Paradoks Schrödingerove mačke. Objašnjenje značenja. Američki fizičar rješava Schrödingerov paradoks mačke
Unatoč činjenici da 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. prototip modela, pozajmljen iz stvarnog života, ne odgovara zapažanjima naučnika tog vremena u slučaju razmatranja atoma umjesto našeg Sunčevog sistema.
Na osnovu toga, koncept je značajno revidiran. Postoji disciplina kao kvantna mehanika. Izuzetni fizičar Erwin Schrödinger stajao je na početku ovog trenda.
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 a olakšati razumevanje ovu formulaciju, onda 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. Uostalom, ovo shvatanje, na kraju krajeva, implicira da on sam čitalac može biti sada i tu i tamo. Ovako čovjek pokušava zamisliti prijelaz iz makrokosmosa u mikrokosmos.
Osobi koja je navikla da doživljava djelovanje Njutnove mehanike i sebe u jednoj tački prostora bilo je izuzetno teško biti na dva mjesta odjednom. osim toga, kao takva, nije bilo teorije i obrazaca u prelasku sa makro na mikro. Nije bilo razumijevanja konkretnog numeričke vrijednosti i pravila.
Kako god, uređaji tog vremena već su omogućili da se jasno popravi ova "kvantna disonanca". Laboratorijski uređaji su potvrdili da su formulisani postulati zaista konzistentni i da je kvant sposoban da bude u dva stanja. Na primjer, elektronski plin je zabilježen oko jezgra atoma.
Na osnovu ovoga, Schrödinger je formulirao poznati koncept koji je danas poznat kao teorija mačaka.. Svrha ove formulacije je bila da to pokaže 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 dobro 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 proturegistrator i kao odgovor na ovaj događaj dolazi do oslobađanja otrovna supstanca od prethodno opisanog uređaja, koji je opremljen kutijom. One. mačka umire od otrova. Ako se to ne dogodi, mačka ne umire, odnosno. Na osnovu 50% šanse za propadanje, postoji 50% šanse da mačka preživi.
Proceeding and kvantna teorija, Atom može biti u dva stanja odjednom. One. atom se i raspao i nije se raspao. To znači da je matičar radio, razbio posudu sa otrovom, a nije se raspao. Mačka je bila otrovana otrovom, a mačka nije bila otrovana otrovom u isto vrijeme.
Ali zamisliti takvu sliku da je otvarajući kutiju istraživač odmah pronašao mrtvu i živu mačku jednostavno je nemoguće. Mačka je ili živa ili mrtva. Ovo je paradoks situacije. Nemoguće je za um 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 koncentrisao upravo na činjenicu da ne postoje jasne paralele između makro- i mikrosvijeta.. Naknadni komentari koje su dali stručnjaci jasno pokazuju da treba uzeti u obzir sistem detektor zračenja-mačka, a ne mačka-gledač. Samo jedan događaj je verovatan u sistemu detektor-mačka.
Članak opisuje što je Schrödingerova teorija. Doprinos ovog velikog naučnika moderna nauka, kao i misaoni eksperiment koji je izmislio o mački. Ukratko je prikazano područje 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, čak postoji i takva marka odjeće. Ali najčešće ljudi misle na paradoks sa nesretnom mačkom. Ali o njegovom tvorcu, Erwinu Schrödingeru, po pravilu zaboravljaju. Rođen je u Beču, koji je tada bio u sastavu Austro-Ugarske. Bio je sin visokoobrazovane i bogate porodice. Njegov otac, Rudolf, proizvodio je linoleum i ulagao novac u nauku. Njegova majka je bila ćerka hemičara, a Ervin je često išao da sluša predavanja svog dede na akademiji.
Budući da je jedna od baka naučnika bila Engleskinja, od djetinjstva ga je zanimalo strani jezici i tečno je govorio engleski. Nije iznenađujuće što je u školi Schrödinger svake godine bio najbolji u razredu, a na fakultetu je tražio teška pitanja. U nauci s početka dvadesetog stoljeća već su otkrivene nedosljednosti između razumljivije klasične fizike i ponašanja čestica u mikro- i nanosvijetu. Na rješavanje novonastalih proturječnosti bacio je svu svoju snagu
Doprinos nauci
Za početak, vrijedi reći da se ovaj fizičar bavio mnogim područjima nauke. Međutim, kada kažemo "Schrödingerova teorija", ne mislimo na matematički koherentan opis boje koji je on 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 primili rezultate blisko su sarađivali sa teoretičarima: slagali su se, dopunjavali jedni druge i raspravljali. Stvorene su nove škole i grane nauke. Svijet se počeo igrati potpuno drugačijim bojama, a čovječanstvo je dobilo nove misterije. Uprkos složenosti matematičkog aparata, da se opiše šta je Schrödingerova teorija, običan jezik mogu.
Kvantni svijet je lak!
