Fizyka kwantowa Kot Schrödingera. Kwantowy kot z Cheshire. Rozwiązanie paradoksu kota Schrödingera – interpretacja kopenhaska

Nie szukajcie tu „wschodniego mistycyzmu”, wyginania łyżek czy percepcji pozazmysłowej. Poszukaj prawdziwej historii mechanika kwantowa których prawda jest bardziej zdumiewająca niż jakakolwiek fikcja. To jest nauka: nie potrzebuje strojów z innej filozofii, bo sama jest pełna piękności, tajemnic i niespodzianek. Książka ta jest próbą odpowiedzi na konkretne pytanie: „Czym jest rzeczywistość?” A odpowiedź (lub odpowiedzi) może Cię zaskoczyć. Możesz w to nie wierzyć. Ale zrozumiesz, jak współczesna nauka patrzy na świat.

Kot, który pojawia się w tytule to mityczne stworzenie, ale Schrödinger istniał naprawdę. Erwin Schrödinger był austriackim naukowcem, który w połowie lat dwudziestych XX wieku odegrał główną rolę w tworzeniu równań szczególnej dziedziny nauki, zwanej obecnie mechanika kwantowa. Jednak stwierdzenie, że mechanika kwantowa jest tylko dziedziną nauki, nie jest prawdą, ponieważ leży u podstaw wszystkiego nowoczesna nauka. Jego równania opisują zachowanie bardzo małych obiektów – wielkości atomów i mniejszych – i reprezentują Jedyną rzeczą opis świata najmniejszych cząstek. Bez tych równań fizycy nie byliby w stanie opracować projektów robotniczych elektrownie jądrowe(lub bomby), stwórz lasery lub wyjaśnij, w jaki sposób temperatura Słońca nie spada. Bez mechaniki kwantowej chemia nadal byłaby popularna średniowiecze a biologia molekularna w ogóle by się nie pojawiła: nie byłoby wiedzy o DNA ani Inżynieria genetyczna- Nic.

Teoria kwantowa jest największym osiągnięciem nauki, o wiele ważniejszym i o wiele bardziej możliwym do zastosowania w bezpośrednim, praktycznym sensie niż teoria względności. A mimo to formułuje dziwne przepowiednie. Świat mechaniki kwantowej jest rzeczywiście na tyle niezwykły, że nawet Albert Einstein uznał go za niezrozumiały i nie zgodził się na wszelkie konsekwencje teorii wyprowadzonej przez Schrödingera i jego współpracowników. Podobnie jak wielu innych naukowców, Einstein zdecydował, że wygodniej będzie wierzyć, że równania mechaniki kwantowej są jedynie rodzajem matematycznej sztuczki, która przez przypadek dostarcza rozsądnego wyjaśnienia zachowania cząstek atomowych i cząstki elementarne, ale zawierają głębszą prawdę, która lepiej odnosi się do naszego codziennego poczucia rzeczywistości. Przecież mechanika kwantowa stwierdza, że ​​rzeczy realnej nie ma i nie możemy nic powiedzieć o zachowaniu się rzeczy, jeśli ich nie zaobserwujemy. Mityczny kot Schrödingera miał wyjaśnić różnice między światem kwantowym i zwykłym.

W świecie mechaniki kwantowej przestają działać prawa fizyki znane nam ze zwykłego świata. Zamiast tego zdarzeniami rządzi prawdopodobieństwo. Na przykład radioaktywny atom może się rozpaść i, powiedzmy, uwolnić elektron, ale może też nie. Możesz przeprowadzić eksperyment, wyobrażając sobie, że istnieje dokładnie pięćdziesiąt procent prawdopodobieństwa, że ​​jeden z atomów wiązki substancji radioaktywnej ulegnie rozpadowi w określonym momencie, a detektor zarejestruje ten rozpad, jeśli do niego dojdzie. Schrödinger, równie zaniepokojony odkryciami teoria kwantowa, podobnie jak Einstein, próbował wykazać ich absurdalność wyobrażając sobie, że taki eksperyment odbywa się w zamkniętym pomieszczeniu lub pudełku, w którym znajduje się żywy kot i butelka trucizny, a jeśli nastąpi rozkład, pojemnik z trucizną pęka i kot umiera . W zwykłym świecie prawdopodobieństwo śmierci kota wynosi pięćdziesiąt procent i bez zaglądania do pudełka możemy śmiało powiedzieć tylko jedno: kot w środku jest albo żywy, albo martwy. Ale tu właśnie ujawnia się dziwność świata kwantowego. Zgodnie z teorią nic Z dwóch możliwości, jakie istnieją w przypadku substancji radioaktywnej, a co za tym idzie i kota, nie wydaje się ona realistyczna, jeśli nie obserwuje się tego, co się dzieje. Rozpad atomowy nie nastąpił i nie nastąpił, kot nie umarł i nie umarł, dopóki nie zajrzymy do pudełka, aby dowiedzieć się, co się stało. Teoretycy akceptujący czystą wersję mechaniki kwantowej argumentują, że kot istnieje w jakimś nieokreślonym stanie, nie będąc ani żywym, ani martwym, dopóki obserwator nie zajrzy do pudełka i nie zobaczy, jak potoczyła się sytuacja. Nic nie jest prawdziwe, jeśli nie dokona się obserwacji.

Pomysł ten był znienawidzony zarówno przez Einsteina, jak i wielu innych. „Bóg nie gra w kości” – stwierdził, odnosząc się do teorii, że świat wyznacza suma wyników zasadniczo losowego „wyboru” możliwości na poziomie kwantowym. Jeśli chodzi o nierzeczywistość stanu kota Schrödingera, Einstein nie wziął tego pod uwagę, sugerując, że musi istnieć jakiś głęboki „mechanizm”, który determinuje prawdziwie fundamentalną realność rzeczy. Przez wiele lat próbował opracować eksperymenty, które pomogłyby pokazać tę głęboką rzeczywistość w działaniu, ale zmarł, zanim stało się możliwe przeprowadzenie podobny eksperyment. Być może dobrze się stało, że nie dożył rezultatu łańcucha rozumowania, który wprawił w ruch.

Latem 1982 roku grupa naukowców z Uniwersytetu Paris-Sud, kierowana przez Alaina Aspé, przeprowadziła serię eksperymentów mających na celu ujawnienie podstawowej rzeczywistości definiującej nierealny świat kwantowy. Tej głębokiej rzeczywistości – podstawowemu mechanizmowi – nadano nazwę „ukrytych parametrów”. Istota eksperymentu polegała na obserwacji zachowania dwóch fotonów, czyli cząstek światła, lecących ze źródła w przeciwnych kierunkach. Eksperyment opisano w całości w rozdziale dziesiątym, ale ogólnie można go uznać za sprawdzenie rzeczywistości. Dwa fotony z tego samego źródła można wykryć za pomocą dwóch detektorów, które mierzą właściwość zwaną polaryzacją. Według teorii kwantowej właściwość ta nie istnieje, dopóki nie zostanie zmierzona. Zgodnie z ideą „ukrytych parametrów” każdy foton od momentu powstania ma „rzeczywistą” polaryzację. Ponieważ dwa fotony są emitowane jednocześnie, ich wartości polaryzacji zależą od siebie, ale charakter faktycznie mierzonej zależności różni się w zależności od dwóch poglądów na rzeczywistość.

