Paradoks kota Schrödingera. Wyjaśnienie znaczenia. Amerykański fizyk rozwiązuje paradoks kota Schrödingera

Pomimo tego, że model planetarny atom udowodnił swoją wartość, istniejąca wówczas teoria nie mogła w pełni wyjaśnić wszystkich procesów, które zaobserwowano w prawdziwe życie. Okazało się, że w rzeczywistości z jakiegoś powodu klasyczna mechanika newtonowska nie działa na poziomie mikro. Tych. prototyp modelu zapożyczony z prawdziwego życia nie odpowiada obserwacjom ówczesnych naukowców w przypadku rozważania atomu zamiast naszego Układu Słonecznego.

Na tej podstawie koncepcja została znacznie zmieniona. Jest taka dyscyplina jak mechanika kwantowa. U źródeł tego nurtu stał wybitny fizyk Erwin Schrödinger.

Pojęcie superpozycji

Główna zasada, która wyróżnia nowa teoria, jest zasada superpozycji. Zgodnie z tą zasadą kwant (elektron, foton lub proton) może znajdować się jednocześnie w dwóch stanach. Jeśli ułatwić zrozumienie to sformułowanie, wtedy otrzymujemy fakt, który jest całkowicie niemożliwy do wyobrażenia w naszych umysłach. Kwant może znajdować się jednocześnie w dwóch miejscach.

W momencie swojego pojawienia się ta teoria była sprzeczna nie tylko z mechaniką klasyczną, ale także zdrowy rozsądek. Nawet teraz osoba wykształcona, z dala od fizyki, nie wyobraża sobie takiej sytuacji. Ostatecznie to zrozumienie sugeruje, że on sam… czytelnik może być teraz i tu i tam. W ten sposób człowiek próbuje sobie wyobrazić przejście od makrokosmosu do mikrokosmosu.

Osobie przyzwyczajonej do doświadczania działania mechaniki newtonowskiej i postrzegania siebie w jednym punkcie przestrzeni niezwykle trudno było wyobrazić sobie przebywanie w dwóch miejscach jednocześnie. Oprócz, w związku z tym nie było teorii i wzorców w przejściu od makro do mikro. Nie było zrozumienia konkretnego wartości liczbowe i zasady.

Jednakże, urządzenia tamtych czasów umożliwiły już wyraźne naprawienie tego „dysonansu kwantowego”. Urządzenia laboratoryjne potwierdziły, że sformułowane postulaty są rzeczywiście spójne i kwant może znajdować się w dwóch stanach. Na przykład wokół jądra atomu zarejestrowano gaz elektronowy.

Oparte na tym, Schrödinger sformułował słynną koncepcję, znaną obecnie jako teoria kota.. Celem tego sformułowania było pokazanie, że teoria klasyczna fizyki, powstała ogromna luka, która wymaga dodatkowych badań.

Kot Shroedingera

Eksperyment myślowy dotyczący kota był taki kot został umieszczony w zamkniętym stalowym pudełku. Pudełko zostało wyposażone urządzenie z trujący gaz i urządzenie z jądrem atomu.

W oparciu o znane postulaty jądro atomu może rozpaść się na składniki w ciągu godziny, ale nie może się rozpaść. W związku z tym prawdopodobieństwo tego zdarzenia wynosi 50%.

Jeśli jądro rozpada się, uruchamiany jest kontrrejestrator i w odpowiedzi na to zdarzenie następuje uwolnienie substancja trująca z urządzenia opisanego wcześniej, które jest wyposażone w pudełko. Tych. kot umiera od trucizny. Jeśli tak się nie stanie, kot odpowiednio nie umrze. W oparciu o 50% szans na rozkład, istnieje 50% szans, że kot przeżyje.

Postępowanie i teoria kwantowa, Atom może znajdować się jednocześnie w dwóch stanach. Tych. atom zarówno rozpadł się, jak i nie rozpadł się. Oznacza to, że rejestrator zadziałał, rozbijając pojemnik trucizną i nie rozpadł się. Kot został otruty trucizną, a kot nie został jednocześnie otruty trucizną.

