Schrödingerov paradoks mačke. Objašnjenje značenja. Američki fizičar riješio je Schrödingerov paradoks mačke

Iako planetarni model atom je dokazao svoju vrijednost, teorija koja je postojala u to vrijeme nije mogla u potpunosti objasniti sve procese, koji su uočeni u pravi zivot. Pokazalo se da u stvarnosti, iz nekog razloga, klasična Njutnova mehanika ne funkcioniše na mikro nivou. One. model prototipa, pozajmljen iz stvarnog života, ne odgovara zapažanjima naučnika tog vremena u slučaju razmatranja atoma umjesto našeg Sunčevog sistema.

Na osnovu toga, koncept je značajno redizajniran. Postojala je takva disciplina kao kvantna mehanika. Počeci ovog pravca bili su izvanredni fizičar Erwin Schrödinger.

Koncept superpozicije

Glavni princip koji razlikuje nova teorija, je princip superpozicije. Prema ovom principu, kvant (elektron, foton ili proton) može biti u dva stanja u isto vrijeme. Ako olakšati razumevanje ovom formulacijom, dobijamo činjenicu koju je potpuno nemoguće zamisliti u našim umovima. Kvant može biti na dva mjesta u isto vrijeme.

U vrijeme svoje pojave, ova teorija je bila u suprotnosti ne samo s klasičnom mehanikom, već i sa zdrav razum. Čak i sada obrazovana osoba daleko od fizike teško može zamisliti takvu situaciju. Na kraju krajeva, ovo shvatanje na kraju podrazumeva da on sam čitalac može biti tu i tamo sada. Upravo na taj način čovjek pokušava zamisliti prijelaz iz makrosvijeta u mikrosvijet.

Za osobu koja je navikla da iskusi djelovanje Njutnove mehanike i da sebe sagleda u jednoj tački u prostoru, bilo je izuzetno teško zamisliti da se nalazi na dva mjesta odjednom. osim toga, nije bilo teorije ili obrazaca kao takvih tokom prelaska sa makro na mikro. Nije bilo razumijevanja konkretnog numeričke vrijednosti i pravila.

Kako god, instrumenti tog vremena omogućili su da se jasno zabilježi ova "kvantna disonanca". Laboratorijski instrumenti su potvrdili da su formulisani postulati zaista konzistentni i da je kvant sposoban da bude u dva stanja. Na primjer, otkriven je elektronski plin oko jezgra atoma.

Na osnovu ovoga, Schrödinger je formulirao poznati koncept koji je danas poznat kao teorija mačaka. Svrha ove formulacije je bila da pokaže da u klasična teorija fizike, nastala je ogromna praznina koja zahtijeva dodatno proučavanje.

Shroedingerova mačka

Misaoni eksperiment o mački bio je to mačka je stavljena u zatvorenu čeličnu kutiju. Kutija je bila opremljena uređaj sa otrovni gas i uređaj sa jezgrom atoma.

Na osnovu poznatih postulata, jezgro atoma može se raspasti na komponente u roku od jednog sata, ali se ne može raspasti. Shodno tome, vjerovatnoća ovog događaja je 50%.

Ako se jezgro raspadne, tada se aktivira kontrarekorder i kao odgovor na ovaj događaj dolazi do oslobađanja toksična supstanca od prethodno opisanog uređaja kojim je kutija opremljena. One. mačka umire od otrova. Ako se to ne dogodi, mačka neće umrijeti. Na osnovu 50% šanse za propadanje, mačka ima 50% šanse da preživi.

Na osnovu i kvantna teorija, atom može biti u dva stanja odjednom. One. atom se i raspao i nije se raspao. To znači da je diktafon radio, razbio posudu sa otrovom i nije se raspao. Mačka je bila otrovana otrovom, a mačka nije bila otrovana otrovom u isto vrijeme.

Ali jednostavno je nemoguće zamisliti takvu sliku da je prilikom otvaranja kutije istraživač otkrio i mrtvu i živu mačku. Mačka je ili živa ili mrtva. Ovo je paradoks situacije. Nemoguće je za svest gledaoca da zamisli mrtvu-živu mačku.