Wyniki tego ważnego eksperymentu są jasne. Nie odkryto zależności przewidywanej przez teorię parametrów ukrytych, natomiast zależność przewidywaną przez mechanikę kwantową już tak. Co więcej, jak przewidywała teoria kwantowa, pomiary dokonane na jednym fotonie miały natychmiastowy wpływ na naturę drugiego fotonu. Pewna interakcja nierozerwalnie połączyła fotony, chociaż uległy rozproszeniu różne strony z prędkością światła, a teoria względności stwierdza, że ​​żaden sygnał nie może być przesyłany szybciej niż światło. Eksperymenty dowiodły, że na świecie nie ma głębokiej rzeczywistości. „Rzeczywistość” w potocznym znaczeniu nie nadaje się do myślenia o zachowaniu się podstawowych cząstek tworzących Wszechświat, a cząstki te jednocześnie wydają się być ze sobą nierozerwalnie powiązane w jakąś niepodzielną całość, z której każda wie, co dzieje się z rzeczywistością. inni.

Poszukiwanie kota Schrödingera jest poszukiwaniem rzeczywistości kwantowej. Z tego krótkiego przeglądu może się wydawać, że poszukiwania te nie zostały uwieńczone sukcesem, gdyż w kwantowym świecie rzeczywistości w w zwykłym znaczeniu to słowo nie istnieje. Ale na tym historia się nie kończy, a poszukiwania kota Schrödingera mogą doprowadzić nas do nowego rozumienia rzeczywistości, które wykracza poza – a jednocześnie obejmuje – ogólnie przyjętą interpretację mechaniki kwantowej. Jednak poszukiwania zajmą dużo czasu i trzeba zacząć od naukowca, który być może byłby bardziej przestraszony niż Einstein, gdyby miał szansę poznać odpowiedzi, których teraz udzieliliśmy na dręczące go pytania. Badając naturę światła trzy wieki temu Izaak Newton prawdopodobnie nie miał pojęcia, że ​​już postawił stopę na ścieżce prowadzącej do kota Schrödingera.

Kto nie jest zszokowany teorią kwantową, nie zrozumiał jej.

Nielsa Bohra 1885-1962

Izaak Newton wynalazł fizykę i na niej opiera się cała nauka. Chociaż Newton z pewnością opierał się na pracach innych, to właśnie jego publikacja trzech praw ruchu i teorii grawitacji ponad trzy wieki temu skierowała naukę na ścieżkę, która ostatecznie doprowadziła do eksploracji kosmosu, laserów, energii atomowej, inżynierii genetycznej, zrozumienie chemii i nie tylko. Przez dwa stulecia fizyka newtonowska (obecnie nazywana „fizyką klasyczną”) rządziła światem nauki. Nowe, rewolucyjne idee wyprzedziły fizykę XX wieku daleko poza Newtona, ale bez tych dwóch stuleci rozwoju nauki pomysły te mogłyby nigdy się nie pojawić. Ta książka nie jest historią nauki: mówi o nowej fizyce – kwantowej, a nie o klasycznych ideach. Jednak nawet w pracach Newtona sprzed trzystu lat można już dostrzec oznaki nieuniknionej zmiany: znajdują się one nie w jego pracach na temat ruchu planet i ich orbit, ale w jego badaniach nad naturą światła.

„Każdy, kogo nie szokuje teoria kwantowa, nie rozumie tego” – powiedział Niels Bohr, twórca teorii kwantowej.
Podstawą fizyki klasycznej jest jednoznaczne programowanie świata, inaczej determinizm Laplace’a, wraz z pojawieniem się mechaniki kwantowej został on zastąpiony inwazją świata niepewności i zdarzeń probabilistycznych. I tutaj eksperymenty myślowe przydały się fizykom teoretycznym. Były to kamienie probiercze, na których testowano nowe pomysły.

„Kot Schrodingera” to eksperyment myślowy, zaproponowany przez Erwina Schrödingera, z którym chciał pokazać niekompletność mechaniki kwantowej w przejściu od układów subatomowych do układów makroskopowych.

W zamknięte pudełko kot umieszczony Pudełko zawiera mechanizm zawierający radioaktywne jądro oraz pojemnik z nim trujący gaz. Prawdopodobieństwo, że jądro rozpadnie się w ciągu 1 godziny, wynosi 1/2. Jeśli jądro się rozpadnie, aktywuje mechanizm, otwiera pojemnik z gazem i kot umiera. Według mechaniki kwantowej, jeśli nie obserwuje się jądra, wówczas jego stan opisuje się superpozycją (mieszaniem) dwóch stanów - jądra rozpadającego się i jądra nierozłożonego, zatem kot siedzący w pudełku jest jednocześnie żywy i martwy w tym samym czasie. Jeśli pudełko zostanie otwarte, eksperymentator może zobaczyć tylko jeden konkretny stan - „jądro rozpadło się, kot nie żyje” lub „jądro nie uległo rozkładowi, kot żyje”.

Kiedy system przestaje istnieć? Jak połączyć dwa stany i wybrać jeden konkretny?

Cel eksperymentu- wykazać, że mechanika kwantowa jest niekompletna bez reguł wskazujących, w jakich warunkach zapada się funkcja falowa (chwilowa zmiana stanu kwantowego obiektu, która następuje podczas pomiaru), a kot albo umiera, albo pozostaje żywy, ale przestaje być mieszanina obu.

Ponieważ jest jasne, że kot musi być albo żywy, albo martwy (nie ma stanu pośredniego między życiem a śmiercią), oznacza to, że dotyczy to również jądra atomowego. Z pewnością będzie albo zepsuty, albo niezniszczony.

Artykuł Schrödingera „The Current Situation in Quantum Mechanics” przedstawiający eksperyment myślowy z kotem ukazał się w niemieckim czasopiśmie Natural Sciences w 1935 roku w celu omówienia paradoksu EPR.

Artykuły Einsteina-Podolsky'ego-Rosena i Schrödingera wskazywały na dziwną naturę „ splątanie kwantowe„(termin wprowadził Schrödinger), charakterystyczny dla stanów kwantowych, które są superpozycją stanów dwóch układów (na przykład dwóch cząstek subatomowych).

Interpretacje mechaniki kwantowej

W okresie istnienia mechaniki kwantowej naukowcy przedstawiali różne jej interpretacje, ale obecnie najbardziej popierane są interpretacje „Kopenhagi” i „wielu światów”.

„Interpretacja Kopenhaska”- taką interpretację mechaniki kwantowej sformułowali Niels Bohr i Werner Heisenberg podczas wspólnej pracy w Kopenhadze (1927). Naukowcy próbowali odpowiedzieć na pytania wynikające z dualizmu korpuskularno-falowego nieodłącznie związanego z mechaniką kwantową, w szczególności na kwestię pomiaru.

W interpretacji kopenhaskiej system przestaje być mieszaniną stanów i wybiera jeden z nich w momencie wystąpienia obserwacji. Eksperyment z kotem pokazuje, że w tej interpretacji charakter samej obserwacji – pomiaru – nie jest dostatecznie określony. Niektórzy uważają, że doświadczenie podpowiada, że ​​dopóki pudełko jest zamknięte, układ znajduje się w obu stanach jednocześnie, w superpozycji stanów „rozłożone jądro, martwy kot” i „nierozłożone jądro, żywy kot”, a po otwarciu pudełka , dopiero wtedy funkcja falowa zapada się do jednej z opcji. Inni przypuszczają, że do „obserwacji” dochodzi, gdy cząstka z jądra uderza w detektor; jednak (i ​​to kluczowy moment eksperyment myślowy) w interpretacji kopenhaskiej nie ma jasnej reguły mówiącej, kiedy to nastąpi, dlatego też interpretacja ta jest niepełna, dopóki nie zostanie do niej wprowadzona taka reguła lub nie zostanie powiedziane, w jaki sposób można ją wprowadzić. Dokładna zasada jest taka, że ​​losowość pojawia się w momencie pierwszego zastosowania przybliżenia klasycznego.

