La paradoja del gato de Schrödinger. Explicación del significado. Un físico estadounidense resolvió la paradoja del gato de Schrödinger

A pesar de modelo planetario El átomo ha demostrado su valía. la teoría existente en ese momento no podía explicar completamente todos los procesos, que se observaron en vida real. Resultó que, en realidad, por alguna razón, la mecánica clásica newtoniana no funciona a nivel micro. Aquellos. El modelo prototipo, tomado de la vida real, no se corresponde con las observaciones de los científicos de la época, si se considera el átomo en lugar de nuestro sistema solar.

En base a esto, el concepto fue rediseñado significativamente. Existía una disciplina como mecánica cuántica. Los orígenes de esta dirección fueron el destacado físico Erwin Schrödinger.

Concepto de superposición

El principio fundamental que distingue nueva teoría, es principio de superposición. Según este principio, un cuanto (electrón, fotón o protón) puede estar en dos estados al mismo tiempo. Si hacer que sea más fácil de entender Con esta formulación, obtenemos un hecho que es completamente imposible de imaginar en nuestra mente. Un cuanto puede estar en dos lugares al mismo tiempo.

En el momento de su aparición, esta teoría contradecía no sólo la mecánica clásica, sino también sentido común. Incluso ahora, una persona educada y alejada de la física difícilmente puede imaginar una situación así. Después de todo, esta comprensión implica en última instancia que él mismo el lector puede estar aquí y allá ahora. Así es exactamente como una persona intenta imaginar la transición del macromundo al micromundo.

Para una persona que estaba acostumbrada a experimentar la acción de la mecánica newtoniana y percibirse a sí misma en un punto del espacio, era extremadamente difícil imaginarse estar en dos lugares a la vez. Además, No hubo teoría ni patrones como tales durante la transición de lo macro a lo micro.. No había comprensión de aspectos específicos. valores numéricos y reglas.

Sin embargo, los instrumentos de esa época permitieron registrar claramente esta “disonancia cuántica”. Los instrumentos de laboratorio confirmaron que los postulados formulados son efectivamente consistentes y que el cuanto es capaz de estar en dos estados. Por ejemplo, se detectó gas de electrones alrededor del núcleo de un átomo.

Basado en esto, Schrödinger formuló un famoso concepto que ahora se conoce como la teoría del gato.. El propósito de esta formulación fue mostrar que en teoría clásica física, se ha formado una enorme brecha que requiere estudios adicionales.

El gato de Shroedinger

El experimento mental sobre el gato fue que El gato fue colocado en una caja de acero cerrada.. La caja estaba equipada dispositivo con gas venenoso y un dispositivo con el núcleo de un átomo..

Según postulados conocidos, el núcleo de un átomo puede desintegrarse en componentes dentro de una hora, pero no puede desintegrarse. En consecuencia, la probabilidad de que ocurra este evento es del 50%.

Si el núcleo se desintegra, se activa el contador y, en respuesta a este evento, se produce una liberación. Sustancia tóxica del dispositivo anteriormente descrito con el que está equipada la caja. Aquellos. el gato muere por veneno. Si esto no sucede, el gato no muere en consecuencia. Basado en un 50% de posibilidades de pudrirse, el gato tiene un 50% de posibilidades de sobrevivir.

Basado en y Teoría cuántica, un átomo puede estar en dos estados a la vez. Aquellos. el átomo se desintegró y no se desintegró. Esto significa que la grabadora funcionó, rompió el recipiente con veneno y no se desintegró. El gato fue envenenado con veneno y el gato no fue envenenado con veneno al mismo tiempo.

Pero es simplemente imposible imaginar una imagen así: al abrir la caja, el investigador encontró un gato vivo y otro muerto. El gato está vivo o muerto. Ésta es la paradoja de la situación. Es imposible para la conciencia del espectador imaginar un gato muerto.

La paradoja es que el gato es un objeto del macrocosmos. En consecuencia, decir de él que está vivo y muerto, es decir. está en dos estados a la vez, similar a un cuanto, no será del todo correcto.

Usando este ejemplo, Schrödinger se centró específicamente en el hecho de que no existen paralelos claros entre el macromundo y el micromundo.. Los comentarios posteriores de los expertos explican que se debe considerar un sistema gato-detector de radiación, no un sistema gato-espectador. En un sistema detector-gato, sólo es probable que haya un evento.

El artículo describe cuál es la teoría de Schrödinger. La contribución de este gran científico a ciencia moderna, y también describe un experimento mental que inventó sobre un gato. Se describe brevemente el ámbito de aplicación de este tipo de conocimiento.

