, on se zapliće sa mačkom, i iz toga se formiraju dva stanja posmatrača, koja odgovaraju živoj i mrtvoj mački, a ta stanja nisu u interakciji jedno sa drugim. Isti mehanizam kvantne dekoherencije važan je i za "zajedničke" istorije. U ovoj interpretaciji, samo "mrtva mačka" ili "živa mačka" može biti u "zajedničkoj istoriji".

Drugim riječima, kada se kutija otvori, svemir se dijeli na dva različita univerzuma, u jednom od kojih posmatrač gleda kutiju sa mrtvom mačkom, au drugom posmatrač gleda živu mačku.

Paradoks "Wignerovog prijatelja"

Paradoks Wignerovog prijatelja je komplikovan eksperiment paradoksa Schrödingerove mačke. Dobitnik Nobelove nagrade, američki fizičar Eugene Wigner uveo je kategoriju "prijatelji". Nakon završetka eksperimenta, eksperimentator otvara kutiju i vidi živu mačku. Stanje mačke u trenutku otvaranja kutije prelazi u stanje "jezgro se nije raspala, mačka je živa". Tako je u laboratoriji mačka prepoznata kao živa. Izvan laboratorije je "prijatelj". Prijatelj još ne zna da li je mačka živa ili mrtva. Prijatelj prepoznaje mačku kao živu tek kada ga eksperimentator obavijesti o ishodu eksperimenta. Ali svi ostali "prijatelji" još nisu prepoznali mačku kao živu, a prepoznat će je tek kada budu obaviješteni o rezultatu eksperimenta. Dakle, mačka se može prepoznati kao potpuno živa samo kada svi ljudi u svemiru znaju rezultat eksperimenta. Do ove tačke, na skali Velikog svemira, mačka ostaje poluživa i polumrtava u isto vrijeme.

Navedeno se primjenjuje u praksi: u kvantnom računarstvu i u kvantnoj kriptografiji. Kabl od optičkih vlakana šalje svjetlosni signal koji je u superpoziciji dva stanja. Ako se napadači spoje na kabel negdje na sredini i tamo naprave signalni prisluškivač kako bi prisluškivali prenesenu informaciju, tada će se urušiti valna funkcija (sa stanovišta tumačenja Kopenhagena, napravit će se zapažanje) i svjetlo će ići u jedno od stanja. Nakon statističkih ispitivanja svjetlosti na prijemnom kraju kabla, moći će se utvrditi da li je svjetlost u superpoziciji stanja ili je već uočena i prenesena u drugu tačku. To omogućava stvaranje sredstava komunikacije koja isključuju neprimjetno presretanje i prisluškivanje signala.

Eksperiment (koji se u principu može izvesti, iako još nisu stvoreni radni sistemi kvantne kriptografije koji bi mogli prenijeti velike količine informacija) također pokazuje da "posmatranje" u tumačenju Kopenhagena nema nikakve veze s umom posmatrača, budući da u ovom slučaju promjena statistike do kraja kabla dovodi do potpuno nežive grane žice.

A u kvantnom računarstvu, stanje “Schrödingerove mačke” je posebno zapleteno stanje kubita, u kojem su svi u istoj superpoziciji svih nula ili jedinica.

("Qubit" je najmanji element za pohranjivanje informacija u kvantnom kompjuteru. Dopušta dva svojstvena stanja, ali može biti iu njihovoj superpoziciji. Svaki put kada mjerite stanje kubita, on nasumično prelazi u jedno od svojih stanja.)

U stvarnosti! Mali brat "Schrödingerove mačke"

Prošlo je 75 godina otkako se pojavila "Schrödingerova mačka", ali se i dalje čini da su neke od posljedica kvantne fizike u suprotnosti s našim uobičajenim idejama o materiji i njenim svojstvima. Prema zakonima kvantne mehanike, takvo stanje "mačke" bi trebalo biti moguće stvoriti i kada je živa i mrtva, tj. biće u stanju kvantne superpozicije dva stanja. Međutim, u praksi, stvaranje kvantne superpozicije tako velikog broja atoma još nije bilo uspješno. Poteškoća je u tome što što je više atoma u superpoziciji, to je ovo stanje manje stabilno, jer vanjski utjecaji imaju tendenciju da ga unište.

Fizičari sa Univerziteta u Beču (objava u časopisu Nature Communications“, 2011) po prvi put u svijetu uspio demonstrirati kvantno ponašanje organskog molekula koji se sastoji od 430 atoma i nalazi se u stanju kvantne superpozicije. Molekul koji su dobili eksperimentatori više liči na hobotnicu. Veličina molekula je reda veličine 60 angstroma, a de Broglieova talasna dužina za molekul je bila samo 1 pikometar. Takva "molekularna hobotnica" mogla je pokazati svojstva svojstvena Schrödingerovoj mački.

kvantno samoubistvo

Kvantno samoubistvo je misaoni eksperiment u kvantnoj mehanici koji su nezavisno predložili G. Moravec i B. Maršal, a 1998. godine proširen je od strane kosmologa Maksa Tegmarka. Ovaj misaoni eksperiment, kao modifikacija misaonog eksperimenta sa Schrödingerovom mačkom, jasno pokazuje razliku između dva tumačenja kvantne mehanike: Kopenhagenske i Everetove višesvjetske interpretacije.