Ale aby wyobrazić sobie taki obraz, że otwierając pudełko, badacz od razu znalazł martwego i żywego kota jest po prostu niemożliwe. Kot jest żywy lub martwy. To jest paradoks sytuacji. Umysł widza nie jest w stanie wyobrazić sobie martwego kota.

Paradoks polega na tym, że kot jest obiektem makrokosmosu. W związku z tym powiedzieć o nim, że jest żywy i martwy, tj. jest w dwóch stanach naraz, podobnie jak kwant, nie będzie do końca poprawny.

Korzystając z tego przykładu, Schrödinger skoncentrował się właśnie na tym, że nie ma wyraźnych paraleli między makro- i mikroświatem.. Z kolejnych komentarzy ekspertów wynika, że ​​należy brać pod uwagę system detektor promieniowania-kot, a nie kot-widz. W systemie detektor-cat jest prawdopodobne tylko jedno zdarzenie.

Artykuł opisuje, czym jest teoria Schrödingera. Wkład tego wielkiego naukowca w nowoczesna nauka, a także wymyślony przez niego eksperyment myślowy o kocie. Pokrótce nakreślono obszar zastosowania tego rodzaju wiedzy.

Erwin Schrödinger

Znany kot, który nie jest ani żywy, ani martwy, jest teraz używany wszędzie. Kręci się o nim filmy, jego imieniem nazywają się społeczności o fizyce i zwierzętach, jest nawet taka marka odzieżowa. Ale najczęściej ludzie mają na myśli paradoks z nieszczęsnym kotem. Ale o jego twórcy, Erwinie Schrödingerze, z reguły zapominają. Urodził się w Wiedniu, będącym wówczas częścią Austro-Węgier. Był synem wysoko wykształconej i zamożnej rodziny. Jego ojciec, Rudolf, produkował linoleum, a także inwestował pieniądze w naukę. Jego matka była córką chemika i Erwin często chodził słuchać wykładów dziadka w akademii.

Ponieważ jedna z babć naukowca była Angielką, interesował się nim od dzieciństwa języki obce i biegle władał językiem angielskim. Nic dziwnego, że w szkole Schrödinger był co roku najlepszy w klasie, a na uniwersytecie pytał trudne pytania. W nauce początku XX wieku ujawniono już niespójności między bardziej zrozumiałą fizyką klasyczną a zachowaniem cząstek w mikro- i nanoświecie. Aby rozwiązać pojawiające się sprzeczności i włożył wszystkie swoje siły

Wkład do nauki

Na początek warto powiedzieć, że ten fizyk zajmował się wieloma dziedzinami nauki. Jednak mówiąc „teoria Schrödingera”, nie mamy na myśli matematycznie spójnego opisu koloru stworzonego przez niego, ale jego wkład w mechanikę kwantową. W tamtych czasach technologia, eksperyment i teoria szły ze sobą w parze. Rozwinęła się fotografia, zarejestrowano pierwsze widma i odkryto zjawisko radioaktywności. Naukowcy, którzy otrzymali wyniki, ściśle współpracowali z teoretykami: zgadzali się, uzupełniali i kłócili. Powstały nowe szkoły i gałęzie nauki. Świat zaczął bawić się zupełnie innymi kolorami, a ludzkość otrzymała nowe tajemnice. Pomimo złożoności aparatu matematycznego, aby opisać, czym jest teoria Schrödingera, zwykły język móc.

Świat kwantowy jest prosty!

Obecnie wiadomo, że skala badanych obiektów bezpośrednio wpływa na wyniki. Widoczne dla oka obiekty podlegają pojęciom fizyki klasycznej. Teoria Schrödingera ma zastosowanie do ciał o wymiarach sto na sto nanometrów i mniejszych. A najczęściej rozmawiamy ogólnie o pojedynczych atomach i mniejszych cząstkach. Tak więc każdy element mikrosystemów ma jednocześnie właściwości zarówno cząstki, jak i fali (dualizm cząstkowo-falowy). Od świat materialny elektrony, protony, neutrony itp. mają masę i związaną z nią bezwładność, prędkość, przyspieszenie. Z fali teoretycznej - parametry takie jak częstotliwość i rezonans. Aby zrozumieć, jak jest to możliwe jednocześnie i dlaczego są one nierozłączne, naukowcy musieli ponownie przemyśleć całą ideę struktury substancji w ogóle.