Erwin Schrodinger

El famoso gato, que no está ni vivo ni muerto, se utiliza ahora en todas partes. Se hacen películas sobre él, comunidades sobre física y animales llevan su nombre, incluso hay una marca de ropa. Pero la mayoría de las veces la gente se refiere a la paradoja del gato desafortunado. Pero la gente suele olvidarse de su creador, Erwin Schrödinger. Nació en Viena, que entonces formaba parte de Austria-Hungría. Era descendiente de una familia muy educada y rica. Su padre Rudolf producía linóleo e invertía dinero, entre otras cosas, en la ciencia. Su madre era hija de un químico y Erwin iba a menudo a escuchar las conferencias de su abuelo en la academia.

Como una de las abuelas del científico era inglesa, él estaba interesado en idiomas extranjeros y dominaba el inglés a la perfección. No es de extrañar que en la escuela Schrödinger fuera el mejor de su clase cada año y en la universidad fuera el mejor. cuestiones complejas. La ciencia de principios del siglo XX ya había identificado inconsistencias entre la física clásica más comprensible y el comportamiento de las partículas en el micro y nanomundo. Puse todas mis fuerzas en resolver las contradicciones emergentes.

Contribución a la ciencia

Para empezar, vale la pena decir que este físico estuvo involucrado en muchas áreas de la ciencia. Sin embargo, cuando decimos "teoría de Schrödinger", no nos referimos a la descripción matemáticamente armoniosa del color que creó, sino a su contribución a la mecánica cuántica. En aquella época, la tecnología, la experimentación y la teoría iban de la mano. Se revelaron las fotografías, se registraron los primeros espectros y se descubrió el fenómeno de la radiactividad. Los científicos que obtuvieron los resultados interactuaron estrechamente con los teóricos: coincidieron, se complementaron y discutieron. Se crearon nuevas escuelas y ramas de la ciencia. El mundo empezó a brillar con colores completamente diferentes y la humanidad recibió nuevos misterios. A pesar de la complejidad del aparato matemático, para describir qué es la teoría de Schrödinger, en lenguaje sencillo Poder.

¡El mundo cuántico es fácil!

Ahora es bien sabido que la escala de los objetos estudiados afecta directamente a los resultados. Visible a los ojos Los objetos están sujetos a los conceptos de la física clásica. La teoría de Schrödinger es aplicable a cuerpos que miden cien por cien nanómetros o menos. Y la mayoría de las veces estamos hablando acerca de en general sobre átomos individuales y partículas más pequeñas. Entonces, cada elemento de los microsistemas tiene simultáneamente las propiedades tanto de una partícula como de una onda (dualidad onda-partícula). De mundo material Los electrones, protones, neutrones, etc. tienen masa y están asociadas con inercia, velocidad y aceleración. De la onda teórica: parámetros como la frecuencia y la resonancia. Para comprender cómo esto es posible al mismo tiempo y por qué son inseparables entre sí, los científicos tuvieron que reconsiderar toda su comprensión de la estructura de las sustancias.

La teoría de Schrödinger implica que, matemáticamente, estas dos propiedades están relacionadas a través de una construcción llamada función de onda. Encontrar una descripción matemática de este concepto llevó a Schrödinger premio Nobel. Sin embargo, el significado físico que le atribuyó el autor no coincidía con las ideas de Bohr, Sommerfeld, Heisenberg y Einstein, quienes fundaron la llamada interpretación de Copenhague. Aquí surgió la “paradoja del gato”.

Función de onda

Cuando se trata de microcosmos partículas elementales, los conceptos inherentes a las macroescalas pierden su significado: masa, volumen, velocidad, tamaño. Y las probabilidades inestables se hacen realidad. Los objetos de este tamaño son imposibles de registrar para los humanos: las personas sólo disponen de métodos de estudio indirectos. Por ejemplo, las franjas de luz en una pantalla o película sensible, el número de clics, el grosor de la película que se rocía. Todo lo demás es área de cálculo.

La teoría de Schrödinger se basa en las ecuaciones que derivó este científico. Y su componente integral es la función de onda. Describe claramente el tipo y propiedades cuánticas la partícula en estudio. Se cree que muestra el estado de, por ejemplo, un electrón. Sin embargo, él mismo, contrariamente a las ideas de su autor, no tiene ningún significado físico. Es simplemente una herramienta matemática conveniente. Dado que nuestro artículo describe la teoría de Schrödinger en palabras simples, digamos que es un cuadrado función de onda describe la probabilidad de encontrar un sistema en un estado predeterminado.