U stvari, eksperiment je eksperiment sa Schrödingerovom mačkom iz mačje tačke gledišta.

U predloženom eksperimentu, pištolj je uperen u sudionika, koji puca ili ne puca, ovisno o raspadu bilo kojeg radioaktivnog atoma. Vjerovatnoća da će se kao rezultat eksperimenta puška opaliti i da će učesnik poginuti je 50%. Ako je interpretacija iz Kopenhagena tačna, onda će pištolj na kraju opaliti i takmičar će umrijeti.
Ako je višesvjetska interpretacija Everetta ispravna, tada se kao rezultat svakog eksperimenta svemir dijeli na dva svemira, u jednom od kojih sudionik ostaje živ, a u drugom umire. U svetovima u kojima učesnik umre, oni prestaju da postoje. Nasuprot tome, sa stanovišta ne-umrlog učesnika, eksperiment će se nastaviti bez da rezultira nestankom učesnika. To je zato što, u bilo kojoj grani, učesnik može da posmatra rezultat eksperimenta samo u svetu u kojem preživljava. A ako je interpretacija više svjetova ispravna, onda učesnik može primijetiti da nikada neće umrijeti u toku eksperimenta.

Učesnik nikada neće moći da priča o ovim rezultatima, jer će sa stanovišta spoljnog posmatrača verovatnoća ishoda eksperimenta biti ista u višesvetskim i kopenhaškim interpretacijama.

kvantna besmrtnost

Kvantna besmrtnost - Misaoni eksperiment koji proizlazi iz eksperimenta kvantnog samoubistva, koji navodi da su, prema višesvjetskoj interpretaciji kvantne mehanike, bića sa sposobnošću samosvijesti besmrtna.

Zamislite da učesnik eksperimenta detonira nuklearnu bombu blizu sebe. U gotovo svim paralelnim svemirima, nuklearna eksplozija će uništiti sudionika. Ali, unatoč tome, trebao bi postojati mali skup alternativnih Univerzuma u kojima učesnik nekako preživi (odnosno Univerzumi u kojima je moguć razvoj potencijalnog scenarija spašavanja). Ideja kvantne besmrtnosti je da učesnik ostaje živ, i na taj način može da percipira okolnu stvarnost, u barem jednom od univerzuma u skupu, čak i ako je broj takvih univerzuma izuzetno mali u poređenju sa brojem svim mogućim univerzumima. Tako će tokom vremena učesnik otkriti da može živjeti vječno. Neke paralele sa ovim zaključkom mogu se naći u konceptu antropskog principa.

Još jedan primjer proizilazi iz ideje kvantnog samoubistva. U ovom misaonom eksperimentu, učesnik uperi pištolj u sebe, koji može ili ne mora pucati, ovisno o rezultatu raspada bilo kojeg radioaktivnog atoma. Vjerovatnoća da će se kao rezultat eksperimenta puška opaliti i da će učesnik poginuti je 50%. Ako je interpretacija iz Kopenhagena tačna, onda će pištolj na kraju opaliti i takmičar će umrijeti.

Ako je višesvjetska interpretacija Everetta ispravna, tada se kao rezultat svakog eksperimenta svemir dijeli na dva svemira, u jednom od kojih sudionik ostaje živ, a u drugom umire. U svetovima u kojima učesnik umre, oni prestaju da postoje. Naprotiv, sa stanovišta ne-mrtvog učesnika, eksperiment će se nastaviti bez da dovede do nestanka učesnika, jer će posle svakog cepanja univerzuma moći da se realizuje samo u onim univerzumima u kojima je preživeo. Dakle, ako je Everettova višesvjetska interpretacija tačna, onda učesnik može primijetiti da nikada neće umrijeti tokom eksperimenta, čime se "dokazuje" svoju besmrtnost, barem sa svoje tačke gledišta.

Pristalice kvantne besmrtnosti ističu da ova teorija nije u suprotnosti ni sa jednim poznatim zakonima fizike (ovaj stav je daleko od jednoglasnog prihvatanja u naučnom svetu). Oni zasnivaju svoja razmišljanja na sljedeće dvije kontroverzne pretpostavke:
- Everettova višesvjetska interpretacija je tačna, ali ne i Kopenhaška, budući da potonja negira postojanje paralelnih univerzuma;
- svi mogući scenariji u kojima učesnik može umrijeti tokom eksperimenta sadrže barem mali podskup scenarija u kojima učesnik preživi.