Paradoks je to mačka je objekat makrokosmosa. Shodno tome, reći za njega da je živ i mrtav, tj. je u dva stanja odjednom, slično kvantu, neće biti sasvim ispravno.

Koristeći ovaj primjer, Schrödinger se posebno koncentrisao na činjenicu da ne postoje jasne paralele između makro- i mikrosvijeta. Naknadni komentari stručnjaka objašnjavaju da treba uzeti u obzir sistem detektor zračenja-mačka, a ne sistem mačka-gledač. U sistemu detektor-mačka, verovatan je samo jedan događaj.

Članak opisuje šta je Schrödingerova teorija. Doprinos ovog velikog naučnika moderna nauka, a također opisuje misaoni eksperiment koji je izmislio o mački. Ukratko je prikazan obim primjene ove vrste znanja.

Erwin Schrödinger

Zloglasna mačka, koja nije ni živa ni mrtva, sada se svuda koristi. O njemu se snimaju filmovi, po njemu se zovu zajednice o fizici i životinjama, postoji čak i brend odjeće. Ali najčešće ljudi misle na paradoks sa nesretnom mačkom. Ali ljudi obično zaborave na njegovog tvorca, Erwina Schrödingera. Rođen je u Beču, koji je tada bio u sastavu Austro-Ugarske. Bio je potomak veoma obrazovane i bogate porodice. Njegov otac, Rudolf, proizvodio je linoleum i ulagao novac, između ostalog, u nauku. Njegova majka je bila ćerka hemičara, a Ervin je često išao da sluša predavanja svog dede na akademiji.

Pošto je jedna od naučnikovih baka bila Engleskinja, zanimalo ga je strani jezici i savršeno savladao engleski. Nije iznenađujuće što je u školi Schrödinger svake godine bio najbolji u razredu, a na fakultetu najbolji kompleksna pitanja. Nauka ranog dvadesetog veka već je identifikovala nedoslednosti između razumljivije klasične fizike i ponašanja čestica u mikro- i nanosvetu. Uložio sam sve svoje snage u rješavanje nastalih kontradikcija

Doprinos nauci

Za početak, vrijedi reći da je ovaj fizičar bio uključen u mnoga područja nauke. Međutim, kada kažemo "Schrödingerova teorija", ne mislimo na matematički harmoničan opis boje koju je stvorio, već na njegov doprinos kvantnoj mehanici. U to vrijeme tehnologija, eksperiment i teorija išli su ruku pod ruku. Razvila se fotografija, snimljeni su prvi spektri i otkriven je fenomen radioaktivnosti. Naučnici koji su dobili rezultate blisko su sarađivali sa teoretičarima: slagali su se, dopunjavali jedni druge i raspravljali. Stvorene su nove škole i grane nauke. Svijet je počeo blistati potpuno drugačijim bojama, a čovječanstvo je dobilo nove misterije. Uprkos složenosti matematičkog aparata, da se opiše šta je Schrödingerova teorija, jednostavnim jezikom Može.

Kvantni svijet je lak!

Sada je dobro poznato da veličina objekata koji se proučavaju direktno utiče na rezultate. Vidljivo oku objekti su podložni konceptima klasične fizike. Schrödingerova teorija je primjenjiva na tijela dimenzija sto puta sto nanometara i manja. I to najčešće mi pričamo o tome općenito o pojedinačnim atomima i manjim česticama. Dakle, svaki element mikrosistema istovremeno ima svojstva i čestice i talasa (dualnost talas-čestica). Od materijalnog sveta Elektroni, protoni, neutroni itd. imaju masu i pripadajuću inerciju, brzinu i ubrzanje. Od teoretskog talasa - parametri kao što su frekvencija i rezonancija. Da bi shvatili kako je to istovremeno moguće i zašto su oni međusobno neodvojivi, naučnici su morali da preispitaju svoje cjelokupno razumijevanje strukture supstanci.