Gato como ejemplo de un objeto macro.

El propio autor no estuvo de acuerdo con esta interpretación, que se llama interpretación de Copenhague, hasta el final de su vida. Le disgustaba la vaguedad del concepto de probabilidad e insistía en la claridad de la función misma, y ​​no de su cuadrado.

Como ejemplo de la inconsistencia de tales ideas, argumentó que en este caso el micromundo influiría en los macroobjetos. La teoría es la siguiente: si colocas un organismo vivo (por ejemplo, un gato) y una cápsula con un gas venenoso en una caja sellada, que se abre si un determinado elemento radiactivo se desintegra y permanece cerrada si no se produce la desintegración, entonces Antes de abrir la caja nos encontramos con una paradoja. Según los conceptos cuánticos, un átomo de un elemento radiactivo se desintegrará con cierta probabilidad durante un determinado período de tiempo. Por lo tanto, antes de la detección experimental, el átomo está intacto o no. Y, como dice la teoría de Schrödinger, con el mismo porcentaje de probabilidad el gato está vivo y muerto. Lo cual, como ves, es absurdo, porque al abrir la caja sólo encontraremos un estado del animal. Y en un recipiente cerrado, junto a la cápsula mortal, el gato está vivo o muerto, ya que estos indicadores son discretos y no implican opciones intermedias.

Existe una explicación específica para este fenómeno, pero aún no completamente probada: en ausencia de condiciones límite de tiempo para determinar el estado específico de un hipotético gato, este experimento es sin duda paradójico. Sin embargo, las reglas de la mecánica cuántica no se pueden utilizar para macroobjetos. Hasta ahora no ha sido posible trazar con precisión la frontera entre el micromundo y el ordinario. Sin embargo, un animal del tamaño de un gato es sin duda un macroobjeto.

Aplicación de la mecánica cuántica

Como ocurre con cualquier fenómeno, incluso teórico, surge la pregunta de cómo puede resultar útil el gato de Schrödinger. Teoría Big Bang, por ejemplo, se basa precisamente en los procesos que se relacionan con este experimento mental. Todo lo relacionado con las velocidades ultraaltas, la estructura ultrapequeña de la materia y el estudio del universo como tal se explica, entre otras cosas, por la mecánica cuántica.

¿Puede un gato estar vivo y muerto al mismo tiempo? cuantos existen universos paralelos? ¿Y existen siquiera? Estas no son preguntas de ciencia ficción en absoluto, sino muy reales. problemas científicos, resuelto por física cuántica.

Así que comencemos con El gato de Schrödinger. Este es un experimento mental propuesto por Erwin Schrödinger para señalar una paradoja que existe en la física cuántica. La esencia del experimento es la siguiente.

EN caja cerrada Al mismo tiempo se coloca un gato imaginario, así como el mismo mecanismo imaginario con un núcleo radiactivo y un recipiente con gas venenoso. Según el experimento, si el núcleo se desintegra, se activará el mecanismo: el recipiente de gas se abrirá y el gato morirá. La probabilidad de desintegración nuclear es de 1 entre 2.

La paradoja es que, según la mecánica cuántica, si no se observa el núcleo, entonces el gato se encuentra en la llamada superposición, es decir, el gato se encuentra simultáneamente en estados mutuamente excluyentes (está vivo y muerto). Sin embargo, si el observador abre la caja, puede comprobar que el gato se encuentra en un estado concreto: o está vivo o muerto. Según Schrödinger, lo incompleto de la teoría cuántica radica en el hecho de que no especifica en qué condiciones un gato deja de estar en superposición y resulta estar vivo o muerto.

Esta paradoja se ve agravada por el experimento de Wigner, que añade la categoría de amigos a un experimento mental ya existente. Según Wigner, cuando el experimentador abra la caja sabrá si el gato está vivo o muerto. Para el experimentador, el gato deja de estar en superposición, pero para el amigo que está detrás de la puerta y que aún no conoce los resultados del experimento, el gato todavía se encuentra en algún lugar “entre la vida y la muerte”. Esto puede continuar con un número infinito de puertas y amigos, y según una lógica similar, el gato estará en superposición hasta que todas las personas en el Universo sepan lo que vio el experimentador cuando abrió la caja.