Mogući argument protiv teorije kvantne besmrtnosti mogao bi biti da druga pretpostavka ne slijedi nužno iz Everettove interpretacije mnogih svjetova i da može biti u sukobu sa zakonima fizike, za koje se smatra da se primjenjuju na sve moguće stvarnosti. Višesvjetska interpretacija kvantne fizike ne podrazumijeva nužno da je "sve moguće". To samo ukazuje da se u određenom trenutku svemir može podijeliti na niz drugih, od kojih će svaki odgovarati jednom od mnogih mogućih ishoda. Na primjer, vjeruje se da je drugi zakon termodinamike istinit za sve moguće svemire. To znači da teoretski postojanje ovog zakona onemogućava formiranje paralelnih univerzuma gdje bi on bio narušen. Posljedica ovoga može biti postizanje sa stanovišta eksperimentatora takvog stanja stvarnosti u kojem njegov daljnji opstanak postaje nemoguć, jer bi to zahtijevalo kršenje zakona fizike, što je, prema ranije iznesenoj pretpostavci, važi za sve moguće realnosti.

Na primjer, u gore opisanoj eksploziji nuklearne bombe, prilično je teško opisati vjerojatan scenarij koji ne krši osnovne biološke principe u kojima će sudionik ostati živ. Žive ćelije jednostavno ne mogu postojati na temperaturama postignutim u središtu nuklearne eksplozije. Da bi teorija kvantne besmrtnosti ostala valjana, potrebno je ili da dođe do zastoja u paljenju (i samim tim ne dođe do nuklearne eksplozije), ili da se dogodi neki događaj koji bi se temeljio na još neotkrivenim ili nedokazanim zakonima fizike. Drugi argument protiv teorije o kojoj se raspravlja može biti prisustvo prirodne biološke smrti u svim bićima, koja se ne može izbjeći ni u jednom od paralelnih Univerzuma (barem u ovoj fazi razvoja nauke)

S druge strane, drugi zakon termodinamike je statistički zakon, a pojava fluktuacija ne protivreči ničemu (na primjer, pojava područja sa uslovima pogodnim za život posmatrača u svemiru koji je generalno dostigao stanje toplotne smrti; ili, u principu, moguće kretanje svih čestica nastalih nuklearnom eksplozijom, tako da će svaka od njih proletjeti pored promatrača), iako će se takva fluktuacija dogoditi samo u vrlo malom dijelu svih mogućih ishoda. Argument koji se odnosi na neizbježnost biološke smrti također se može opovrgnuti na osnovu probabilističkih razmatranja. Za svaki živi organizam u datom trenutku postoji vjerovatnoća različita od nule da će ostati živ sljedeću sekundu. Dakle, vjerovatnoća da će ostati živ sljedećih milijardu godina je također nula (jer je proizvod velikog broja faktora koji nisu nula), iako je vrlo mala.

Ono što je problematično u vezi sa idejom kvantne besmrtnosti je to što će, prema njoj, samosvjesno biće biti "prisiljeno" da doživi krajnje malo vjerojatne događaje koji će se dogoditi u situacijama u kojima bi se činilo da učesnik umire. Iako u mnogim paralelnim univerzumima učesnik umire, nekoliko univerzuma koje je učesnik u stanju da subjektivno percipira razvijaće se u krajnje malo verovatnom scenariju. To, pak, može na neki način uzrokovati kršenje principa uzročnosti, čija priroda u kvantnoj fizici još nije dovoljno jasna.

Iako ideja o kvantnoj besmrtnosti uglavnom proizlazi iz eksperimenta "kvantnog samoubojstva", Tegmark tvrdi da pod bilo kojim normalnim uvjetima, svako misleće biće prije smrti prolazi kroz fazu (od nekoliko sekundi do nekoliko godina) smanjenja nivoa. samosvesti, koja nema nikakve veze sa kvantnom mehanikom, i ne postoji mogućnost da učesnik nastavi postojanje prelazeći iz jednog sveta u drugi, omogućavajući mu da preživi.

Ovdje racionalni posmatrač koji je svjestan sebe samo u relativno malom broju mogućih stanja u kojima zadržava samosvijest, nastavlja ostati u, da tako kažemo, „zdravom tijelu“. Mogućnost da posmatrač, nakon što je ostao pri svijesti, ostane osakaćen, mnogo je veća nego da ostane neozlijeđen. Svaki sistem (uključujući i živi organizam) ima mnogo više mogućnosti da funkcioniše nepravilno nego da ostane u savršenom stanju. Boltzmannova ergodička hipoteza zahtijeva da besmrtni promatrač prije ili kasnije prođe kroz sva stanja kompatibilna sa očuvanjem svijesti, uključujući i ona u kojima će osjećati nepodnošljivu patnju – a takvih stanja će biti mnogo više nego stanja optimalnog funkcioniranja organizma. Prema tome, prema filozofu Davidu Lewisu, trebali bismo se nadati da je tumačenje više svjetova pogrešno.

Postojala je neka vrsta "sekundarnosti". I sam se rijetko bavio konkretnim naučnim problemom. Njegov omiljeni žanr rada bio je odgovor na nečije naučno istraživanje, razvoj ovog djela ili njegovu kritiku. Unatoč činjenici da je sam Schrödinger po prirodi bio individualist, uvijek mu je bila potrebna tuđa misao, podrška za daljnji rad. Uprkos ovom neobičnom pristupu, Schrödinger je uspio napraviti mnoga otkrića.