Można zatem przyjąć podejście następujące: w układach makroskopowych nie obserwujemy zjawisk kwantowych (z wyjątkiem zjawiska nadciekłości i nadprzewodnictwa); dlatego, jeśli nałożymy makroskopowe funkcja falowa do stanu kwantowego, z doświadczenia musimy wywnioskować, że superpozycja ulega zniszczeniu. I choć nie jest do końca jasne, co to znaczy w ogóle być „makroskopowym”, w przypadku kota pewne jest to, że jest to obiekt makroskopowy. Zatem interpretacja kopenhaska nie uwzględnia, że ​​przed otwarciem pudełka kot znajduje się w stanie pomieszania pomiędzy żywym a martwym.

W „interpretacji wielu światów” mechanika kwantowa, która nie uważa procesu pomiaru za coś szczególnego, oba stany kota istnieją, ale dekohere, tj. zachodzi proces, w którym oddziałuje układ mechaniki kwantowej środowisko i pozyskuje informacje dostępne w środowisku lub w inny sposób zostaje „uwikłany” w otoczenie. A gdy obserwator otworzy pudełko, zaplątuje się w kota i z tego powstają dwa stany obserwatora, odpowiadające żywemu i martwemu kotowi, przy czym te stany nie oddziałują ze sobą. Ten sam mechanizm dekoherencji kwantowej jest ważny dla „wspólnych” historii. W tej interpretacji tylko „martwy kot” lub „żywy kot” może znaleźć się w „wspólnej historii”.

Innymi słowy, kiedy pudełko jest otwarte, wszechświat dzieli się na dwa różne wszechświaty, jeden, w którym obserwator patrzy na pudełko z martwym kotem, a drugi, obserwator patrzy na żywego kota.

Paradoks „przyjaciela Wignera”

Paradoks przyjaciela Wignera to skomplikowany eksperyment paradoksu kota Schrödingera. Laureat Nagrody Nobla, Amerykański fizyk Eugene Wigner wprowadził kategorię „przyjaciół”. Po zakończeniu eksperymentu eksperymentator otwiera pudełko i widzi żywego kota. Stan kota w chwili otwarcia pudełka przechodzi w stan „jądro nie uległo rozkładowi, kot żyje”. W ten sposób w laboratorium kot został uznany za żywego. Na zewnątrz laboratorium jest „przyjaciel”. Przyjaciel jeszcze nie wie, czy kot żyje, czy nie. Przyjaciel rozpoznaje kota jako żywego dopiero wtedy, gdy eksperymentator poinformuje go o wyniku eksperymentu. Ale wszyscy pozostali „przyjaciele” nie rozpoznali jeszcze kota jako żywego i rozpoznają go dopiero, gdy poznają wynik eksperymentu. Zatem kota można uznać za w pełni żywego dopiero wtedy, gdy wszyscy ludzie we Wszechświecie poznają wynik eksperymentu. Do tego momentu w skali Wielki Wszechświat kot pozostaje jednocześnie na wpół żywy i na wpół martwy.

Powyższe ma zastosowanie w praktyce: w informatyce kwantowej i w kryptografia kwantowa. Sygnał świetlny w superpozycji dwóch stanów przesyłany jest kablem światłowodowym. Jeżeli napastnicy podłączą się do kabla gdzieś pośrodku i odbiją tam sygnał w celu podsłuchania przesyłanej informacji, to spowoduje to załamanie funkcji falowej (z punktu widzenia interpretacji kopenhaskiej zostanie dokonana obserwacja) i światło przejdzie do jednego ze stanów. Przeprowadzając statystyczne badania światła na końcu odbiorczym kabla, będzie można wykryć, czy światło znajduje się w superpozycji stanów, czy też zostało już zaobserwowane i przesłane do innego punktu. Dzięki temu możliwe jest stworzenie środków komunikacji wykluczających niewykrywalne przechwycenie i podsłuchanie sygnału.

Eksperyment (który w zasadzie można przeprowadzić, choć nie stworzono jeszcze działających systemów kryptografii kwantowej zdolnych do przesyłania dużej ilości informacji) pokazuje także, że „obserwacja” w interpretacji kopenhaskiej nie ma żadnego związku ze świadomością obserwatora, gdyż W w tym przypadku Całkowicie nieożywiona gałąź drutu prowadzi do zmiany statystyk na końcu kabla.

W informatyce kwantowej stan kota Schrödingera jest szczególnym splątanym stanem kubitów, w którym wszystkie znajdują się w tej samej superpozycji wszystkich zer i jedynek.

(„Kubit” to najmniejszy element służący do przechowywania informacji w komputerze kwantowym. Dopuszcza dwa stany własne, ale może też znajdować się w ich superpozycji. Ilekroć mierzony jest stan kubitu, losowo przechodzi on do jednego ze swoich własnych stanów.)

W rzeczywistości! Młodszy brat „Kota Schrodingera”

Minęło 75 lat od pojawienia się kota Schrödingera, ale nadal niektóre konsekwencje fizyki kwantowej wydają się sprzeczne z naszymi codziennymi wyobrażeniami na temat materii i jej właściwości. Zgodnie z prawami mechaniki kwantowej powinna istnieć możliwość stworzenia stanu „kota”, w którym jest on jednocześnie żywy i martwy, tj. będzie w stanie kwantowej superpozycji dwóch stanów. Jednak w praktyce tworzenie kwantowej superpozycji np duża ilość atomów nie zostało jeszcze osiągnięte. Trudność polega na tym, że im więcej atomów znajduje się w superpozycji, tym mniej stabilny jest ten stan, ponieważ wpływy zewnętrzne mają tendencję do jego niszczenia.

Do fizyków z Uniwersytetu Wiedeńskiego (publikacja w czasopiśmie Komunikacja przyrodnicza”, 2011) po raz pierwszy na świecie udało się zademonstrować kwantowe zachowanie cząsteczki organicznej składającej się z 430 atomów i znajdującej się w stanie superpozycji kwantowej. Uzyskana przez eksperymentatorów cząsteczka bardziej przypomina ośmiornicę. Rozmiar cząsteczek wynosi około 60 angstremów, a długość fali de Broglie'a dla cząsteczki wynosiła tylko 1 pikometr. Ta „molekularna ośmiornica” była w stanie wykazać właściwości charakterystyczne dla kota Schrödingera.

Kwantowe samobójstwo

Samobójstwo kwantowe to eksperyment myślowy w mechanice kwantowej, który został zaproponowany niezależnie przez G. Moraveca i B. Marshalla i został rozszerzony w 1998 roku przez kosmologa Maxa Tegmarka. Ten eksperyment myślowy, będący modyfikacją eksperymentu myślowego z kotem Schrödingera, wyraźnie pokazuje różnicę pomiędzy dwiema interpretacjami mechaniki kwantowej: interpretacją kopenhaską i interpretacją wielu światów Everetta.

Eksperyment jest w rzeczywistości eksperymentem z kotem Schrödingera z kociego punktu widzenia.