Teoria Schrödingera sugeruje, że matematycznie te dwie właściwości są powiązane za pomocą konstrukcji zwanej funkcją falową. Znalezienie matematycznego opisu tego pojęcia przyniosło Schrödinger nagroda Nobla. Jednak fizyczne znaczenie, jakie nadał jej autor, nie pokrywało się z ideami Bohra, Sommerfelda, Heisenberga i Einsteina, którzy założyli tzw. Interpretację Kopenhaską. Stąd wziął się paradoks kota.

funkcja falowa

Jeśli chodzi o mikrokosmos cząstki elementarne tracą znaczenie pojęć tkwiących w makroskalach: masa, objętość, prędkość, wielkość. A niestabilne prawdopodobieństwa wchodzą w grę. Obiekty o takich wymiarach nie mogą być ustalane przez osobę - dostępne są tylko pośrednie sposoby studiowania. Na przykład smugi światła na czułym ekranie lub folii, liczba kliknięć, grubość natryśniętej folii. Cała reszta to obszar obliczeń.

Teoria Schrödingera opiera się na równaniach wydedukowanych przez tego naukowca. A ich integralną częścią jest funkcja falowa. Jednoznacznie opisuje rodzaj i właściwości kwantowe badana cząstka. Uważa się, że pokazuje stan np. elektronu. Jednak sam w sobie, wbrew wyobrażeniom jego autora, nie ma fizycznego znaczenia. To tylko poręczne narzędzie matematyczne. Ponieważ nasz artykuł przedstawia teorię Schrödingera w prostych słowach, powiedz, że kwadrat funkcja falowa opisuje prawdopodobieństwo znalezienia systemu w określonym stanie.

Kot jako przykład obiektu makro

Z tą interpretacją, którą nazywa się Kopenhaga, sam autor nie zgodził się do końca życia. Był zniesmaczony niejasnością pojęcia prawdopodobieństwa i nalegał na widoczność samej funkcji, a nie jej kwadratu.

Jako przykład niespójności takich pomysłów podał, że w tym przypadku mikroświat oddziaływałby na makroobiekty. Teoria mówi tak: jeśli żywy organizm (na przykład kot) i kapsułka z trującym gazem zostaną umieszczone w szczelnie zamkniętym pudełku, które otwiera się w przypadku rozpadu pewnego pierwiastka promieniotwórczego i pozostaje zamknięte, jeśli rozpad nie następuje, to wcześniej otwierając pudełko dostajemy paradoks. Zgodnie z koncepcjami kwantowymi atom pierwiastka promieniotwórczego rozpadnie się z pewnym prawdopodobieństwem przez określony czas. Tak więc przed eksperymentalnym odkryciem atom jest zarówno nienaruszony, jak i nie. I, jak mówi teoria Schrödingera, z takim samym prawdopodobieństwem kot jest zarówno martwy, jak i żywy. Co, widzisz, jest absurdalne, ponieważ po otwarciu pudełka znajdziemy tylko jeden stan zwierzęcia. A w zamkniętym pojemniku, obok śmiertelnej kapsułki, kot jest martwy lub żywy, ponieważ te wskaźniki są dyskretne i nie oznaczają opcji pośrednich.

Istnieje konkretne, ale jeszcze nie do końca udowodnione wytłumaczenie tego zjawiska: wobec braku warunków ograniczających czas do określenia konkretnego stanu hipotetycznego kota, eksperyment ten jest niewątpliwie paradoksalny. Jednak reguł mechaniki kwantowej nie można stosować do makroobiektów. Nie udało się jeszcze wytyczyć precyzyjnej granicy między mikrokosmosem a zwyczajnością. Niemniej jednak zwierzę wielkości kota to bez wątpienia obiekt makro.

Zastosowania mechaniki kwantowej

W przypadku każdego, nawet teoretycznego zjawiska, pojawia się pytanie, w jaki sposób kot Schrödingera może być użyteczny. Teoria wielki wybuch na przykład opiera się właśnie na procesach, które się z tym wiążą eksperyment myślowy. Wszystko, co wiąże się z ultra-dużymi prędkościami, ultramałą strukturą materii, badaniem wszechświata jako takiego, wyjaśnia między innymi mechanika kwantowa.

