Många har hört detta uttryck, men kanske inte alla förstår till och med dess förenklade betydelse. Låt oss försöka ta reda på det utan komplicerade teorier och formler.
"Schrödingers katt" är namnet på det berömda tankeexperimentet av den berömda österrikiska teoretiska fysikern Erwin Schrödinger, som också är Nobelprisvinnare. Med denna fiktiva erfarenhet ville forskaren visa ofullständigheten i kvantmekanik i övergången från subatomära system till makroskopiska system.
Erwin Schrödingers ursprungliga artikel publicerades 1935. Här är en offert:
Du kan också konstruera fall där burlesk räcker. Låt någon katt låsas i en stålkammare tillsammans med följande djävulska maskin (som borde vara oberoende av kattens ingripande): inuti Geiger-disken finns en liten mängd radioaktivt ämne, så liten att bara en atom kan ruttna på en timme, men med samma sannolikheten kanske inte sönderfaller; om detta inträffar tappas avläsningsröret och reläet utlöses, vilket släpper hammaren, vilket bryter konen med hydrocyansyra.
Om du lämnar hela systemet för sig själv i en timme, kan vi säga att katten kommer att leva efter denna tid, så länge atomens förfall inte inträffar. Det första förfallet av en atom skulle ha förgiftat katten. Systemets psi-funktion som helhet kommer att uttrycka detta genom att blanda eller smeta en levande och en död katt (ledsen för uttrycket) i lika delar. I sådana fall är typiskt att osäkerheten, ursprungligen begränsad till atomvärlden, omvandlas till makroskopisk osäkerhet, som kan elimineras genom direkt observation. Detta hindrar oss från att naivt acceptera "suddighetsmodellen" som återspeglar verkligheten. I sig själv betyder detta inte något oklart eller motsägelsefullt. Det finns en skillnad mellan ett oskarpt eller out-of-focus-foto och ett foto av moln eller dimma.
Med andra ord:
- Det finns en låda och en katt. Lådan innehåller en mekanism som innehåller en radioaktiv atomkärna och en behållare med giftig gas. Parametrarna för experimentet valdes så att sannolikheten för kärnkraftsförfall på 1 timme är 50%. Om kärnan sönderdelas öppnas en behållare med gas och katten dör. Om kärnan inte förfaller, förblir katten levande och väl.
- Vi stänger katten i en låda, väntar en timme och frågar oss: är katten levande eller död?
- Kvantmekanik berättar som sagt att atomkärnan (och därför katten) är i alla möjliga tillstånd samtidigt (se kvantens superposition). Innan vi öppnade lådan är "kattkärnan" -systemet i tillståndet "kärnan har förfallit, katten är död" med en sannolikhet på 50% och i staten "har kärnan inte förfallit, katten lever" med en sannolikhet på 50%. Det visar sig att katten som sitter i lådan är både levande och död på samma gång.
- Enligt den moderna Köpenhamnstolkningen är katten levande / död utan mellanstat. Och valet av tillståndet för kärnkraftsförfall sker inte när lådan öppnas, utan också när kärnan kommer in i detektorn. Eftersom reduktionen av vågfunktionen för "kattdetektor-kärnan" -systemet inte är förknippad med lådaens mänskliga observatör, utan är associerad med kärnans detektorobservatör.
Kampanjvideo:
Enligt kvantmekanik, om ingen observation görs över kärnan i en atom, beskrivs dess tillstånd genom blandning av två tillstånd - en sönderdelad kärna och en olöst kärna, därför är en katt som sitter i en låda och personifierar atomens kärna både levande och död på samma gång. Om lådan öppnas kan experimentet bara se ett specifikt tillstånd - "kärnan har förfallit, katten är död" eller "kärnan har inte förfallit, katten lever."
Kärnan i mänskligt språk: Schrödingers experiment visade att en katt ur kvantmekanikens synvinkel både är levande och död, vilket inte kan vara. Därför har kvantmekanik betydande brister.
Frågan är: när upphör systemet att existera som en blandning av två tillstånd och välja ett specifikt? Målet med experimentet är att visa att kvantmekanik är ofullständig utan några regler som anger under vilka förhållanden vågfunktionens kollaps inträffar, och katten antingen blir död eller förblir vid liv, men upphör att vara en blandning av båda. Eftersom det är uppenbart att katten nödvändigtvis måste vara antingen levande eller död (det finns inget tillstånd mellan liv och död), kommer detta att vara detsamma för atomkärnan. Det måste antingen sönderdelas eller inte sönderdelas (Wikipedia).
En annan nyare tolkning av Schrödingers tankeexperiment är en berättelse av Sheldon Cooper, hjälten i TV-serien Big Bang Theory, som han levererade till Pennys mindre utbildade granne. Kärnan i Sheldons berättelse är att begreppet Schrödingers katt kan tillämpas i relationer mellan människor. För att förstå vad som händer mellan en man och en kvinna, vilken typ av relation mellan dem: bra eller dåligt, du behöver bara öppna lådan. Innan dess är relationer både bra och dåliga.
Nedan är en video av denna Big Bang Theory-dialog mellan Sheldon och Singing.
Schrödingers illustration är det bästa exemplet för att beskriva kvantfysikens huvudparadox: enligt dess lagar finns partiklar som elektroner, fotoner och till och med atomer i två tillstånd på samma gång ("levande" och "död", om du kommer ihåg den länge lidande katten). Dessa tillstånd kallas superpositioner.
Den amerikanska fysikern Art Hobson från University of Arkansas (Arkansas State University) erbjöd sin egen lösning på denna paradox.