W proponowanym eksperymencie w stronę uczestnika wycelowany jest pistolet, który strzela lub nie strzela w zależności od rozpadu jakiegoś radioaktywnego atomu. Istnieje 50% szans, że broń wybuchnie, a uczestnik zginie. Jeśli interpretacja kopenhaska jest prawidłowa, wówczas pistolet w końcu wybuchnie, a uczestnik umrze.
Jeśli interpretacja Everetta o wielu światach jest poprawna, to w wyniku każdego przeprowadzonego eksperymentu wszechświat dzieli się na dwa wszechświaty, z których jeden uczestnik pozostaje przy życiu, a w drugim umiera. W światach, w których uczestnik umiera, przestaje on istnieć. Natomiast z perspektywy nieumarłego uczestnika eksperyment będzie kontynuowany, nie powodując zniknięcia uczestnika. Dzieje się tak dlatego, że w dowolnej branży uczestnik ma możliwość zaobserwowania wyniku eksperymentu jedynie w świecie, w którym żyje. A jeśli interpretacja wielu światów jest prawidłowa, wówczas uczestnik może zauważyć, że podczas eksperymentu nigdy nie umrze.

Uczestnik nigdy nie będzie mógł rozmawiać o tych wynikach, ponieważ z punktu widzenia zewnętrznego obserwatora prawdopodobieństwo wyniku eksperymentu będzie takie samo zarówno w interpretacji wielu światów, jak i interpretacji kopenhaskiej.

Nieśmiertelność kwantowa

Nieśmiertelność kwantowa to eksperyment myślowy wywodzący się z eksperymentu myślowego dotyczącego samobójstwa kwantowego, który stwierdza, że ​​zgodnie z wieloświatową interpretacją mechaniki kwantowej istoty posiadające zdolność samoświadomości są nieśmiertelne.

Wyobraźmy sobie, że uczestnik eksperymentu detonuje w pobliżu bombę atomową. W prawie wszystkich równoległych wszechświatach eksplozja nuklearna zniszczy uczestnika. Ale mimo to musi istnieć niewielka liczba alternatywnych Wszechświatów, w których uczestnik jakimś cudem przeżyje (czyli Wszechświatów, w których możliwy jest potencjalny scenariusz ratunkowy). Ideą nieśmiertelności kwantowej jest to, że uczestnik pozostaje przy życiu i dzięki temu jest w stanie postrzegać otaczającą rzeczywistość, przynajmniej w jednym z Wszechświatów w zestawie, nawet jeśli liczba takich wszechświatów jest niezwykle mała w porównaniu z liczbą wszystkie możliwe Wszechświaty. Tym samym z biegiem czasu uczestnik odkryje, że może żyć wiecznie. Pewne podobieństwa do tego wniosku można znaleźć w koncepcji zasady antropicznej.

Inny przykład wywodzi się z idei samobójstwa kwantowego. W tym eksperymencie myślowym uczestnik celuje w siebie pistoletem, który może wystrzelić lub nie, w zależności od wyniku rozpadu jakiegoś radioaktywnego atomu. Istnieje 50% szans, że broń wybuchnie, a uczestnik zginie. Jeśli interpretacja kopenhaska jest prawidłowa, wówczas pistolet w końcu wybuchnie, a uczestnik umrze.

Jeśli interpretacja Everetta o wielu światach jest poprawna, to w wyniku każdego przeprowadzonego eksperymentu wszechświat dzieli się na dwa wszechświaty, z których jeden uczestnik pozostaje przy życiu, a w drugim umiera. W światach, w których uczestnik umiera, przestaje on istnieć. Wręcz przeciwnie, z punktu widzenia nieumarłego uczestnika, eksperyment będzie kontynuowany, nie powodując zniknięcia uczestnika, ponieważ po każdym rozdzieleniu wszechświatów będzie on mógł rozpoznać siebie tylko w tych wszechświatach, w których przeżył. Zatem, jeśli interpretacja wielu światów Everetta jest poprawna, uczestnik może zauważyć, że w eksperymencie nigdy nie umrze, „udowadniając” w ten sposób swoją nieśmiertelność, przynajmniej ze swojego punktu widzenia.

Zwolennicy nieśmiertelności kwantowej podkreślają, że teoria ta nie zaprzecza żadnej znane prawa fizyków (stanowisko to dalekie jest od jednomyślności przyjętej w świat naukowy). W swoim rozumowaniu opierają się na dwóch kontrowersyjnych założeniach:
- Prawidłowa jest interpretacja wielu światów Everetta, a nie interpretacja kopenhaska, ponieważ ta ostatnia zaprzecza istnieniu równoległe wszechświaty;
- wszystkie możliwe scenariusze, w których uczestnik może umrzeć podczas eksperymentu, obejmują przynajmniej niewielki podzbiór scenariuszy, w których uczestnik pozostaje przy życiu.

Możliwym argumentem przeciwko teorii nieśmiertelności kwantowej jest to, że drugie założenie niekoniecznie wynika z interpretacji wielu światów Everetta i może być sprzeczne z prawami fizyki, które, jak się uważa, mają zastosowanie do wszystkich możliwych rzeczywistości. Wieloświatowa interpretacja fizyki kwantowej niekoniecznie oznacza, że ​​„wszystko jest możliwe”. Wskazuje jedynie, że w pewnym momencie wszechświat można podzielić na szereg innych, z których każdy będzie odpowiadał jednemu z wielu możliwych wyników. Na przykład uważa się, że druga zasada termodynamiki ma zastosowanie do wszystkich prawdopodobnych wszechświatów. Oznacza to, że teoretycznie istnienie tego prawa zapobiega tworzeniu się wszechświatów równoległych tam, gdzie zostałoby ono naruszone. Konsekwencją tego może być osiągnięcie z punktu widzenia eksperymentatora stanu rzeczywistości, w którym jego dalsze przetrwanie staje się niemożliwe, gdyż wymagałoby to naruszenia prawa fizyki, co zgodnie z wcześniej przyjętym założeniem , obowiązuje dla wszystkich możliwych rzeczywistości.

Na przykład podczas eksplozji Bomba jądrowa opisanych powyżej, dość trudno jest opisać prawdopodobny scenariusz, który nie naruszałby podstawowych zasad biologicznych, w jakich uczestnik przeżyje. W temperaturach osiąganych w centrum żywe komórki po prostu nie mogą istnieć wybuch jądrowy. Aby teoria nieśmiertelności kwantowej pozostała aktualna, konieczne jest albo wystąpienie niewypału (a tym samym uniknięcie eksplozji nuklearnej), albo zajście jakiegoś zdarzenia opartego na jeszcze nieodkrytych i nieudowodnionych prawach fizyki. Kolejnym argumentem przeciwko omawianej teorii może być obecność naturalnej śmierci biologicznej u wszystkich stworzeń, której nie da się uniknąć w żadnym z równoległych Wszechświatów (przynajmniej w na tym etapie rozwój nauki)

Z drugiej strony druga zasada termodynamiki jest prawem statystycznym i nic nie stoi w sprzeczności z występowaniem fluktuacji (na przykład pojawieniem się obszaru o warunkach odpowiednich do życia obserwatora we wszechświecie, który na ogół osiągnął stan śmierci termicznej, czyli w zasadzie możliwy ruch wszystkich cząstek powstałych w wyniku wybuchu jądrowego w taki sposób, że każda z nich przeleci obok obserwatora), chociaż takie wahanie wystąpi tylko w niezwykle małej części wszystkich możliwe rezultaty. Argument o nieuchronności śmierci biologicznej można obalić także na podstawie rozważań probabilistycznych. Dla każdego żywego organizmu w ten moment czasie istnieje niezerowe prawdopodobieństwo, że przeżyje przez następną sekundę. Zatem prawdopodobieństwo, że przeżyje przez następny miliard lat, jest również niezerowe (jest to bowiem iloczyn duża liczba współczynniki niezerowe), choć bardzo małe.