Czy kot może być jednocześnie żywy i martwy? Ile istnieje? równoległe wszechświaty? A czy one w ogóle istnieją? To wcale nie są pytania z dziedziny fantazji, ale całkiem realne. zadania naukowe rozwiązany przez fizykę kwantową.

Więc zacznijmy od Kot Schrödingera. Jest to eksperyment myślowy zaproponowany przez Erwina Schrödingera, aby wskazać paradoks istniejący w fizyce kwantowej. Istota eksperymentu jest następująca.

W zamknięte pudełko w tym samym czasie umieszcza się wyimaginowany kot, a także ten sam wyimaginowany mechanizm z radioaktywnym rdzeniem i pojemnikiem z trującym gazem. Według eksperymentu, jeśli jądro rozpadnie się, uruchomi mechanizm: pojemnik z gazem otworzy się i kot umrze. Prawdopodobieństwo rozpadu jądrowego wynosi od 1 do 2.

Paradoks polega na tym, że zgodnie z mechaniką kwantową, jeśli jądro nie jest obserwowane, to kot znajduje się w tzw. superpozycji, czyli kot jest jednocześnie we wzajemnie wykluczających się stanach (jest zarówno żywy, jak i martwy). ). Jeśli jednak obserwator otworzy pudełko, może być pewien, że kot jest w jednym konkretnym stanie: jest żywy lub martwy. Według Schrödingera niekompletność teorii kwantowej polega na tym, że nie precyzuje ona, w jakich warunkach kot przestaje być w superpozycji i okazuje się albo żywy, albo martwy.

Ten paradoks potęguje eksperyment Wignera, który do istniejącego już eksperymentu myślowego dodaje kategorię przyjaciół. Według Wignera, kiedy eksperymentator otworzy pudełko, będzie wiedział, czy kot jest żywy, czy martwy. Dla eksperymentatora kot przestaje być w superpozycji, ale dla przyjaciela, który jest za drzwiami, a który jeszcze nie wie o wynikach eksperymentu, kot wciąż jest gdzieś „pomiędzy życiem a śmiercią”. Można to kontynuować z nieskończoną liczbą drzwi i przyjaciół, i zgodnie z podobną logiką kot będzie w superpozycji, dopóki wszyscy ludzie we wszechświecie nie będą wiedzieć, co eksperymentator zobaczył, gdy otworzył pudełko.

Jak fizyka kwantowa wyjaśnia taki paradoks? Fizyka kwantowa oferuje eksperyment myślowy samobójstwo kwantowe i dwa możliwe opcje rozwój wydarzeń, w oparciu o różne interpretacje mechanika kwantowa.

W trakcie eksperymentu myślowego wycelowany jest w uczestnika pistolet, który albo wystrzeli w wyniku rozpadu radioaktywnego atomu, albo nie. Znowu od 50 do 50. Zatem uczestnik eksperymentu albo umrze, albo nie, ale na razie jest, jak kot Schrödingera, w superpozycji.

Sytuację tę można interpretować na różne sposoby z punktu widzenia mechaniki kwantowej. Według Interpretacja kopenhaska, broń prędzej czy później wystrzeli, a uczestnik zginie. Zgodnie z interpretacją Everetta superpozycja zakłada istnienie dwóch równoległych wszechświatów, w których uczestnik jednocześnie istnieje: w jednym z nich żyje (broń nie wystrzeliła), w drugim jest martwy (z broni wystrzelonej). Jeśli jednak interpretacja wieloświatów jest poprawna, to w jednym ze wszechświatów uczestnik zawsze pozostaje przy życiu, co prowadzi do idei istnienia „nieśmiertelności kwantowej”.

Jeśli chodzi o kota Schrödingera i obserwatora eksperymentu, to według interpretacji Everetta znajduje się on również razem z kotem w dwóch Wszechświatach naraz, czyli w „języku kwantowym”, „uwikłany” z nim.

Brzmi jak historia z powieści fantasy, ale to jedna z wielu. teorie naukowe, który ma miejsce we współczesnej fizyce.

Kot Schrödingera to słynny eksperyment myślowy. Umieścił go słynny Laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki – austriacki naukowiec Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger.