Biografski podaci

Schrödingerova teorija sada je poznata ne samo studentima odsjeka za fiziku i matematiku. Biće zanimljivo svima koji se zanimaju za popularnu nauku. Ovu teoriju stvorio je poznati fizičar E. Schrodinger, koji je ušao u istoriju kao jedan od tvoraca kvantne mehanike. Naučnik je rođen 12. avgusta 1887. godine u porodici vlasnika fabrike uljarica. Budući naučnik, koji je postao poznat širom svijeta zbog svoje misterije, kao dijete volio je botaniku i crtanje. Njegov prvi mentor bio je otac. Godine 1906. Schrödinger je započeo studije na Univerzitetu u Beču, tokom kojih je počeo da se divi fizici. Kada je došao Prvi svjetski rat, naučnik je otišao da služi kao artiljerac. U slobodno vrijeme proučavao je teorije Alberta Ajnštajna.

Do početka 1927. godine u nauci se razvila dramatična situacija. E. Schrödinger je smatrao da ideja o kontinuitetu talasa treba da posluži kao osnova za teoriju kvantnih procesa. Heisenberg je, naprotiv, smatrao da koncept diskretnosti talasa, kao i ideja kvantnih skokova, treba da budu temelj za ovu oblast znanja. Niels Bohr nije prihvatio nijednu poziciju.

Napredak u nauci

Za koncept valne mehanike 1933. Schrödinger je dobio Nobelovu nagradu. Međutim, odgajan u tradicijama klasične fizike, naučnik nije mogao razmišljati u drugim kategorijama i nije smatrao kvantnu mehaniku punopravnom granom znanja. Nije mogao biti zadovoljan dualnim ponašanjem čestica, te ga je pokušao svesti isključivo na ponašanje valova. U svojoj raspravi s N. Bohrom, Schrödinger je to rekao na sljedeći način: “Ako planiramo zadržati ove kvantne skokove u nauci, onda generalno žalim što sam svoj život povezao s atomskom fizikom.”

Dalji rad istraživača

U isto vrijeme, Schrödinger nije bio samo jedan od osnivača moderne kvantne mehanike. On je taj koji je u naučnu upotrebu uveo termin "objektivnost opisa". To je sposobnost naučnih teorija da opišu stvarnost bez učešća posmatrača. Njegova dalja istraživanja bila su posvećena teoriji relativnosti, termodinamičkim procesima, Bornovoj nelinearnoj elektrodinamici. Takođe, naučnici su nekoliko puta pokušali da stvore jedinstvenu teoriju polja. Osim toga, E. Schrödinger je govorio šest jezika.

Najpoznatija zagonetka

Schrödingerova teorija, u kojoj se pojavljuje ista mačka, izrasla je iz naučnikove kritike kvantne teorije. Jedan od njegovih glavnih postulata je da sve dok se sistem ne posmatra, on je u stanju superpozicije. Naime, u dvije ili više država koje isključuju postojanje jedne druge. Stanje superpozicije u nauci ima sljedeću definiciju: to je sposobnost kvanta, koji može biti i elektron, foton ili, na primjer, jezgro atoma, da bude istovremeno u dva stanja ili čak u dva stanja. tačke u prostoru u trenutku kada ga niko ne posmatra.

Objekti u različitim svjetovima

Običnom čovjeku je vrlo teško razumjeti takvu definiciju. Na kraju krajeva, svaki predmet materijalnog svijeta može biti u jednoj tački u prostoru ili u drugoj. Ovaj fenomen se može ilustrovati na sljedeći način. Posmatrač uzima dvije kutije i u jednu stavlja tenisku lopticu. Biće jasno da je u jednoj kutiji, a ne u drugoj. Ali ako se elektron stavi u jedan od spremnika, tada će biti istinita sljedeća tvrdnja: ova čestica se istovremeno nalazi u dvije kutije, ma koliko paradoksalno izgledalo. Na isti način, elektron u atomu nije lociran u jednom ili drugom trenutku u strogo određenoj tački. Rotira oko jezgra, istovremeno se nalazi na svim tačkama orbite. U nauci se ovaj fenomen naziva "elektronski oblak".

Šta je naučnik hteo da dokaže?

Dakle, ponašanje malih i velikih objekata se provodi po potpuno drugačijim pravilima. U kvantnom svijetu postoje neki zakoni, a u makrokosmosu - potpuno drugačiji. Međutim, ne postoji koncept koji bi objasnio prelazak iz svijeta materijalnih objekata, poznatih ljudima, u mikrosvijet. Schrödingerova teorija je stvorena kako bi se pokazala nedostatnost istraživanja u oblasti fizike. Naučnik je želeo da pokaže da postoji nauka čija je svrha da opiše male predmete, a postoji i oblast znanja koja proučava obične predmete. U velikoj mjeri zahvaljujući radu naučnika, fizika je podijeljena na dvije oblasti: kvantnu i klasičnu.