Problematyczne w idei nieśmiertelności kwantowej jest to, że zgodnie z nią samoświadoma istota będzie „zmuszona” doświadczyć niezwykle nieprawdopodobnych zdarzeń, które wystąpią w sytuacjach, w których uczestnik zdawałby się umierać. Chociaż w wielu równoległych wszechświatach uczestnik umiera, kilka wszechświatów, które uczestnik jest w stanie subiektywnie postrzegać, rozwinie się w niezwykle nieprawdopodobnym scenariuszu. To z kolei może w jakiś sposób spowodować naruszenie zasady przyczynowości, której natura w fizyce kwantowej nie jest jeszcze wystarczająco jasna.

Choć idea nieśmiertelności kwantowej wywodzi się w dużej mierze z eksperymentu „kwantowego samobójstwa”, Tegmark argumentuje, że w każdych normalnych warunkach każda myśląca istota przed śmiercią przechodzi przez etap (od kilku sekund do kilku lat) obniżania się poziomu samokrytyki. świadomości, która nie ma nic wspólnego z mechaniką kwantową, a uczestnik nie ma możliwości dalszego istnienia poprzez przemieszczanie się z jednego świata do drugiego, co daje mu szansę na przetrwanie.

Tutaj samoświadomy inteligentny obserwator tylko w stosunkowo niewielkiej liczbie możliwych stanów, w których zachowuje samoświadomość, nadal pozostaje, że tak powiem, w „ Zdrowe ciało" Prawdopodobieństwo, że obserwator zachowując przytomność, pozostanie okaleczony, jest znacznie większe, niż gdyby nie doznał żadnych obrażeń. Każdy system (w tym żywy organizm) ma wiele więcej możliwości działać nieprawidłowo, niż pozostać w nim idealny kształt. Hipoteza ergodyczna Boltzmanna zakłada, że ​​nieśmiertelny obserwator prędzej czy później przejdzie przez wszystkie stany zgodne z zachowaniem świadomości, także takie, w których będzie odczuwał cierpienie nie do zniesienia – a stanów takich będzie znacznie więcej niż stanów optymalnego funkcjonowania organizmu. Zatem, jak sugeruje filozof David Lewis, powinniśmy mieć nadzieję, że interpretacja wielu światów jest błędna.

Było coś w rodzaju jakości „wtórnej”. On sam rzadko angażował się w pewne sprawy problemem naukowym. Jego ulubionym gatunkiem twórczości była odpowiedź na twórczość kogoś innego badania naukowe, rozwój tej pracy lub jej krytyka. Mimo że sam Schrödinger był z natury indywidualistą, zawsze potrzebował cudzej myśli, wsparcia dalsza praca. Pomimo tego osobliwego podejścia Schrödingerowi udało się dokonać wielu odkryć.

Informacje biograficzne

Teorię Schrödingera znają już nie tylko studenci wydziałów fizyki i matematyki. Zainteresuje każdego, kto interesuje się popularnonauką. Teorię tę stworzył słynny fizyk E. Schrödinger, który przeszedł do historii jako jeden z twórców mechaniki kwantowej. Naukowiec urodził się 12 sierpnia 1887 roku w rodzinie właściciela fabryki ceraty. Przyszły naukowiec, znany na całym świecie ze swojej zagadki, już jako dziecko lubił botanikę i rysunek. Jego pierwszym mentorem był ojciec. W 1906 roku Schrödinger rozpoczął studia na Uniwersytecie Wiedeńskim, podczas których zaczął podziwiać fizykę. Kiedy przyszedł Pierwszy Wojna światowa, naukowiec poszedł służyć jako artylerzysta. W wolnym czasie studiował teorie Alberta Einsteina.

Na początku 1927 r. w nauce doszło do dramatycznej sytuacji. E. Schrödinger uważał, że podstawą teorii procesów kwantowych powinna być idea ciągłości fal. Heisenberg natomiast uważał, że podstawą tej dziedziny wiedzy powinna być koncepcja dyskretności fal, a także idea skoków kwantowych. Niels Bohr nie przyjął żadnego ze stanowisk.

Postępy w nauce

Za stworzenie koncepcji mechaniki falowej w 1933 roku otrzymał Schrödinger nagroda Nobla. Jednak wychowany w tradycjach fizyki klasycznej naukowiec nie potrafił myśleć innymi kategoriami i nie uważał mechaniki kwantowej za pełnoprawną dziedzinę wiedzy. Nie mógł zadowolić się dwoistym zachowaniem cząstek i próbował sprowadzić je wyłącznie do zachowania falowego. W rozmowie z N. Bohrem Schrödinger ujął to w ten sposób: „Jeśli planujemy utrwalić te kwantowe skoki w nauce, to ogólnie żałuję, że związałem swoje życie z fizyką atomową”.

Dalsza praca badacza

Co więcej, Schrödinger był nie tylko jednym z twórców współczesnej mechaniki kwantowej. To on był naukowcem, który wprowadził do użytku naukowego termin „obiektywność opisu”. To jest szansa teorie naukowe opisywać rzeczywistość bez udziału obserwatora. Jego dalsze badania dotyczyły teorii względności, procesów termodynamicznych i nieliniowej elektrodynamiki Borna. Naukowcy podjęli także kilka prób stworzenia ujednolicona teoria pola. Ponadto E. Schrödinger władał sześcioma językami.

Najsłynniejsza zagadka

Teoria Schrödingera, w której pojawia się ten sam kot, wyrosła z krytyki naukowca wobec teorii kwantowej. Jeden z jego głównych postulatów głosi, że układ, choć nie jest obserwowany, znajduje się w stanie superpozycji. Mianowicie w dwóch lub więcej stanach, które wykluczają się wzajemnie. Stan superpozycji w nauce ma następującą definicję: jest to zdolność kwantu, którym może być również elektron, foton lub na przykład jądro atomu, do jednoczesnego przebywania w dwóch stanach lub nawet w dwóch punktach w przestrzeni w momencie, gdy nikt jej nie obserwuje.

Przedmioty w różnych światach

Zwykłemu człowiekowi bardzo trudno jest zrozumieć taką definicję. Przecież każdy przedmiot świat materialny może znajdować się w jednym punkcie przestrzeni lub w innym. Zjawisko to można zilustrować w następujący sposób. Obserwator bierze dwa pudełka i wrzuca do jednego z nich piłeczkę tenisową. Będzie jasne, że jest w jednym pudełku, a nie w drugim. Ale jeśli umieścisz elektron w jednym z pojemników, wówczas prawdziwe będzie następujące stwierdzenie: cząstka ta znajduje się jednocześnie w dwóch pudełkach, niezależnie od tego, jak paradoksalne może się to wydawać. Podobnie elektron w atomie nie znajduje się w tym czy innym ściśle określonym punkcie. Obraca się wokół jądra, zlokalizowanego jednocześnie we wszystkich punktach orbity. W nauce zjawisko to nazywa się „chmurą elektronów”.