Schrödingerova teorija implicira da su, matematički, ova dva svojstva povezana kroz konstrukciju koja se zove valna funkcija. Pronalaženje matematičkog opisa ovog koncepta donijelo je Schrödingera nobelova nagrada. Međutim, fizičko značenje koje mu je autor pridavao nije se poklapalo s idejama Bohra, Sommerfelda, Heisenberga i Einsteina, koji su utemeljili takozvanu kopenhašku interpretaciju. Tu je nastao "mačji paradoks".

Talasna funkcija

Kada je u pitanju mikrokosmos elementarne čestice, koncepti svojstveni makroskali gube svoje značenje: masa, zapremina, brzina, veličina. I nestabilne vjerovatnoće dolaze same po sebi. Objekte ove veličine ljudi ne mogu uhvatiti - ljudima su dostupni samo indirektni načini proučavanja. Na primjer, svjetlosne pruge na osjetljivom ekranu ili filmu, broj klikova, debljina filma koji se prska. Sve ostalo je oblast proračuna.

Schrödingerova teorija zasniva se na jednačinama koje je ovaj naučnik izveo. A njihova sastavna komponenta je valna funkcija. Jasno opisuje vrstu i kvantna svojstvačestica koja se proučava. Vjeruje se da pokazuje stanje, na primjer, elektrona. Međutim, on sam, suprotno zamisli njegovog autora, nema fizičko značenje. To je samo zgodan matematički alat. Budući da naš članak opisuje Schrödingerovu teoriju jednostavnim riječima, recimo da je kvadrat valna funkcija opisuje vjerovatnoću pronalaženja sistema u unaprijed određenom stanju.

Mačka kao primjer makro objekta

Sam autor se do kraja života nije slagao sa ovim tumačenjem, koje se zove Kopenhaška interpretacija. Bio je zgrožen nedorečenošću koncepta vjerovatnoće i insistirao je na jasnoći same funkcije, a ne njenog kvadrata.

Kao primjer nedosljednosti takvih ideja, on je tvrdio da bi u ovom slučaju mikrosvijet utjecao na makro objekte. Teorija ide ovako: ako živi organizam (na primjer, mačku) i kapsulu s otrovnim plinom stavite u zatvorenu kutiju, koja se otvara ako se određeni radioaktivni element raspadne, a ostaje zatvorena ako ne dođe do raspadanja, tada prije otvaranja kutije dobijamo paradoks. Prema kvantnim konceptima, atom radioaktivnog elementa će se raspasti sa određenom vjerovatnoćom tokom određenog vremenskog perioda. Dakle, prije eksperimentalne detekcije, atom je netaknut i netaknut. I, kako kaže Schrödingerova teorija, za isti postotak vjerovatnoće mačka je i mrtva i inače živa. Što je, vidite, apsurdno, jer kada otvorimo kutiju, naći ćemo samo jedno stanje životinje. A u zatvorenom kontejneru, pored smrtonosne kapsule, mačka je ili mrtva ili živa, jer su ti pokazatelji diskretni i ne podrazumijevaju međuopcije.

Postoji specifično, ali još ne u potpunosti dokazano, objašnjenje za ovaj fenomen: u nedostatku vremenskih uvjeta za određivanje specifičnog stanja hipotetičke mačke, ovaj eksperiment je nesumnjivo paradoksalan. Međutim, kvantnomehanička pravila se ne mogu koristiti za makro objekte. Još uvijek nije bilo moguće precizno povući granicu između mikrosvijeta i običnog. Međutim, životinja veličine mačke je nesumnjivo makro objekat.

Primjena kvantne mehanike

Kao i kod svakog, čak i teorijskog, fenomena, postavlja se pitanje kako Schrödingerova mačka može biti korisna. Teorija veliki prasak, na primjer, zasniva se upravo na procesima koji se odnose na ovo misaoni eksperiment. Sve što se odnosi na ultra-velike brzine, ultra-malu strukturu materije i proučavanje svemira kao takvog objašnjava se, između ostalog, kvantnom mehanikom.