Schrödingerova teorija: opis

Naučnik je opisao svoj čuveni misaoni eksperiment 1935. godine. U njegovoj implementaciji, Schrödinger se oslanjao na princip superpozicije. Schrödinger je naglasio da sve dok ne posmatramo foton, on može biti ili čestica ili talas; i crvena i zelena; i okrugli i kvadratni. Ovaj princip neizvjesnosti, koji direktno slijedi iz koncepta kvantnog dualizma, koristio je Schrödinger u svojoj poznatoj zagonetki o mačkama. Značenje eksperimenta ukratko je sljedeće:

• Mačka se stavlja u zatvorenu kutiju, kao i posudu u kojoj se nalazi cijanovodonična kiselina i radioaktivna supstanca.
• Jezgro se može raspasti u roku od sat vremena. Vjerovatnoća za to je 50%.
• Ako se atomsko jezgro raspadne, to će biti zabilježeno Geigerovim brojačem. Mehanizam će raditi i kutija za otrov će se pokvariti. Mačka će umrijeti.
• Ako do propadanja ne dođe, onda će Schrödingerova mačka biti živa.

Prema ovoj teoriji, dok se mačka ne posmatra, ona je istovremeno u dva stanja (mrtva i živa), baš kao i jezgro atoma (raspadnuto ili neraspadnuto). Naravno, to je moguće samo prema zakonima kvantnog svijeta. U makrokosmosu, mačka ne može biti živa i mrtva u isto vrijeme.

Paradoks posmatrača

Da bismo razumeli suštinu Schrödingerove teorije, potrebno je i razumevanje paradoksa posmatrača. Njegovo značenje je da objekti mikrokosmosa mogu biti istovremeno u dva stanja samo kada se ne posmatraju. Na primjer, u nauci je poznat takozvani "Eksperiment sa 2 proreza i posmatračem". Na neprozirnu ploču u kojoj su napravljena dva vertikalna proreza, naučnici su usmjerili snop elektrona. Na ekranu iza ploče, elektroni su naslikali talasni uzorak. Drugim riječima, ostavili su crne i bijele pruge. Kada su istraživači hteli da posmatraju kako elektroni lete kroz proreze, čestice su prikazale samo dve vertikalne pruge na ekranu. Ponašali su se kao čestice, a ne kao talasi.

Kopenhagensko objašnjenje

Moderno objašnjenje Schrödingerove teorije naziva se Kopenhaško. Na osnovu paradoksa posmatrača, zvuči ovako: sve dok niko ne posmatra jezgro atoma u sistemu, ono je istovremeno u dva stanja - raspadnuto i neraspadnuto. Međutim, izjava da je mačka živa i mrtva u isto vrijeme je krajnje pogrešna. Na kraju krajeva, isti fenomeni se nikada ne primećuju u makrokosmosu kao u mikrokosmosu.

Dakle, ne govorimo o sistemu "mačje jezgro", već o tome da su Geigerov brojač i jezgro atoma međusobno povezani. Kernel može izabrati jedno ili drugo stanje u trenutku kada se vrše mjerenja. Međutim, ovaj izbor se ne dešava u trenutku kada eksperimentator otvori kutiju sa Schrödingerovom mačkom. U stvari, otvaranje kutije se dešava u makrokosmosu. Drugim riječima, u sistemu koji je veoma udaljen od atomskog svijeta. Dakle, jezgro bira svoje stanje tačno u trenutku kada udari u detektor Geigerovog brojača. Dakle, Erwin Schrödinger, u svom misaonom eksperimentu, nije u potpunosti opisao sistem.

Opšti zaključci

Stoga, nije sasvim ispravno povezivati ​​makrosistem sa mikroskopskim svijetom. U makrokosmosu kvantni zakoni gube svoju snagu. Jezgro atoma može biti istovremeno u dva stanja samo u mikrokosmosu. Isto se ne može reći za mačku, jer je ona objekt makrokosmosa. Stoga se samo na prvi pogled čini da mačka prelazi iz superpozicije u jedno od stanja u trenutku otvaranja kutije. Zapravo, njegova sudbina je određena u trenutku kada atomsko jezgro stupi u interakciju s detektorom. Zaključak se može izvesti na sljedeći način: stanje sistema u zagonetki Erwina Schrödingera nema nikakve veze s osobom. To ne zavisi od eksperimentatora, već od detektora - objekta koji "promatra" jezgro.

Nastavak koncepta

Schrödingerova teorija je opisana jednostavnim riječima na sljedeći način: dok posmatrač ne gleda u sistem, on može biti u dva stanja istovremeno. Međutim, drugi naučnik - Eugene Wigner, otišao je dalje i odlučio da koncept Schrödingera dovede do potpunog apsurda. „Izvinite!“ rekao je Wigner, „šta ako je pored eksperimentatora koji posmatra mačku njegov kolega?“ Partner ne zna šta je tačno sam eksperimentator video u trenutku kada je otvorio kutiju sa mačkom. Schrödingerova mačka napušta stanje superpozicije. Međutim, ne za kolegu posmatrača. Tek u tom trenutku, kada sudbina mačke postane poznata potonjoj, životinja se konačno može nazvati živom ili mrtvom. Osim toga, na planeti Zemlji postoje milijarde ljudi. A konačna presuda može biti donesena tek kada rezultat eksperimenta postane vlasništvo svih živih bića. Naravno, svima se može ukratko ispričati sudbina mačke i Schrödingerove teorije, ali ovo je vrlo dug i naporan proces.