Co naukowiec chciał udowodnić?

Tym samym zachowanie małych i dużych obiektów jest realizowane w sposób całkowicie różne zasady. W świecie kwantowym obowiązują pewne prawa, a w makroświecie zupełnie inne. Nie ma jednak pojęcia, które wyjaśniałoby przejście ze świata znanych ludziom obiektów materialnych do mikroświata. Teoria Schrödingera powstała w celu wykazania nieadekwatności badań w dziedzinie fizyki. Naukowiec chciał pokazać, że istnieje nauka, której celem jest opisywanie małych obiektów i istnieje dziedzina wiedzy, która bada zwykłe przedmioty. W dużej mierze dzięki pracy naukowca fizykę podzielono na dwa obszary: kwantowy i klasyczny.

Teoria Schrödingera: opis

Naukowiec opisał swój słynny eksperyment myślowy w 1935 roku. Realizując to zadanie, Schrödinger oparł się na zasadzie superpozycji. Schrödinger podkreślał, że dopóki nie zaobserwujemy fotonu, może to być albo cząstka, albo fala; zarówno czerwony, jak i zielony; zarówno okrągłe, jak i kwadratowe. Tę zasadę nieoznaczoności, wynikającą bezpośrednio z koncepcji dualizmu kwantowego, wykorzystał Schrödinger w swojej słynnej zagadce o kocie. Znaczenie tego doświadczenia w skrócie jest następujące:

• Kota umieszcza się w zamkniętym pudełku oraz pojemniku zawierającym kwas cyjanowodorowy i substancję radioaktywną.
• Jądro może rozpaść się w ciągu godziny. Prawdopodobieństwo tego wynosi 50%.
• Jeśli jądro atomowe zanika, zostanie to zarejestrowane przez licznik Geigera. Mechanizm zadziała, a pudełko z trucizną zostanie zniszczone. Kot umrze.
• Jeśli rozkład nie nastąpi, kot Schrödingera będzie żywy.

Zgodnie z tą teorią, dopóki kot nie zostanie zaobserwowany, znajduje się on jednocześnie w dwóch stanach (martwym i żywym), podobnie jak jądro atomu (rozłożone lub nierozłożone). Jest to oczywiście możliwe tylko zgodnie z prawami świata kwantowego. W makrokosmosie kot nie może być jednocześnie żywy i martwy.

Paradoks obserwatora

Aby zrozumieć istotę teorii Schrödingera, konieczne jest także zrozumienie paradoksu obserwatora. Oznacza to, że obiekty mikroświata mogą znajdować się w dwóch stanach jednocześnie tylko wtedy, gdy nie są obserwowane. W nauce znany jest na przykład tzw. „eksperyment z 2 szczelinami i obserwatorem”. Naukowcy skierowali wiązkę elektronów na nieprzezroczystą płytkę, w której wykonano dwie pionowe szczeliny. Na ekranie za płytą elektrony namalowały wzór fali. Inaczej mówiąc, zostawili czarno-białe paski. Kiedy badacze chcieli obserwować, jak elektrony przelatują przez szczeliny, na ekranie cząstki wyświetlały tylko dwa pionowe paski. Zachowywały się jak cząstki, a nie jak fale.

Wyjaśnienie w Kopenhadze

Współczesne wyjaśnienie teorii Schrödingera nazywa się kopenhaskim. Bazując na paradoksie obserwatora, brzmi to tak: dopóki nikt nie obserwuje jądra atomu w układzie, znajduje się ono jednocześnie w dwóch stanach – rozpadającym się i nierozłożonym. Jednak stwierdzenie, że kot jest jednocześnie żywy i martwy, jest wyjątkowo błędne. Przecież w makrokosmosie nigdy nie obserwuje się tych samych zjawisk, co w mikrokosmosie.

Dlatego nie mówimy o układzie „kot-jądro”, ale o tym, że licznik Geigera i jądro atomowe są ze sobą powiązane. Jądro może wybrać taki lub inny stan w momencie dokonywania pomiarów. Jednakże dany wybór nie ma miejsca w momencie, gdy eksperymentator otwiera pudełko z kotem Schrödingera. Tak naprawdę otwarcie pudełka następuje w makrokosmosie. Inaczej mówiąc, w systemie bardzo odległym świat atomowy. Dlatego jądro wybiera swój stan dokładnie w momencie uderzenia w detektor licznika Geigera. Tym samym Erwin Schrödinger w swoim eksperymencie myślowym nie opisał systemu w sposób wystarczający.

Wnioski ogólne

Nie jest zatem do końca poprawne łączenie makrosystemu ze światem mikroskopowym. W makrokosmosie prawa kwantowe tracą moc. Tylko w mikrokosmosie jądro atomu może znajdować się jednocześnie w dwóch stanach. Tego samego nie można powiedzieć o kocie, gdyż jest on obiektem makrokosmosu. Dlatego tylko na pierwszy rzut oka wydaje się, że w momencie otwarcia pudełka kot przechodzi z superpozycji do jednego ze stanów. W rzeczywistości o jego losach decyduje moment interakcji jądra atomowego z detektorem. Wniosek można wyciągnąć następująco: stan systemu w zagadce Erwina Schrödingera nie ma nic wspólnego z osobą. Zależy to nie od eksperymentatora, ale od detektora - obiektu, który „obserwuje” jądro.

Kontynuacja koncepcji

Teoria Schrödingera w prostych słowach opisuje się następująco: gdy obserwator nie patrzy na układ, może on znajdować się jednocześnie w dwóch stanach. Jednak inny naukowiec, Eugene Wigner, poszedł dalej i postanowił doprowadzić koncepcję Schrödingera do całkowitego absurdu. „Przepraszam!” powiedział Wigner. „A co, jeśli jego kolega stoi obok eksperymentatora i obserwuje kota?” Partner nie wie, co dokładnie sam eksperymentator zobaczył w momencie, gdy otworzył pudełko z kotem. Z superpozycji wyłania się kot Schrödingera. Jednak nie dla innego obserwatora. Dopiero w momencie, gdy ten ostatni dowie się o losie kota, można ostatecznie nazwać zwierzę żywym lub martwym. Ponadto miliardy ludzi żyją na planecie Ziemia. Ostateczny werdykt będzie można wydać dopiero wtedy, gdy wynik eksperymentu stanie się własnością wszystkich żywych istot. Oczywiście można wszystkim krótko opowiedzieć losy kota i teorię Schrödingera, jest to jednak proces bardzo długi i pracochłonny.

Zasady dualizmu kwantowego w fizyce nigdy nie zostały obalone eksperyment myślowy Schrödingera. W pewnym sensie można powiedzieć, że każda istota nie jest ani żywa, ani martwa (w superpozycji), o ile przynajmniej jedna osoba jej nie obserwuje.

Johna Gribbina

W poszukiwaniu kota Schrödingera. Fizyka kwantowa i rzeczywistość

Nie podoba mi się to wszystko i żałuję, że w ogóle się w to zaangażowałem.

Erwina Schrödingera 1887-1961

Nic nie jest prawdziwe.