¿Cómo explica la física cuántica tal paradoja? la física cuántica sugiere un experimento mental suicidio cuántico y dos opciones posibles Desarrollo de eventos basados ​​en diferentes interpretaciones. mecánica cuántica.

En un experimento mental, se apunta un arma al participante y disparará como resultado de la desintegración de un átomo radiactivo o no. Nuevamente, 50 a 50. Por lo tanto, el participante en el experimento morirá o no, pero por ahora está, como el gato de Schrödinger, en superposición.

Esta situación puede interpretarse de diferentes formas desde el punto de vista de la mecánica cuántica. De acuerdo a Interpretación de Copenhague, el arma se disparará en el futuro y el participante morirá. Según la interpretación de Everett, la superposición prevé la presencia de dos universos paralelos en los que el participante existe simultáneamente: en uno de ellos está vivo (el arma no disparó), en el segundo está muerto (el arma disparó). Sin embargo, si la interpretación de muchos mundos es correcta, entonces en uno de los universos el participante siempre permanece vivo, lo que lleva a la idea de la existencia de una "inmortalidad cuántica".

En cuanto al gato de Schrödinger y al observador del experimento, según la interpretación de Everett, él y el gato también se encuentran a la vez en dos Universos, es decir, en un "lenguaje cuántico", "enredados" con él.

Esto suena como una historia de una novela de ciencia ficción, pero es una de muchas... teorías científicas, que tiene lugar en la física moderna.

El gato de Schrödinger es un famoso experimento mental. Fue dirigida por el ilustre Premio Nobel en el campo de la física: el científico austriaco Erwin Rudolf Joseph Alexander Schrödinger.

La esencia del experimento fue la siguiente. EN cámara cerrada(caja) se colocó el gato. La caja está equipada con un mecanismo que contiene un núcleo radiactivo y un gas venenoso. Los parámetros se seleccionan de modo que la probabilidad de desintegración nuclear en una hora sea exactamente del cincuenta por ciento. Si el núcleo se desintegra, el mecanismo entrará en acción y se abrirá un recipiente con gas venenoso. Por tanto, el gato de Schrödinger morirá.

Según las leyes, si no se observa el núcleo, sus estados se describirán mediante dos estados principales: los núcleos desintegrados y no desintegrados. Y aquí surge una paradoja: el gato de Schrödinger, que está sentado en una caja, puede estar vivo y muerto al mismo tiempo. Pero si se abre la caja, el experimentador verá sólo un estado específico. O "el núcleo se descompuso y el gato está muerto" o "el núcleo no se descompuso y el gato de Schrödinger está vivo".

Lógicamente, a la salida tendremos una de dos cosas: o un gato vivo o uno muerto. Pero potencialmente el animal se encuentra en ambos estados a la vez. Schrödinger intentó de este modo demostrar su opinión sobre las limitaciones de la mecánica cuántica.

Según la interpretación de Copenhague y este experimento en particular, un gato en una de sus fases potenciales (muerto-vivo) adquiere estas propiedades sólo después de que un observador externo interviene en el proceso. Pero mientras este observador no esté allí (esto implica la presencia de una personalidad específica que tiene las ventajas de la claridad de visión y de conciencia), el gato estará en el limbo “entre la vida y la muerte”.

La famosa parábola antigua de que el gato camina solo adquiere matices nuevos e interesantes en el contexto de este experimento.

Según Everett, que difiere notablemente del clásico de Copenhague, el proceso de observación no se considera algo especial. En esta interpretación pueden existir ambas afirmaciones en las que puede encontrarse el gato de Schrödinger. Pero se decoheren entre sí. Esto significa que la unidad de estos estados se verá perturbada precisamente como resultado de la interacción con mundo exterior. Es el observador que abre la caja el que trae la discordia al estado del gato.

Existe la opinión de que la última palabra en este asunto debería dejarla en manos de una criatura como el gato de Schrödinger. El significado de tal opinión es la aceptación del hecho de que en todo este experimento el animal es el único observador absolutamente competente. Por ejemplo, los científicos Max Tegmark, Bruno Marshall y Hans Moraven presentaron una modificación del experimento anterior, donde el punto de vista principal es la opinión del gato. En este caso, el gato de Schrödinger sobrevive sin duda, porque sólo el gato superviviente puede observar los resultados. Pero el científico Nadav Katz publicó sus resultados en los que pudo "devolver" el estado de la partícula después de cambiar su estado. Por tanto, las posibilidades de supervivencia del gato aumentan significativamente.