Istota eksperymentu była następująca. W zamknięta komórka(pudełko) umieszczono kota. Pudełko jest wyposażone w mechanizm, który zawiera radioaktywny rdzeń i trujący gaz. Parametry są tak dobrane, aby prawdopodobieństwo rozpadu jądrowego w ciągu jednej godziny wynosiło dokładnie pięćdziesiąt procent. Jeśli rdzeń rozpadnie się, mechanizm zadziała i otworzy się pojemnik z trującym gazem. Dlatego kot Schrödingera umrze.

Zgodnie z prawem, jeśli nie obserwuje się jądra, to jego stany będą opisywane przez dwa podstawowe stany - jądro zepsutego i nierozpadniętego. I tu pojawia się paradoks: kot Schrödingera, który siedzi w pudełku, może być jednocześnie martwy i żywy. Ale jeśli pudełko zostanie otwarte, eksperymentator zobaczy tylko jeden konkretny stan. Albo „jądro rozpadło się i kot nie żyje” albo „jądro się nie rozpadło i kot Schrödingera żyje”.

Logicznie rzecz biorąc, będziemy mieli jedno z dwóch wyjść: albo żywy kot, albo martwy. Ale w potencjale zwierzę znajduje się jednocześnie w obu stanach. Schrodinger próbował w ten sposób udowodnić swoją opinię na temat ograniczeń mechaniki kwantowej.

Zgodnie z interpretacją kopenhaską, a w szczególności z tym eksperymentem, kot w jednej ze swoich potencjalnych faz (martwy żywy) nabywa te właściwości dopiero po ingerencji zewnętrznego obserwatora w ten proces. Ale tak długo, jak ten obserwator nie jest obecny (to oznacza obecność określonej osoby, która ma cnoty jasności widzenia i świadomości), kot będzie w zawieszeniu „między życiem a śmiercią”.

Słynna starożytna przypowieść o samotnie chodzącym kocie nabiera nowych, ciekawych odcieni w kontekście tego eksperymentu.

Według Everetta, który wyraźnie różni się od klasycznego kopenhaskiego, proces obserwacji nie jest uważany za coś szczególnego. Oba stwierdzenia, że ​​kot Schrödingera może być w tej interpretacji, mogą istnieć w tej interpretacji. Ale dekoherują ze sobą. Oznacza to, że jedność tych stanów zostanie naruszona właśnie w wyniku interakcji z świat zewnętrzny. To obserwator otwiera pudełko i wprowadza niezgodę w stan kota.

Panuje opinia, że ​​decydujące słowo w tej sprawie należy pozostawić takiemu stworzeniu jak kot Schrödingera. Sensem tej opinii jest akceptacja faktu, że w całym eksperymencie to zwierzę jest jedynym absolutnie kompetentnym obserwatorem. Na przykład naukowcy Max Tegmark, Bruno Marshal i Hans Moraven przedstawili modyfikację powyższego eksperymentu, w którym głównym punktem widzenia jest opinia kota. W tym przypadku kot Schrödingera niewątpliwie przeżyje, ponieważ tylko kot, który przeżył, może obserwować rezultaty. Ale naukowiec Nadav Katz opublikował swoje wyniki, w których był w stanie „przywrócić” stan cząstki po zmianie jej stanu. W ten sposób szanse na przeżycie kota znacznie wzrastają.

Wielu słyszało zagadkę o kocie, który po dostaniu się do pudełka był od razu w kilku stanach i nie był ani martwy, ani żywy w tym samym czasie. Większość z nas słyszała o darze z nieszczęsnym kotem, ale nie o naukowcu, który go wymyślił. Twórcą zagadki jest wiedeński naukowiec Erwin Schrödinger.

Schrödinger urodził się w ówczesnej Austro-Węgrzech w zamożnej rodzinie. Ojciec Erwina zachęcał do nauki, a jego dziadek linia matczyna był chemikiem. Naukowiec dobrze się uczył w szkole i jako student zaczął myśleć o poważnych kwestiach fizyki. W tamtych czasach naukowcy badali zachowanie odkrytych wówczas cząstek elementarnych i próbowali wyjaśnić, dlaczego ich zachowania nie można opisać prawami fizyki klasycznej. Wielu teoretyków brało udział w dyskusjach, sporach, stawiało różne hipotezy itp. Schrödinger przedstawił swoją wizję natury fale elektromagnetyczne opisując je złożone równanie. Nawet jeśli wyjaśnienie matematyczne wymaga zapisania złożonej funkcji, teorię Schrödingera można również wyjaśnić w prosty sposób.