Principi kvantnog dualizma u fizici nikada nisu opovrgnuti Schrödingerovim misaonim eksperimentom. U određenom smislu, svako stvorenje se ne može nazvati ni živim ni mrtvim (koji je u superpoziciji) sve dok postoji barem jedna osoba koja ga ne posmatra.

John Gribbin

Tražim Schrödingerovu mačku. Kvantna fizika i stvarnost

Ne sviđa mi se sve ovo, i žao mi je što sam uopšte bio umešan u ovo.

Erwin Schrödinger 1887-1961

Ništa nije stvarno.

Džon Lenon 1940-1980

U POTRAZI ZA SCHRDINGEROVOM MAČKOM

Kvantna fizika i stvarnost

Prevod s engleskog Z. A. Mamedyarova, E. A. Fomenko

© 1984, John i Mary Gribbin

Hvala

Moje upoznavanje s kvantnom teorijom počelo je prije više od dvadeset godina, još u školi, kada sam otkrio da teorija strukture ljuske atoma magično objašnjava cijeli periodični sistem elemenata i gotovo svu hemiju s kojom sam patio u mnogim dosadnim lekcije. Odmah sam počeo da kopam dalje, pribjegavajući bibliotečkim knjigama za koje se govorilo da su "prekompleksne" za moju skromnu naučnu pozadinu, i odmah primijetio divnu jednostavnost objašnjenja atomskog spektra sa stanovišta kvantne teorije, i po prvi put sam otkrili šta je najbolje u nauci u isto vrijeme lijepo i jednostavno, činjenica koju previše nastavnika, slučajno ili namjerno, krije od svojih učenika. Osjećao sam se potpuno kao lik iz C.P. Snowovog Potraga (iako sam ga pročitao mnogo kasnije), koji je otkrio istu stvar:

Primetio sam kako su zbrkane nasumične činjenice odjednom došle na svoje mesto... „Ali ovo je istina“, rekao sam sebi. - Uredu je. I to je istina." (Izdanje ALI, 1963, str. 27.)

Djelomično zbog ovog uvida odlučio sam da studiram fiziku na univerzitetu. Svojim vremenom, moja ambicija se ispunila i postao sam student na Univerzitetu Sussex u Brightonu. Ali tamo su jednostavnost i ljepota dubokih ideja bile zasjenjene raznolikošću detalja i matematičkih metoda za rješavanje specifičnih problema korištenjem jednadžbi kvantne mehanike. Primjena ovih ideja na svijet moderne fizike dala je, možda, otprilike istu ideju o dubokoj ljepoti i istini koju daje pilotiranje. Boeing 747 o zmajem. Iako je snaga prvobitnog uvida i dalje bila najznačajniji uticaj na moju karijeru, dugo vremena nisam obraćao pažnju na kvantni svet i otkrivao druge čari nauke.

Žeravica tog ranog interesovanja ponovo je rasplamsana kombinacijom faktora. Kasnih 1970-ih i ranih 1980-ih počele su se pojavljivati ​​knjige i članci koji su pokušavali, s promjenjivim uspjehom, da objasne čudan kvantni svijet nenaučnoj publici. Neki od takozvanih "popularnih tekstova" bili su toliko monstruozno udaljeni od istine da nisam mogao ni da zamislim da će se naći čitalac koji bi proučavajući ih shvatio istinu i lepotu nauke, pa sam želeo da sve ispričam kao TO JE. U isto vrijeme, pojavili su se izvještaji o dugoj seriji naučnih eksperimenata koji su dokazali realnost nekih od najčudnijih aspekata kvantne teorije, a ove informacije su me natjerale da se vratim u biblioteke i osvježim svoje razumijevanje ovih nevjerovatnih stvari. Konačno, jednog Božića me je vazduhoplovstvo pozvalo da učestvujem u radijskoj emisiji kao svojevrsni naučni protivnik Malcolma Muggerridgea, koji je upravo najavio prelazak na katoličanstvo i bio glavni gost u to praznično vrijeme. Nakon što je ovaj veliki čovjek iznio svoju poentu, naglašavajući misteriju kršćanstva, okrenuo se prema meni i rekao: “Ali ovdje postoji neko ko zna sve odgovore – ili tvrdi da ih sve zna.” Vrijeme je bilo ograničeno, a ja sam pokušao da dam primjereno odbijanje ističući da nauka ne tvrdi da ima sve odgovore i da se religija, a ne nauka, u potpunosti oslanja na bezgraničnu vjeru i uvjerenje da je istina poznata. “Ne vjerujem ni u šta”, rekao sam i počeo da objašnjavam svoj stav, ali u tom trenutku se program završio. Tokom božićnih praznika prijatelji i poznanici su me podsjećali na ove riječi, a ja sam satima govorio da me nedostatak bezgranične vjere u bilo šta ne sprečava da živim normalnim životom, koristeći sasvim razumnu radnu hipotezu da sunce vjerovatno neće nestati preko noći.