Mucha gente ha oído el acertijo de un gato que, al meterse en una caja, se encontraba en varios estados a la vez y no estaba ni muerto ni vivo al mismo tiempo. La mayoría de nosotros hemos oído hablar del regalo del desafortunado gato, pero no del científico que lo inventó. El creador del enigma es el científico vienés Erwin Schrödinger.

Schrödinger nació en lo que entonces era Austria-Hungría en una familia adinerada. El padre de Erwin impulsó la ciencia y su abuelo línea materna era químico. El científico estudió bien en la escuela y comenzó a pensar en cuestiones serias de física cuando era estudiante. En aquella época, los científicos estudiaban el comportamiento de las partículas elementales entonces descubiertas y trataban de explicar por qué su comportamiento no puede describirse según las leyes de la física clásica. Muchos teóricos participaron en discusiones, disputas, formularon diversas hipótesis, etc. Schrödinger propuso su visión de la naturaleza. ondas electromagnéticas describiéndolos ecuación compleja. Aunque una explicación matemática requiere escribir una función compleja, la teoría de Schrödinger también se puede explicar con palabras sencillas.

La esencia de la teoría de Schrödinger.

Hoy se sabe que sólo el comportamiento de los objetos macroscópicos puede describirse mediante las leyes de la física clásica, y aquellos que no son visibles a simple vista no están sujetos a ellas en absoluto. La teoría del científico sólo puede aplicarse a aquellos objetos cuyas dimensiones son comparables a los tamaños de moléculas, átomos e incluso partículas elementales como electrones, protones y otros.

Sugirió que las partículas pequeñas tienen dos propiedades a la vez: materia (masa, extensión, velocidad) y ondas (amplitud, frecuencia, etc.). Al principio era difícil imaginar por qué sucedía esto. Por tanto, hubo que descartar todas las enseñanzas de la mecánica clásica de Newton. Schrödinger creía que con la ayuda de las matemáticas la relación inseparable se puede explicar mediante la escritura. Desde un punto de vista matemático, el científico tenía razón, pero su explicación de la relación como físico resultó ser incorrecta. Físicos como Heisenberg, Bohr, Einstein y Sommerfeld refutaron su opinión. De aquí surge el famoso acertijo sobre el gato.

Percepción del micromundo.

Las partículas que forman un átomo y los propios átomos son tan pequeños que no tenemos la oportunidad de estimar empíricamente su masa, volumen, velocidad, etc. parámetros físicos. Los científicos sólo pueden registrar franjas de luz y cambios en una película sensible especial y, mediante cálculos, determinar las características de los microobjetos.

Utilizando una función matemática, se puede describir el estado de una partícula, pero es sólo una herramienta matemática, carente de significado físico. Usando la función de onda al cuadrado, se puede determinar solo la probabilidad con la que aparecerá un microelemento en el volumen de espacio obtenido a partir de los valores de coordenadas diferenciales. Sólo así se puede revelar en palabras sencillas la esencia de la teoría de Schrödinger tal como la vieron científicos como Einstein, Heisenberg y otros.

El gato de Schrödinger en palabras sencillas

El propio científico discutía constantemente, sin reconocer ninguna otra idea sobre su ecuación. Creía que, tal como se deriva, es bastante claro y que el concepto de probabilidad en sí es muy vago. En su opinión, los microobjetos tendrían un impacto en el macrocosmos si todo fuera como creían los científicos que no estaban de acuerdo con él. Como explicación visual de su acierto, puso un ejemplo con un gato y una caja cuyas paredes no permiten ver ni oír lo que sucede en ella.

Esta caja contiene una cápsula autodestructiva con veneno y solo un átomo de un elemento radiactivo. La probabilidad de que un átomo se desintegre en 1 hora es del 50%. En caso de descomposición, se activa un sensor que activa un mecanismo diseñado para destruir el matraz. Pero, dado que es posible descubrir si la desintegración de un átomo se ha producido sólo experimentalmente, si este proceso, o no, es imposible saberlo. También es imposible decir con certeza si el gato murió o siguió vivo. En consecuencia, antes de abrir la caja, se puede decir que está vivo y muerto al mismo tiempo, y después de abrirla, se puede decir con seguridad si se produjo una de dos posibilidades. Dado que no existe otro estado que el de vivo o muerto para un gato, la inconsistencia de la teoría cuántica ha quedado claramente demostrada. Por tanto, en el futuro, la ciencia cuántica estableció algunas reglas para su aplicabilidad. Por último, un vídeo sobre el gato de Schrödinger.