Istota teorii Schrödingera

Dziś wiadomo, że tylko zachowanie obiektów makroskopowych można opisać prawami fizyki klasycznej, a te, które nie są widoczne gołym okiem, w ogóle się do nich nie nadają. Teorię naukowca można zastosować tylko do tych obiektów, których wymiary są porównywalne z wymiarami cząsteczek, atomów, a nawet takich cząstek elementarnych, jak elektrony, protony i inne.

Zasugerował, że małe cząstki mają jednocześnie dwie właściwości: materię (masę, długość, prędkość) i fale (amplituda, częstotliwość itp.). Początkowo trudno było sobie wyobrazić, dlaczego tak się dzieje. Dlatego wszystkie nauki mechaniki klasycznej Newtona musiały zostać odrzucone. Schrödinger wierzył, że za pomocą matematyki nierozerwalny związek można wyjaśnić pisaniem. Z punktu widzenia matematyki naukowiec miał rację, ale jego wyjaśnienie związku jako fizyka okazało się błędne. Fizycy tacy jak Heisenberg, Bohr, Einstein i Sommerfeld obalili jego opinię. Stąd bierze się znana zagadka o kocie.

Postrzeganie mikroświata

Cząstki tworzące atom i same atomy są tak małe, że nie jesteśmy w stanie empirycznie oszacować ich masy, objętości, prędkości itp. parametry fizyczne. Naukowcy mogą jedynie rejestrować jasne paski, zmiany na specjalnej czułej błonie i na podstawie obliczeń określać cechy mikroobiektów.

Za pomocą funkcji matematycznej można opisać stan cząstki, ale jest to tylko narzędzie matematyczne, pozbawione fizycznego znaczenia. Za pomocą funkcji fali kwadratowej można jedynie określić, z jakim prawdopodobieństwem mikroelement będzie znajdował się w objętości przestrzeni uzyskanej z różniczkowych wartości współrzędnych. Tylko w ten sposób można w prostych słowach ujawnić istotę teorii Schrödingera, jak widzieli to tacy naukowcy jak Einstein, Heisenberg i inni.

Kot Schrödingera w prostych słowach

Sam naukowiec nieustannie się kłócił, nie rozpoznając innej idei swojego równania. Uważał, że jest ono, jak wywnioskowano, dość ilustracyjne, a samo pojęcie prawdopodobieństwa jest bardzo niejasne. Jego zdaniem mikroobiekty miałyby wpływ na makrokosmos, gdyby wszystko było tak, jak myśleli naukowcy, którzy się z nim nie zgadzali. Jako wizualne wytłumaczenie swojej poprawności podał przykład z kotem i pudełkiem, którego ściany nie pozwalają widzieć i słyszeć tego, co się w nim dzieje.

W tym pudełku znajduje się samodestrukcyjna kapsuła z trucizną i tylko jednym atomem pierwiastka promieniotwórczego. Prawdopodobieństwo rozpadu atomu w ciągu 1 godziny wynosi 50%. W przypadku próchnicy uruchamiany jest czujnik, który uruchamia mechanizm przeznaczony do zniszczenia kolby. Ale ponieważ można stwierdzić, czy rozpad atomu nastąpił tylko eksperymentalnie, czy ten proces czy nie, nie można tego wiedzieć. Nie da się też z całą pewnością stwierdzić, czy kot umarł, czy pozostał przy życiu. W związku z tym przed otwarciem pudełka można powiedzieć, że jest jednocześnie żywy i martwy, a po jego otwarciu można z całą pewnością stwierdzić, czy jedna z dwóch możliwości miała miejsce. Ponieważ nie ma innego stanu niż martwy lub żywy dla kota, niepowodzenie teorii kwantowej zostało wyraźnie pokazane. Dlatego w przyszłości nauka kwantowa ustanowiła pewne zasady jej stosowalności. Na koniec film o kocie Schrödingera.