Johna Lennona 1940-1980

W POSZUKIWANIU KOTA SCHRÖDINGERA

Fizyka kwantowa i rzeczywistość

Tłumaczenie z języka angielskiego: Z. A. Mamedyarova, E. A. Fomenko

© 1984 autorstwa Johna i Mary Gribbin

Podziękowanie

Moja znajomość z teorią kwantową miała miejsce ponad dwadzieścia lat temu, jeszcze w szkole, kiedy odkryłem, że teoria budowy powłokowej atomu w magiczny sposób wyjaśnia wszystko układ okresowy pierwiastki i prawie cała chemia, z którą zmagałem się na wielu nudnych zajęciach. Natychmiast zacząłem kopać dalej, sięgając do książek z biblioteki, uznawanych za „zbyt skomplikowane” jak na moje ograniczone wykształcenie naukowe, i natychmiast zauważyłem piękną prostotę wyjaśnienia widma atomowego z perspektywy teorii kwantowej i po raz pierwszy odkryłem, że to, co najlepsze w nauce, jest jednocześnie piękne i proste, i to jest fakt, który zbyt wielu nauczycieli – przypadkowo lub celowo – ukrywa przed swoimi uczniami. Poczułem się zupełnie jak bohater powieści „Poszukiwania” C. P. Snowa (choć przeczytałem ją znacznie później), który odkrył to samo:

Zauważyłem, jak pomieszane, przypadkowe fakty nagle układają się w całość... „Ale taka jest prawda” – mówiłem sobie. - To jest cudowne. I to jest prawda.” (Wydanie A, 1963, s. 1963 27.)

Częściowo dzięki temu spostrzeżeniu zdecydowałem się studiować fizykę na uniwersytecie. Z biegiem czasu moje ambicje zostały zrealizowane i zostałem studentem Uniwersytetu Sussex w Brighton. Ale tam prostota i piękno głębokich pomysłów zostały przyćmione różnorodnością szczegółów i metody matematyczne rozwiązywanie konkretnych problemów z wykorzystaniem równań mechaniki kwantowej. Zastosowanie tych pomysłów w świecie współczesna fizyka dał być może tę samą ideę głębokiego piękna i prawdy, jaką daje pilotowanie Boeingiem 747 o lotniarstwo. Chociaż siła pierwotnego spostrzeżeń nadal miała największy wpływ na moją karierę, przez długi czas Nie zwracałem uwagi na świat kwantowy i odkryłem inne rozkosze nauki.

Żar tego wczesnego zainteresowania został ponownie rozpalony przez kombinację czynników. Pod koniec lat siedemdziesiątych i na początku osiemdziesiątych zaczęły pojawiać się książki i artykuły, które z różnym powodzeniem próbowały wyjaśnić nienaukowym odbiorcom dziwny świat kwantowy. Niektóre z tak zwanych „tekstów popularnych” były tak potwornie dalekie od prawdy, że nawet nie mogłem sobie wyobrazić, że znajdzie się czytelnik, który studiując je zrozumie prawdę i piękno nauki, i dlatego chciał to opowiedzieć w ten sposób Jest. W tym samym czasie pojawiły się informacje o długiej serii eksperymentów naukowych, które dowiodły prawdziwości niektórych z najdziwniejszych aspektów teorii kwantowej, i informacja ta zmusiła mnie do powrotu do bibliotek i odświeżenia wiedzy na temat tych niesamowitych rzeczy. Wreszcie, w pewne Boże Narodzenie, BBC zaprosiło mnie do wystąpienia w programie radiowym jako swego rodzaju naukowy przeciwnik Malcolma Muggeridge’a, który właśnie ogłosił swoje przejście na katolicyzm i był głównym gościem okresu świątecznego. Po tym Wspaniała osoba przedstawił swój punkt widzenia, podkreślając tajemnicę chrześcijaństwa, zwrócił się do mnie i powiedział: „Ale tutaj jest ktoś, kto zna odpowiedzi na wszystkie pytania – lub twierdzi, że je wszystkie zna”. Czas był ograniczony, a ja starałem się dać przyzwoitą odpowiedź, zwracając uwagę, że nauka nie rości sobie pretensji, że zna odpowiedzi na wszystkie pytania i to religia, a nie nauka, opiera się wyłącznie na bezgranicznej wierze i przekonaniu, że prawda jest znana. „Ja w nic nie wierzę” – powiedziałem i zacząłem wyjaśniać swoje stanowisko, ale w tym momencie program dobiegł końca. Przez całe Święta Bożego Narodzenia przyjaciele i znajomi przypominali mi te słowa, a ja godzinami powtarzałam, że mój brak bezgranicznej wiary w cokolwiek nie przeszkadza mi żyć normalne życie, stosując całkowicie rozsądną hipotezę roboczą, że jest mało prawdopodobne, aby słońce zniknęło w ciągu nocy.

Wszystko to pomogło mi uporządkować własne przemyślenia na temat natury nauki podczas długich dyskusji na temat podstawowej rzeczywistości – lub nierzeczywistości – świata kwantowego i wystarczyło, aby przekonać mnie, że mogę napisać książkę, którą trzymasz teraz w rękach. Pracując nad tym, przetestowałem wiele bardziej subtelnych argumentów podczas moich regularnych występów w naukowym programie radiowym British Forces Broadcasting Corporation, prowadzonym przez Tommy'ego Vance'a. Dociekliwe pytania Toma szybko ujawniły niedoskonałości mojej prezentacji i przy ich pomocy udało mi się uporządkować swoje pomysły w najlepszy możliwy sposób. Głównym źródłem materiałów referencyjnych, z których korzystałem podczas pisania tej książki, była biblioteka Uniwersytetu Sussex, która zawiera prawdopodobnie jeden z najlepszych zbiorów książek o teorii kwantowej na świecie, a rzadsze materiały wybrała dla mnie Mandy Caplin z magazynu Nowy naukowiec, która uporczywie wysyłała mi wiadomości telegrafem, podczas gdy Christina Sutton poprawiała moje błędne przekonania na temat fizyki cząstek elementarnych i teorii pola. Żona nie tylko udzieliła mi nieocenionej pomocy w przeglądzie literatury i uporządkowaniu materiału, ale wielu zmiękczyła ostre rogi. Jestem także wdzięczny profesorowi Rudolfowi Pearlsowi za szczegółowe wyjaśnienie mi niektórych zawiłości eksperymentu zegara w pudełku i paradoksu Einsteina-Podolskiego-Rosena.

Wszystko, co jest dobrego w tej książce, to zasługa: „trudnych” tekstów z chemii, których nazw już nie pamiętam, a które odkryłem w Bibliotece hrabstwa Kent w wieku szesnastu lat; biada „popularyzatorom” idei kwantowych, którzy przekonali mnie, że potrafię je lepiej opisać; Malcolma Muggeridge'a i BBC; Biblioteka Uniwersytetu Sussex; Tommy’ego Vance’a i BFBS; Mandy Caplin i Christina Sutton, a zwłaszcza Min. Wszelkie skargi dotyczące niedociągnięć, które nadal występują w tej książce, należy oczywiście kierować do mnie.

Johna Gribbina

Lipiec 1983

Wstęp

Jeśli zsumujesz wszystkie książki i artykuły na temat teorii względności, dla których napisano zwykli ludzie, wtedy stos prawdopodobnie dotrze na Księżyc. „Wszyscy wiedzą”, że teoria względności Einsteina jest największym osiągnięciem naukowym XX wieku i wszyscy się mylą. Jeśli jednak zsumować wszystkie książki i artykuły o teorii kwantowej napisane dla zwykłych ludzi, z łatwością zmieszczą się na moim biurku. Nie oznacza to, że teorii kwantowej nie słyszano poza murami akademii. Mechanika kwantowa stała się nawet popularna w niektórych branżach: za jej pomocą próbowano wyjaśnić telepatię i zginanie łyżek, czerpiąc z niej inspirację do wielu opowiadań science fiction. W mitologii popularnej mechanika kwantowa kojarzona jest – jeśli w ogóle – z okultyzmem i percepcją pozazmysłową, czyli dziwną, ezoteryczną gałęzią nauki, której nikt nie rozumie i dla której nie można znaleźć praktycznego zastosowania.