”Mätningar i kvantfysik baseras på driften av vissa makroskopiska enheter, till exempel Geiger-räknaren, som bestämmer kvanttillståndet i mikroskopiska system - atomer, fotoner och elektroner. Kvantteori innebär att om du ansluter ett mikroskopiskt system (partikel) till en viss makroskopisk enhet som skiljer två olika tillstånd i systemet, så kommer enheten (till exempel Geiger-räknaren) att gå in i ett tillstånd av kvantförvirring och kommer också att vara i två superpositioner samtidigt. Det är dock omöjligt att observera detta fenomen direkt, vilket gör det oacceptabelt, säger fysikern.
Hobson säger att katten i Schrödingers paradox spelar rollen som ett makroskopiskt instrument, en Geiger-räknare fäst vid en radioaktiv kärna, för att bestämma förfallets tillstånd eller "icke-förfall" av den kärnan. I detta fall är en levande katt en indikator på "icke-förfall" och en död katt är en indikator på förfall. Men enligt kvantteorin måste katten, som kärnan, vara i två superpositioner av liv och död.
Istället, enligt fysikern, måste kattens kvanttillstånd vara sammansvetsat med atomens tillstånd, vilket betyder att de är i "icke-lokal anslutning" med varandra. Det vill säga, om tillståndet för ett av de intrasslade föremål plötsligt ändras till motsatsen, kommer parets tillstånd att förändras på exakt samma sätt, oavsett hur långt från varandra de är. På så sätt hänvisar Hobson till experimentell bekräftelse av denna kvantteori.
”Det mest intressanta i teorin om kvantförvirring är att förändringen i tillståndet för båda partiklarna sker direkt: ingen ljus eller elektromagnetisk signal skulle ha tid att överföra information från ett system till ett annat. Således kan vi säga att detta är ett objekt, uppdelat i två delar per rymden, oavsett hur stort avståndet mellan dem,”förklarar Hobson.
Schrödingers katt är inte längre levande och död på samma gång. Han är död om förfall inträffar och levande om förfall aldrig uppstår.
Vi tillägger att liknande alternativ för att lösa denna paradox föreslogs av ytterligare tre forskargrupper under de senaste trettio åren, men de togs inte på allvar och förblev obemärkt i stora vetenskapliga kretsar. Hobson konstaterar att lösning av kvantmekanikens paradoxer, även teoretiska, är absolut nödvändig för dess djupa förståelse.
Du kan läsa mer om fysikerens arbete i hans artikel som publicerades i tidskriften Physical Review A.
Schrödinger.
Men nyligen förklarade TEORETIK HUR GRAVITY DÖDAR SCHRODINGERS KAT, men det är redan svårare …
Som regel förklarar fysiker fenomenet att superposition är möjlig i partiklarnas värld, men inte möjligt med katter eller andra makroobjekt, störningar från miljön. När ett kvantobjekt passerar genom ett fält eller interagerar med slumpmässiga partiklar antar det omedelbart bara ett tillstånd - som om det mättes. Så förstör superpositionen, som forskare trodde.
Men även om det på något sätt blev möjligt att isolera ett makroobjekt i ett tillstånd av superposition från interaktioner med andra partiklar och fält, skulle det fortfarande förr eller senare anta ett enda tillstånd. Åtminstone är detta sant för de processer som sker på jordens yta.
”Någonstans i det interstellära rummet kanske en katt skulle ha en chans att upprätthålla kvantkoherens, men på jorden eller nära någon planet är detta extremt osannolikt. Och orsaken till detta är allvar,”förklarar huvudförfattaren till den nya studien, Igor Pikovski, från Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.
Pikovsky och hans kollegor vid universitetet i Wien hävdar att tyngdkraften har en destruktiv effekt på kvantesuperpositioner av makroobjekt, och därför observerar vi inte sådana fenomen i makrokosmos. Det grundläggande begreppet för den nya hypotesen sammanfattas förresten i spelfilmen Interstellar.
Einsteins allmänna relativitetsteori säger att ett extremt massivt objekt kommer att böjas i rymden nära den. Med tanke på situationen på en finare nivå kan vi säga att tiden för en molekyl placerad nära jordens yta kommer att gå något långsammare än för den i vår planet.
På grund av gravitationens påverkan på rymdtiden kommer en molekyl som har kommit under detta inflytande att uppleva en avböjning i sin position. Och detta i sin tur borde påverka dess inre energi - vibrationer av partiklar i en molekyl, som förändras över tid. Om en molekyl infördes i ett tillstånd av kvantesuperposition av två platser, skulle förhållandet mellan position och intern energi snart tvinga molekylen att "välja" bara en av de två positionerna i rymden.
"I de flesta fall är fenomenet decoherence förknippat med yttre påverkan, men i detta fall interagerar den inre vibrationen av partiklar med rörelsen hos molekylen själv," förklarar Pikovsky.
Denna effekt har ännu inte observerats, eftersom andra källor till decoherence, såsom magnetfält, värmestrålning och vibrationer, vanligtvis är mycket starkare och orsakar förstörelse av kvantsystem långt innan gravitationen gör det. Men experter försöker testa den angivna hypotesen.
Markus Arndt, en experimentell fysiker vid universitetet i Wien, genomför experiment för att observera kvantens superposition i makroskopiska föremål. Den skickar små molekyler till interferometern, vilket ger partikeln ett "val" vilken väg att ta. Ur klassisk mekanikens synvinkel kan en molekyl bara gå en väg, men en kvantmolekyl kan gå två vägar på en gång, blanda sig själv och skapa ett karakteristiskt vågigt mönster.
En liknande inställning kan också användas för att testa gravitationsförmågan att förstöra kvantsystem. För att göra detta kommer det att vara nödvändigt att jämföra de vertikala och horisontella interferometrarna: i den första försvinner superpositionen snart på grund av tidsutvidgning i olika "höjder" på banan, medan i den andra kan kvantsuperpositionen kvarstå.