Sve mi je to pomoglo da sredim svoja razmišljanja o prirodi nauke u toku dugih diskusija o osnovnoj stvarnosti - ili nestvarnosti - kvantnog sveta, i to je bilo dovoljno da me uveri da mogu da napišem knjigu koju ste sada držite u rukama. Dok sam radio na tome, testirao sam mnoge suptilnije argumente tokom svojih redovnih pojavljivanja u naučnom radijskom programu British Armed Forces Broadcasting Corporation koji je vodio Tommy Vance. Tomova radoznala pitanja brzo su razotkrila nesavršenosti moje prezentacije i uz njihovu pomoć uspio sam bolje organizirati svoje ideje. Glavni izvor referentnog materijala koji sam koristio za pisanje knjige bila je biblioteka Univerziteta Sussex, koja sadrži možda jednu od najboljih kolekcija knjiga o kvantnoj teoriji na svijetu, i Mandy Caplin iz časopisa Novi naučnik, koji mi je uporno slao poruke dok je Christina Sutton ispravljala moje zablude o fizici čestica i teoriji polja. Moja supruga ne samo da je pružila neprocjenjivu pomoć u pregledu literature i organiziranju materijala, već je i ublažila mnoge grube ivice. Također sam zahvalan profesoru Rudolfu Pearlsu što mi je detaljno objasnio neke od zamršenosti eksperimenta sa satom u kutiji i paradoksa Einstein-Podolsky-Rosen.

Za sve dobre stvari u ovoj knjizi zaslužni su: "teški" tekstovi iz hemije čijih se naslova više ne sjećam i koje sam otkrio u biblioteci okruga Kent sa šesnaest godina; nesretni "popularizatori" kvantnih ideja, koji su me uvjerili da ih mogu bolje opisati; Malcolm Muggerridge i zračne snage; biblioteka Univerziteta u Saseksu; Tommy Vance i BFBS; Mandy Caplin i Christina Sutton i posebno Min. Svaka pritužba na nedostatke koji još uvijek ostaju u ovoj knjizi trebala bi se, naravno, uputiti meni.

John Gribbin

jula 1983

Uvod

Ako zbrojite sve knjige i članke o relativnosti napisane za obične ljude, onda će gomila vjerovatno stići do Mjeseca. „Svi znaju“ da je Ajnštajnova teorija relativnosti najveće naučno dostignuće 20. veka i svi su u krivu. Međutim, ako zbrojite sve knjige i članke o kvantnoj teoriji napisane za obične ljude, onda će lako stati na moj sto. To ne znači da se kvantna teorija nije čula izvan zidova akademija. Kvantna mehanika je čak postala popularna na određenim nivoima: korišćena je za objašnjenje telepatije i savijanja kašike, i bila je inspiracija za mnoge naučnofantastične priče. U popularnoj mitologiji, kvantna mehanika je povezana - ako je uopće - s okultnom i ekstrasenzornom percepcijom, odnosno čudnom, ezoteričnom granom nauke koju niko ne razumije i za koju niko ne može naći praktičnu primjenu.

Ova knjiga je napisana protiv ove percepcije onoga što je, u stvari, najosnovnije i najvažnije područje naučnog znanja. Ova knjiga svoj nastanak duguje nekoliko okolnosti koje su se pojavile u ljeto 1982. Prvo, upravo sam završio čitanje knjige o relativnosti pod nazivom Zakrivljenost prostora i odlučio da je vrijeme da počnem demistifikovati još jednu veliku granu nauke dvadesetog vijeka. Drugo, tada su me sve više nervirale pogrešne ideje koje su postojale pod nazivom kvantna teorija među ljudima koji su bili daleko od nauke. Odlična knjiga Fridtjofa Capre, Tao fizike, iznjedrila je mnoge imitatore koji nisu razumjeli ni fiziku ni Tao, ali koji su smatrali da se novac može zaraditi povezivanjem zapadne nauke sa istočnjačkom filozofijom. Konačno, u avgustu 1982. iz Pariza je stigla vijest da je tim naučnika uspješno izveo značajan eksperiment koji je potvrdio, za one koji su još sumnjali, tačnost kvantnomehaničkog koncepta svemira.

Nemojte ovdje tražiti "istočni misticizam", savijanje kašike ili vidovnjakinju. Potražite istinitu priču o kvantnoj mehanici, čija je istina nevjerovatnija od bilo koje fikcije. Takva je nauka: nije joj potrebna odjeća s ramena druge filozofije, jer je i sama puna ljepote, misterija i iznenađenja. Ova knjiga pokušava odgovoriti na specifično pitanje: "Šta je stvarnost?" A odgovor (ili odgovori) vas mogu iznenaditi. Možda ne verujete u njega. Ali shvatićete kako savremena nauka gleda na svet.