Niniejsza książka została napisana, aby przeciwstawić się takiemu postrzeganiu tej zasadniczo najbardziej podstawowej i najważniejszej dziedziny wiedza naukowa. Książka ta zawdzięcza swoje powstanie kilku okolicznościom, które wydarzyły się latem 1982 roku. Po pierwsze, właśnie skończyłem czytać książkę o teorii względności zatytułowaną The Curvatures of Space i zdecydowałem, że nadszedł czas, aby podjąć się zadania odtajnienia innej wielkiej gałęzi nauki XX wieku. Po drugie, w tamtym czasie coraz bardziej irytowały mnie błędne idee, które istniały pod nazwą teorii kwantowej wśród ludzi dalekich od nauki. Doskonała książka Fridtjofa Capry Tao fizyki dała początek wielu naśladowcom, którzy nie rozumieli ani fizyki, ani Tao, ale uważali, że pieniądze można zarobić łącząc zachodnią naukę z filozofią Wschodu. I wreszcie w sierpniu 1982 roku z Paryża nadeszła wiadomość, że grupa naukowców pomyślnie przeprowadziła kluczowy eksperyment, który potwierdził – dla tych, którzy wciąż wątpili – dokładność kwantowo-mechanicznego obrazu Wszechświata.

Nie szukajcie tu „wschodniego mistycyzmu”, wyginania łyżek czy percepcji pozazmysłowej. Szukaj prawdziwej historii mechaniki kwantowej, której prawda jest bardziej zdumiewająca niż jakakolwiek fikcja. To jest nauka: nie potrzebuje strojów z innej filozofii, bo sama jest pełna piękności, tajemnic i niespodzianek. Książka ta jest próbą odpowiedzi na konkretne pytanie: „Czym jest rzeczywistość?” A odpowiedź (lub odpowiedzi) może Cię zaskoczyć. Możesz w to nie wierzyć. Ale zrozumiesz, jak współczesna nauka patrzy na świat.

Nic nie jest prawdziwe

Tytułowy kot to stworzenie mityczne, ale Schrödinger istniał naprawdę. Erwin Schrödinger był austriackim naukowcem, który w połowie lat dwudziestych XX wieku odegrał główną rolę w tworzeniu równań dziedziny nauki zwanej obecnie mechaniką kwantową. Jednak twierdzenie, że mechanika kwantowa jest tylko dziedziną nauki, nie jest prawdą, ponieważ leży u podstaw całej współczesnej nauki. Jego równania opisują zachowanie bardzo małych obiektów – wielkości atomów i mniejszych – i reprezentują Jedyną rzeczą opis świata najmniejszych cząstek. Bez tych równań fizycy nie byliby w stanie zaprojektować działających elektrowni jądrowych (ani bomb), stworzyć laserów ani wyjaśnić, w jaki sposób temperatura Słońca nie spada. Bez mechaniki kwantowej chemia nadal tkwiłaby w średniowieczu, a biologia molekularna w ogóle by się nie pojawiła: nie byłoby wiedzy o DNA, inżynierii genetycznej, niczego.

Jako hipotetyczny przykład tego, jak makroskopowy obiekt (kot) całkiem nam znany z życia codziennego może wykazywać właściwości kwantowe.

Istotą tych właściwości jest tak zwane splątanie kwantowe lub splątanie. Nazwa tego zjawiska ogólnie odzwierciedla jego istotę. Rzeczywiście, w rozważanym przykładzie stany jądra radioaktywnego i kota okazują się splątane (czyli sztywno ze sobą połączone). Ważny aspekt To splątanie kwantowe oznacza obecność niepewności w tych stanach. Oznacza to, że nie wiemy, czy kot żyje, czy nie, i nie wiemy również, czy jądro uległo rozpadowi, czy nie. Wiemy jednak na pewno, że jeśli jądro się rozpadnie, kot umrze, jeśli się nie rozpadnie, kot przeżyje.

Cieszy się dużym zainteresowaniem tym zjawiskiem wśród współczesnych naukowców i wiąże się z ideą tworzenia komputer kwantowy, a także organizację bezpiecznych kanałów komunikacji. To właśnie zmusza do podejmowania wciąż na nowo w laboratoriach prób stworzenia, jeśli nie kotów, to przynajmniej kociąt Schrödingera, czyli tzw. obiekty są bardziej namacalne i duże (mezoskopowe), a zatem podlegają prostszej kontroli niż pojedyncze mikrocząstki, ale wykazują te same właściwości splątania kwantowego co kot Schrödingera.

Ale natura stworzyła wiele przykładów splątania kwantowego, które są mniej egzotyczne niż laboratoryjne kocięta Schrödingera. Być może najbardziej przystępny przejaw splątania ma miejsce w tym samym atomie, który wszyscy kochamy. Weźmy najprostszy atom - pierwszy element układu okresowego - wodór. Jak wszystkie inne atomy, składa się z jądra i elektronów, ale piękno atomu wodoru polega na tym, że ma tylko jeden elektron, a jądro jest znowu pojedynczą i prawie całkowicie elementarną cząstką - protonem, który różni się od głównie elektron, znak pozytywny ładunek elektryczny i bardzo dużą masę (prawie 2000 razy większą od masy elektronu).

W jednym z nich mówiłem o tym, że niektóre mikrocząstki, w szczególności elektron, mają taką cechę jak spin, czyli używając prostej analogii, obracają się wokół własnej osi w jednym z dwóch kierunków (zgodnie z ruchem wskazówek zegara lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara), co z kolei jest określone przez jedną z dwóch wartości tzw. projekcji spinowej. Zatem proton, podobnie jak elektron, ma spin i może „obracać się” w prawo lub w lewo. Co więcej, okazuje się, że „najwygodniejszym” stanem o najniższej energii dla elektronu i protonu tworzących atom wodoru jest taki, w którym obracają się one w przeciwnych kierunkach, jakby kompensując swoje spiny, tak że ich całkowity rzut wynosi zero (nawiasem mówiąc, ten fakt jest wykorzystywany do różnych obserwacji astrofizycznych).

To właśnie ta cecha wodoru kryje w sobie cenne splątanie i maleńkiego kotka Schrödingera wielkości atomu. Rzeczywiście, dopóki nie przeprowadzimy odpowiednich eksperymentów i nie zmierzymy rzutów spinu cząstek, nie wiemy, czy proton obraca się w prawo, czy w lewo. To samo możemy powiedzieć o elektronie. Wiemy jednak na pewno, że jeśli elektron obraca się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, to proton obraca się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara i odwrotnie.

W swoim słynnym artykule z 1935 roku A. Einstein, B. Podolsky i N. Rosen wskazali na wady teorii kwantowej, która operuje takimi stanami splątanymi (nazywa się je parami EPR od pierwszych liter nazwisk autorów pracy artykuł), w szczególności prowadząc do pozornej sprzeczności z teorią względności i paradoksalnego naruszenia związków przyczynowo-skutkowych. Ale więcej na ten temat już w.

A tak niektórzy artyści wyobrażają sobie splątanie kwantowe...