Sada je dobro poznato da veličina proučavanih objekata direktno utiče na rezultate. Vidljivo oku objekti su podložni konceptima klasične fizike. Schrödingerova teorija je primjenjiva na tijela veličine sto puta sto nanometara i manja. I to najčešće mi pričamo općenito o pojedinačnim atomima i manjim česticama. Dakle, svaki element mikrosistema istovremeno ima svojstva i čestice i talasa (čestica-talasni dualizam). Od materijalnog sveta elektroni, protoni, neutroni itd. imaju masu i pripadajuću inerciju, brzinu, ubrzanje. Od teoretskog talasa - parametri kao što su frekvencija i rezonancija. Da bi shvatili kako je to istovremeno moguće i zašto su međusobno neodvojivi, naučnici su trebali preispitati cjelokupnu ideju strukture tvari općenito.
Schrödingerova teorija implicira da su ova dva svojstva matematički 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 pripisivao nije se poklapalo sa idejama Bohra, Sommerfelda, Heisenberga i Einsteina, koji su utemeljili takozvanu Kopenhagensku interpretaciju. Otuda je došao paradoks mačaka.
valna funkcija
Kada je u pitanju mikrokosmos elementarne čestice, gube značenje pojmova svojstvenih makroskalama: masa, zapremina, brzina, veličina. I nestalne vjerovatnoće dolaze same po sebi. Objekte takvih dimenzija čovjek ne može fiksirati - ljudima su dostupni samo indirektni načini proučavanja. Na primjer, svjetlosne pruge na osjetljivom ekranu ili na filmu, broj klikova, debljina prskanog filma. Sve ostalo je oblast proračuna.
Schrödingerova teorija zasniva se na jednačinama koje je ovaj naučnik izveo. A njihova sastavna komponenta je valna funkcija. Nedvosmisleno opisuje tip 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. Pošto naš članak predstavlja Schrödingerovu teoriju jednostavnim riječima, recimo taj kvadrat valna funkcija opisuje vjerovatnoću pronalaženja sistema u unaprijed određenom stanju.
Mačka kao primjer makro objekta
Sa ovakvim tumačenjem, koje se zove Kopenhagen, sam autor se nije slagao do kraja života. Bio je zgrožen nedorečenošću koncepta vjerovatnoće i insistirao je na vidljivosti same funkcije, a ne njenog kvadrata.
Kao primjer nedosljednosti takvih ideja, on je tvrdio da bi u ovom slučaju mikrosvijet utjecao na makroobjekte. Teorija kaže sljedeće: ako se živi organizam (npr. mačka) i kapsula s otrovnim plinom stave u zatvorenu kutiju, koja se otvara ako se određeni radioaktivni element raspadne, a ostaje zatvorena ako ne dođe do raspadanja, tada prije otvarajući kutiju dobijamo paradoks. Prema kvantnim konceptima, atom radioaktivnog elementa će se raspasti sa određenom vjerovatnoćom tokom određenog vremenskog perioda. Dakle, prije eksperimentalnog otkrića, atom je i netaknut i netaknut. I, kako kaže Schrödingerova teorija, po istom stepenu vjerovatnoće, mačka je i mrtva i inače živa. Što je, vidite, apsurdno, jer, otvorivši kutiju, naći ćemo samo jedno stanje životinje. A u zatvorenom kontejneru, pored smrtonosne kapsule, mačka je ili mrtva ili živa, jer su ovi pokazatelji diskretni i ne podrazumijevaju međuopcije.
Postoji konkretno, 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 makroobjekte. Još uvijek nije bilo moguće povući preciznu liniju između mikrokosmosa i običnog. Ipak, životinja veličine mačke je, bez sumnje, makro objekat.
Primjena kvantne mehanike
Što se tiče bilo kojeg, 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, proučavanje svemira kao takvog, objašnjava se, između ostalog, kvantnom mehanikom.
Može li mačka biti živa i mrtva u isto vrijeme? Koliko ih postoji paralelnih univerzuma? I da li uopšte postoje? Ovo uopće nisu pitanja iz sfere fantazije, već sasvim stvarna. naučni zadaci rješava kvantna fizika.
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.
AT 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, to će pokrenuti mehanizam: spremnik za plin će se otvoriti i mačka će umrijeti. Vjerovatnoća nuklearnog raspada je 1 do 2.
Paradoks leži u činjenici 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 biti siguran 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 pogoršan Wignerovim eksperimentom, koji već postojećem misaonom eksperimentu dodaje kategoriju prijatelja. 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 pred vratima, 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 prema sličnoj logici, mačka će biti u superpoziciji sve dok svi ljudi u svemiru ne saznaju šta je eksperimentator vidio kada je otvorio kutiju.
Kako kvantna fizika objašnjava takav paradoks? Kvantna fizika nudi misaoni eksperiment kvantno samoubistvo i dva moguće opcije razvoj događaja, zasnovan na različitim interpretacijama kvantna mehanika.