Ništa nije stvarno

Mačka koja se pojavljuje u naslovu je mitsko stvorenje, ali Schrödinger je zaista postojao. Erwin Schrödinger je bio austrijski naučnik koji je sredinom 1920-ih odigrao ogromnu ulogu u stvaranju jednadžbi grane nauke koja se danas zove kvantna mehanika. Međutim, teško da je tačno reći da je kvantna mehanika samo grana nauke, jer ona leži u osnovi čitave moderne nauke. Njegove jednadžbe opisuju ponašanje vrlo malih objekata - veličine atoma i manjih - i predstavljaju jedina stvar opis svijeta najmanjih čestica. Bez ovih jednadžbi, fizičari ne bi mogli dizajnirati funkcionalne nuklearne elektrane (ili bombe), stvoriti lasere ili objasniti kako se temperatura Sunca ne smanjuje. Bez kvantne mehanike, hemija bi i dalje bila u mračnom dobu i uopšte ne bi bilo molekularne biologije: ne bi bilo znanja o DNK, genetskog inženjeringa, ničega.

Kao hipotetički primjer kako bi makroskopski objekt (mačka) koji nam je prilično poznat u svakodnevnom životu mogao pokazati kvantna svojstva.

Sama sol ovih svojstava je takozvana kvantna zapetljanost ili zapetljanost (engleski "entanglement"). Naziv ovog fenomena, općenito, odražava njegovu suštinu. Zaista, u razmatranom primjeru, stanja radioaktivnog jezgra i mačke ispadaju upleteni (drugim riječima, čvrsto povezani jedno s drugim). Važan aspekt kvantne isprepletenosti je prisustvo nesigurnosti u ovim stanjima. Odnosno, ne znamo da li je mačka živa ili ne, ne znamo ni da li se jezgro raspalo ili ne. Međutim, pouzdano znamo da ako se jezgro raspadne, mačka će umrijeti; ako se ne raspadne, mačka će živjeti.

Interes za ovaj fenomen među savremenim naučnicima je veliki, a povezuje se sa idejom stvaranja kvantnog kompjutera, kao i organizacijom sigurnih komunikacijskih kanala. To je ono što nas tjera da više puta pokušavamo u laboratorijama stvoriti ako ne mačke, onda barem Schrödinger mačiće, tj. objekti su opipljiviji i veći (mezoskopski) i stoga ih je lakše kontrolisati od pojedinačnih mikročestica, ali pokazuju ista svojstva kvantne isprepletenosti kao Schrödingerova mačka.

Ali postoji mnogo primjera kvantne isprepletenosti manje egzotične od laboratorijskih Schrödingerovih mačića. Možda najpristupačnija manifestacija zapetljanosti odvija se u istom, svima nama omiljenom atomu. Uzmimo najjednostavniji atom - prvi element periodnog sistema - vodonik. Kao i svi drugi atomi, sastoji se od jezgra i elektrona, ali čar atoma vodika je u tome što ima samo jedan elektron, a jezgro je, opet, jedina i gotovo potpuno elementarna čestica - proton, koja se razlikuje od elektron na glavni način, pozitivan predznak električnog naboja i vrlo bolesna masa (premašuje masu elektrona za skoro 2000 puta).

U jednom od mojih pričao sam o tome da neke mikročestice, posebno elektron, imaju takvu karakteristiku kao što je spin, ili, ako koristimo jednostavnu analogiju, vrte se oko svoje ose u bilo kojem od dva smjera (kazaljke na satu ili suprotno od kazaljke na satu) , što je, pak, određeno jednom od dvije vrijednosti takozvane projekcije spina. Dakle, proton, kao i elektron, ima spin i može se "rotirati" udesno ili ulijevo. Štaviše, pokazalo se da je „najugodnije“ stanje s najnižom energijom za elektron i proton koji formiraju atom vodika ono u kojem se oni rotiraju u suprotnim smjerovima, kao da nadoknađuju međusobne okrete, tako da je njegova ukupna projekcija jednaka je nuli (ova činjenica se, inače, koristi za razna astrofizička opažanja).

Upravo u ovoj osobini vodonika leži dragocjena zapetljanost i sićušno, veličine atoma, Schrodingerovo mače. Zaista, dok ne postavimo odgovarajuće eksperimente i izmjerimo projekcije spina čestica, ne znamo da li proton rotira udesno ili ulijevo. Isto možemo reći i za elektron. Međutim, ono što pouzdano znamo je da ako se elektron rotira suprotno od kazaljke na satu, onda se proton rotira duž njega, i obrnuto.

U svom čuvenom radu iz 1935. A. Einstein, B. Podolsky i N. Rosen ukazali su na nedostatke kvantne teorije, koja operiše s takvim zapletenim stanjima (nazivaju se EPR parovi prema prvim slovima imena autora knjige). članak), posebno, što dovodi do očigledne kontradikcije sa teorijom relativnosti i paradoksalnog narušavanja uzročno-posledičnih veza. Ali o ovome već u.

A ovako neki umjetnici zamišljaju kvantnu isprepletenost...