Može li mačka biti i živa i mrtva u isto vrijeme? Koliko postoji paralelnih univerzuma? I da li uopšte postoje? Ovo uopće nisu naučnofantastična pitanja, već vrlo stvarna. naučni problemi, riješen kvantnom fizikom.

Pa počnimo sa Schrödingerova mačka. Ovo je misaoni eksperiment koji je predložio Erwin Schrödinger da ukaže na paradoks koji postoji u kvantnoj fizici. Suština eksperimenta je sljedeća.

IN zatvorena kutija Istovremeno se postavlja zamišljena mačka, kao i isti zamišljeni mehanizam sa radioaktivnim jezgrom i posudom s otrovnim plinom. Prema eksperimentu, ako se jezgro raspadne, aktivirat će se mehanizam: spremnik s plinom će se otvoriti i mačka će umrijeti. Vjerovatnoća nuklearnog raspada je 1 prema 2.

Paradoks je da, prema kvantnoj mehanici, ako se jezgro ne posmatra, onda je mačka u takozvanoj superpoziciji, drugim rečima, mačka je istovremeno u međusobno isključivim stanjima (i živa je i mrtva). Međutim, ako posmatrač otvori kutiju, može potvrditi da je mačka u jednom određenom stanju: ili je živa ili mrtva. Prema Schrödingeru, nedovršenost kvantne teorije leži u činjenici da ona ne precizira pod kojim uvjetima mačka prestaje biti u superpoziciji i ispada ili živa ili mrtva.

Ovaj paradoks je pojačan Wignerovim eksperimentom, koji dodaje kategoriju prijatelja već postojećem misaonom eksperimentu. Prema Wigneru, kada eksperimentator otvori kutiju, znat će da li je mačka živa ili mrtva. Za eksperimentatora mačka prestaje biti u superpoziciji, ali za prijatelja koji je iza vrata, a koji još ne zna za rezultate eksperimenta, mačka je još uvijek negdje “između života i smrti”. Ovo se može nastaviti s beskonačnim brojem vrata i prijatelja, a po sličnoj logici, mačka će biti u superpoziciji sve dok svi ljudi u Univerzumu ne saznaju šta je eksperimentator vidio kada je otvorio kutiju.

Kako kvantna fizika objašnjava takav paradoks? Kvantna fizika predlaže misaoni eksperiment kvantno samoubistvo i dva moguće opcije razvoj događaja zasnovan na različitim interpretacijama kvantna mehanika.

U misaonom eksperimentu, pištolj je uperen u sudionika i ili će pucati kao rezultat raspada radioaktivnog atoma ili neće. Opet, 50 prema 50. Dakle, učesnik eksperimenta će ili umrijeti ili ne, ali je za sada, poput Schrödingerove mačke, u superpoziciji.

Ova situacija se može tumačiti na različite načine sa stanovišta kvantne mehanike. Prema Kopenhaška interpretacija, pištolj će prije ili kasnije opaliti i učesnik će umrijeti. Prema Everettovoj interpretaciji, superpozicija predviđa prisustvo dva paralelna univerzuma u kojima učesnik istovremeno postoji: u jednom od njih je živ (pištolj nije pucao), u drugom je mrtav (pucao je pištolj). Međutim, ako je interpretacija više svjetova tačna, onda u jednom od univerzuma učesnik uvijek ostaje živ, što dovodi do ideje o postojanju "kvantne besmrtnosti".

Što se tiče Schrödingerove mačke i posmatrača eksperimenta, onda se, prema Everettovoj interpretaciji, i on nalazi u dva Univerzuma odjednom, odnosno u „kvantnom jeziku“, „zapetljanim“ s njim.

Ovo zvuči kao priča iz naučnofantastičnog romana, ali je jedna od mnogih... naučne teorije, koji se odvija u modernoj fizici.

Schrödingerova mačka je poznati misaoni eksperiment. Režirali su ga slavni Nobelovac u oblasti fizike - austrijski naučnik Erwin Rudolf Joseph Alexander Schrödinger.