U toku misaonog eksperimenta, u učesnika se uperi pištolj, koji će ili pucati kao rezultat raspada radioaktivnog atoma, ili ne. 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, a učesnik će umrijeti. Prema Everettovoj interpretaciji, superpozicija predviđa postojanje 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 višesvjetska interpretacija ispravna, tada u jednom od svemira sudionik 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 zajedno sa mačkom u dva Univerzuma odjednom, odnosno na "kvantnom jeziku", "zapleten" sa njim.
Zvuči kao priča iz fantastičnog romana, ali je jedna od mnogih. naučne teorije, koji se odvija u modernoj fizici.
Schrödingerova mačka je poznati misaoni eksperiment. Stavio ga je poznati Nobelovac u oblasti fizike - austrijski naučnik Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger.
Suština eksperimenta je bila sljedeća. AT zatvorena ćelija(kutija) postavljena je mačka. 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 promatrate jezgro, tada će njegova stanja biti opisana prema dva glavna stanja - jezgro je raspadnuto i neraspadnuto. 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 "nukleus se nije raspao i Schrödingerova mačka je živa".
Logično, imat ćemo jedan od dva izlaza: ili živu mačku ili mrtvu. Ali u potencijalu životinja je istovremeno u oba stanja. Schrodinger je tako pokušao dokazati svoje mišljenje o ograničenjima kvantne mehanike.
Prema tumačenju iz Kopenhagena, a posebno ovom eksperimentu, mačka u jednoj od svojih potencijalnih faza (mrtvo-živa) stiče ova svojstva tek nakon što se vanjski promatrač umiješa u proces. Ali sve dok ovaj posmatrač nije prisutan (ovo implicira prisustvo određene osobe koja ima vrline jasnoće vida i svijesti), mačka će biti u limbu "između života i smrti".
Čuvena antička parabola o mački koja hoda sama po sebi dobiva nove, zanimljive nijanse u kontekstu ovog eksperimenta.
Prema Everettu, koji se značajno razlikuje od klasičnog kopenhagenskog, proces posmatranja se ne smatra ničim 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 stanja biti narušeno samo kao rezultat interakcije sa vanjski svijet. Posmatrač je taj koji otvara kutiju i unosi razdor u stanje mačke.
Postoji mišljenje da odlučujuću riječ u ovoj stvari treba ostaviti takvom stvorenju kao što je Schrödingerova mačka. Smisao ovog mišljenja je prihvatanje činjenice da je u čitavom datom eksperimentu životinja jedini apsolutno kompetentan posmatrač. Na primjer, naučnici Max Tegmark, Bruno Marshal 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 su čuli zagonetku o mački, koja je, ušavši u kutiju, odmah bila u nekoliko stanja i nije bila ni mrtva ni živa 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 da razmišlja 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 ponudio svoju viziju prirode elektromagnetnih talasa opisujući ih složena jednačina. Čak i ako matematičko objašnjenje zahtijeva zapisivanje složene funkcije, Schrödingerova teorija se također može objasniti jednostavnim riječima.
Suština Schrödingerove teorije
Danas je poznato da se zakonima klasične fizike može opisati samo ponašanje makroskopskih objekata, a oni koji nisu vidljivi golim okom im nikako ne odgovaraju. Teorija naučnika može se primijeniti samo na one objekte čije su dimenzije uporedive s dimenzijama 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, dužina, 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 stanovišta matematike, naučnik se pokazao u pravu, ali se pokazalo da je njegovo objašnjenje odnosa kao fizičara pogrešno. 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 nismo u mogućnosti empirijski procijeniti njihovu masu, zapreminu, brzinu itd. fizički parametri. Naučnici mogu samo snimiti svjetlosne pruge, promjene na posebnom osjetljivom filmu i pomoću proračuna odrediti karakteristike mikro-objekata.
Uz pomoć matematičke funkcije može se opisati stanje čestice, ali to je samo matematički alat, lišen fizičkog značenja. Uz pomoć kvadratne valne funkcije moguće je samo odrediti s kojom će se vjerojatnošću mikroelement nalaziti u volumenu prostora dobivenom iz diferencijalnih vrijednosti koordinata. Samo na taj način se suština Schrödingerove teorije može otkriti jednostavnim riječima, kako su to vidjeli naučnici poput Ajnštajna, Hajzenberga i drugih.
Schrödingerova mačka jednostavnim riječima
Sam naučnik je stalno raspravljao, ne prepoznajući drugačiju ideju svoje jednačine. Smatrao je da je to, kako je zaključeno, prilično ilustrativno, a sam koncept vjerovatnoće je vrlo nejasan. Po njegovom mišljenju, mikro-objekti bi imali uticaj na makrokosmos da je sve onako kako su mislili 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. Pošto za mačku ne postoji drugo stanje osim mrtve ili žive, neuspeh kvantne teorije se jasno pokazao. Stoga je u budućnosti kvantna nauka uspostavila neka pravila za njenu primjenjivost. Za kraj, video o Schrödingerovoj mački.