Suština eksperimenta je bila sljedeća. IN zatvorena komora(kutija) mačka je stavljena. Kutija je opremljena mehanizmom koji sadrži radioaktivno jezgro i otrovni plin. Parametri su odabrani tako da je vjerovatnoća nuklearnog raspada u jednom satu tačno pedeset posto. Ako se jezgro raspadne, mehanizam će se aktivirati i otvoriće se kontejner sa otrovnim gasom. Stoga će Schrödingerova mačka umrijeti.

Prema zakonima, ako ne posmatrate jezgro, tada će njegova stanja biti opisana sa dva glavna stanja - raspadnutim i neraspadnutim jezgrom. I tu nastaje paradoks: Schrödingerova mačka, koja sjedi u kutiji, može biti i mrtva i živa u isto vrijeme. Ali ako se kutija otvori, eksperimentator će vidjeti samo jedno specifično stanje. Ili „jezgro se raspalo i mačka je mrtva“, ili „jezgro se nije raspalo i Schrödingerova mačka je živa“.

Logično, na izlazu ćemo imati jednu od dvije stvari: ili živu mačku ili mrtvu. Ali potencijalno je životinja u oba stanja odjednom. Schrödinger je na ovaj način pokušao dokazati svoje mišljenje o ograničenjima kvantne mehanike.

Prema tumačenju iz Kopenhagena i posebno ovom eksperimentu, mačka u jednoj od svojih potencijalnih faza (mrtvo-živa) stječe ova svojstva tek nakon što vanjski promatrač interveniše u proces. Ali dok ovaj posmatrač nije tu (ovde mislimo na prisustvo određene ličnosti koja ima prednosti jasnoće vida i svesti), mačka će biti u limbu „između života i smrti“.

Čuvena antička parabola da mačka sama hoda poprima nove, zanimljive nijanse u kontekstu ovog eksperimenta.

Prema Everettu, koji se značajno razlikuje od klasičnog kopenhagenskog, proces posmatranja se ne smatra nečim posebnim. U ovoj interpretaciji mogu postojati obje tvrdnje da Schrödingerova mačka može biti. Ali oni se dekoheriraju jedno s drugim. To znači da će jedinstvo ovih država biti narušeno upravo kao rezultat interakcije sa vanjski svijet. Posmatrač koji otvara kutiju unosi razdor u stanje mačke.

Postoji mišljenje da posljednju riječ u ovom pitanju treba ostaviti takvom stvorenju kao što je Schrödingerova mačka. Smisao takvog mišljenja je prihvatanje činjenice da je u cijelom ovom eksperimentu životinja jedini apsolutno kompetentan promatrač. Na primjer, naučnici Max Tegmark, Bruno Marshall i Hans Moraven predstavili su modifikaciju gornjeg eksperimenta, gdje je glavna tačka gledišta mišljenje mačke. U ovom slučaju, Schrödingerova mačka nesumnjivo preživljava, jer samo preživjela mačka može promatrati rezultate. Ali naučnik Nadav Katz objavio je svoje rezultate u kojima je uspio "vratiti" stanje čestice nakon promjene stanja. Tako se šanse mačke za preživljavanje značajno povećavaju.

Mnogi ljudi su čuli zagonetku o mačku koji je, kada je ušao u kutiju, bio u nekoliko stanja odjednom i nije bio ni mrtav ni živ u isto vrijeme. Većina nas je čula za poklon sa nesretnom mačkom, ali ne i za naučnika koji ga je izmislio. Tvorac zagonetke je naučnik iz Beča Erwin Schrödinger.

Schrödinger je rođen u tadašnjoj Austro-Ugarskoj u bogatoj porodici. Ervinov otac je podsticao nauku, a njegov deda majčinoj liniji bio hemičar. Naučnik je dobro učio u školi i počeo je razmišljati o ozbiljnim pitanjima fizike kao student. U to vrijeme naučnici su proučavali ponašanje tada otkrivenih elementarnih čestica i pokušavali da objasne zašto se njihovo ponašanje ne može opisati zakonima klasične fizike. Mnogi teoretičari su učestvovali u diskusijama, sporovima, postavljali različite hipoteze, itd. Schrödinger je predložio svoju viziju prirode elektromagnetnih talasa opisujući ih složena jednačina. Iako matematičko objašnjenje zahtijeva zapisivanje složene funkcije, Schrödingerova teorija se također može objasniti jednostavnim riječima.

Suština Schrödingerove teorije

Danas je poznato da se samo ponašanje makroskopskih objekata može opisati zakonima klasične fizike, a oni koji nisu vidljivi golim okom im uopće ne podliježu. Teorija naučnika može se primijeniti samo na one objekte čije su dimenzije usporedive s veličinama molekula, atoma, pa čak i takvih elementarnih čestica kao što su elektroni, protoni i drugi.

On je sugerisao da male čestice imaju dva svojstva istovremeno: materiju (masa, proširenje, brzina) i talase (amplituda, frekvencija, itd.). U početku je bilo teško zamisliti zašto se to dešava. Stoga su sva učenja Njutnove klasične mehanike morala biti odbačena. Schrödinger je vjerovao da se uz pomoć matematike neraskidivi odnos može objasniti pisanjem. Sa matematičke tačke gledišta, naučnik je bio u pravu, ali se pokazalo da je njegovo objašnjenje odnosa kao fizičara netačno. Fizičari poput Heisenberga, Bohra, Einsteina i Sommerfelda opovrgnuli su njegovo mišljenje. Odatle potječe poznata zagonetka o mački.

Percepcija mikrosvijeta

Čestice koje čine atom i sami atomi su toliko male da nemamo priliku empirijski procijeniti njihovu masu, zapreminu, brzinu itd. fizički parametri. Naučnici mogu samo snimiti svjetlosne pruge i promjene na posebnom osjetljivom filmu i pomoću proračuna odrediti karakteristike mikro-objekata.

Pomoću matematičke funkcije možete opisati stanje čestice, ali to je samo matematički alat, lišen fizičkog značenja. Koristeći kvadratnu valnu funkciju, može se odrediti samo vjerovatnoća s kojom će se mikroelement pojaviti u volumenu prostora dobivenom iz diferencijalnih vrijednosti koordinata. Ovo je jedini način da se jednostavnim riječima otkrije suština Schrödingerove teorije kako su je vidjeli naučnici poput Ajnštajna, Hajzenberga i drugih.

Schrödingerova mačka jednostavnim riječima

Sam naučnik se stalno svađao, ne prepoznajući nijednu drugu ideju o svojoj jednadžbi. Vjerovao je da je ona, kako je izvedena, sasvim jasna, a sam koncept vjerovatnoće vrlo nejasan. Po njegovom mišljenju, mikro-objekti bi imali uticaj na makrokosmos da je sve onako kako su verovali naučnici koji se s njim ne slažu. Kao vizuelno objašnjenje svoje ispravnosti, dao je primer sa mačkom i kutijom čiji zidovi ne dozvoljavaju da vidite i čujete šta se u njoj dešava.

Ova kutija sadrži samouništavajuću kapsulu sa otrovom i samo jedan atom radioaktivnog elementa. Vjerovatnoća da se atom raspadne za 1 sat je 50%. U slučaju propadanja, aktivira se senzor koji pokreće mehanizam dizajniran da uništi bocu. Ali, pošto je moguće saznati da li je do raspada atoma došlo samo eksperimentalno, da li ovaj proces, ili ne, nemoguće je znati. Takođe je nemoguće sa sigurnošću reći da li je mačka umrla ili je ostala živa. Shodno tome, prije otvaranja kutije može se reći da je živ i mrtav u isto vrijeme, a nakon otvaranja može se sa sigurnošću reći da li se dogodila jedna od dvije mogućnosti. Budući da za mačku ne postoji drugo stanje osim mrtve ili žive, nedosljednost kvantne teorije je jasno pokazana. Stoga je u budućnosti kvantna nauka uspostavila neka pravila za njenu primjenjivost. Za kraj, video o Schrödingerovoj mački.