Содержание
физики научились управлять состоянием наночастиц
Главная
Наука Кота Шрёдингера можно спасти: физики научились управлять состоянием наночастиц
Фото: pixabay.com
Американские учёные научились предсказывать квантовые переходы внутри атомов. Это позволяет управлять их состоянием и получать достаточно точные предупреждения грядущих катастроф. Об этом сообщает журнал Nature со ссылкой на комментарий физика Йельского Университета Златко Минева.
Что такое «парадокс Кота Шрёдингера» простыми словами?
Все так или иначе слышали о феномене кота Шрёдингера, но далекие от квантовой физики люди, скорее всего, слабо представляют себе, что это за эксперимент и зачем он нужен.
«Кот Шрёдингера» — так называемый «мысленный эксперимент» ученого и лауреата Нобелевской премии Эрвина Шредингера.
Его суть такова: у нас есть кот и некий ящик. В ящике находится устройство, содержащее радиоактивное атомное ядро и ёмкость с ядовитым газом. Вероятности распада или нераспада этого ядра одинаковы. Если ядро распадается — ёмкость с газом открывается и кот погибает. Если же ядро не распадается — кот выживает.
Если судить по теории квантовой механики, то ядро в течение этого часа может находится в «суперпозиции» — во всех возможных состояниях одновременно. Следовательно, и кот, находящийся в ящике, может быть и живым, и мёртвым одновременно. А, так как это противоречит всем законам, то Эрвин Шредингер справедливо доказал абсурдность квантовой механики.
Как американские учёные собрались «спасать» кота?
Многое физики-теоретики после Шрёдингера рассуждали над этим мысленным экспериментом. Датский учёный Нильс Бор, например, пришёл к выводу, что распад радиоактивного атома может произойти в любой момент времени и предсказать этот момент невозможно.
Йельские физики же продвинулись дальше в эксперименте с котом Шрёдингера. Они создали искусственные аналоги атома, которые могли находится в двух состояниях одновременно: в так называемом «светлом» (которое можно увидеть) и «темном» (скрытом). Движение атома настраивалось таким образом, чтобы он постоянно менял свои состояния.
Однако, наблюдая за сменой состояний, физики заметили, что при переходе со «светлого» в «темное» происходило короткое «затемнение» в долях микросекунд. И этого времени было достаточно, чтобы поменять программу атома и предотвратить переход в «темное состояние», а за ним и его распад.
Что дал этот эксперимент?
Подобный результат показал, что теория Бора отчасти неверна: квантовые переходы можно предугадать, пусть и не в долгосрочной перспективе.
Иными словами, судьба кота в данном случае зависит не только от фортуны: при определённых обстоятельствах и умении принимать быстрые решения кота можно спасти от неминуемой гибели.
К такому выводу пришли учёные в результате эксперимента.
Читайте новости в нашем Телеграме.
загрузка страницы…
Счастливый кот Шредингера и его собратья, замученные во имя науки
«Живого кота помещают в коробку с запечатанным пузырьком яда, который может разбиться в любой момент. И так как никто не знает, был ли выпущен яд до момента открытия коробки, кот может быть одновременно и жив, и мёртв», – так суть эксперимента объясняет герой сериала «Теория Большого Взрыва» Шелдон.
Герой Джима Парсонса из «Теории Большого Взрыва»
Фото: Clubhousenews.com
Данный опыт был призван проиллюстрировать некоторые аспекты копенгагенской интерпретации квантовой теории. И коту на этот раз повезло – эксперимент был мысленным. Проще говоря, никакого замученного кота просто не было.
Эрвин Шрёдингер
Фото: Hearthis.at
В науке так бывает далеко не всегда.
Ежегодно в лабораториях учёных гибнут миллионы животных. Прогресс знаний оплачивается их страданиями. И очевидно, что как минимум в некоторых случаях жертвы выглядят совсем необязательными. Несмотря на весь научный авторитет их мучителей.
Роберт Вуд
Фото: osa.org
Зато кот, вполне реальный, а не умозрительный, был у американского физика Роберта Вуда. И наилучшее применение, которое учёный муж смог найти своему четвероногому другу – протирать им (котом) спектрограф в своей домашней лаборатории. Это была такая 15-метровая деревянная труба диаметром 15 сантиметров, торчавшая из стены сарая. В одном конце – дифракционная решетка, в другом – зеркало. Со временем, в приборе образовывался слой пыли, нарушавший точность экспериментов. Но вот подобраться к дорогой и высокоточной оптике было непросто. Не долго думая, учёный взял кошку, запустил её в трубу, и закрыл одно из отверстий. Всё, что оставалось ошалевшему от испуга коту – ползти к единственному выходу, протирая боками стенки прибора и бесценные линзы.
Чертёж спектрографа
Коллаж: Пятый канал
Впрочем, и этому коту повезло в сравнении с сотнями собак русского физиолога Ивана Павлова. Учёного, вне всякого сомнения, выдающегося, внёсшего огромный вклад в науку и занимающее заслуженное место на исследовательском Олимпе. Но вот по дороге к этой вершине крови было пролито немало. Например, некоторым подопытным вскрывали брюхо, перерезали проток поджелудочной железы и вставляли в него стеклянную трубку, чтобы изучить влияние нервной системы на работу пищеварения. Многие животные не выжили, зато открытия учёного впоследствии спасли миллионы жизней. Нельзя не заметить, что сам Павлов зверюшек любил и старался по возможности уменьшить их страдания.
Иван Павлов, физиолог, лауреат Нобелевской премии
Фото: Sciencepenguin.com
«Когда я приступаю к опыту, связанному в конце с гибелью животного, я испытываю тяжелое чувство сожаления, что прерываю ликующую жизнь, что являюсь палачом живого существа.
Когда я режу и разрушаю живое животное, я глушу в себе едкий упрек, что грубою невежественною рукой ломаю невыразимо художественный механизм. Но это переношу в интересах истины и пользы людям», – говорил Павлов.
Фото: Mnogodum.com
Собаки заслуженного американского биолога и врача Роберта Корниша имели ещё более страшную судьбу, но в отличие от собак Павлова их жертва была напрасной. Учёный запатентовал несколько изобретений, некоторые из которых актуальны даже в наши дни. Но прославился он не этим, а обещанием воскрешать мертвых, если их органы не понесли сильных повреждений. Биолог назвал четырёх фокстерьеров Лазарями и задушил их, а затем впрыскивал в мертвые тела медикаменты и организовал искусственное кровообращение. В результате двое из четырех Лазарей действительно воскресли и прожили в мучениях ещё несколько месяцев. При этом свои последние дни они провели слепыми и с повреждённым мозгом. Повторить тот же опыт с человеком учёному не разрешили.
Роберт Корниш с «воскрешённой» собакой
Фото: livejournal.
com
Джеймс Олдс считается одним из основателей современной нейробиологии, его вклад в науку велик и разнообразен, но в учебники и масскультуру вошёл один единственный опыт. О том, как крысы в его лаборатории добровольно расставались с жизнью от удовольствия. Его кратко и ёмко описали в одном из своих произведений братья Стругацкие.
Коллаж: Пятый канал
«Олдс и Милнер занимались экспериментами по мозговой стимуляции. Они вживляли электроды в мозг белых крыс. У них была варварская техника и варварская методология, но, отыскав в мозгу у крыс центры наслаждения, они добились того, что животные часами нажимали на рычажок, замыкающий ток в электродах, производя до восьми тысяч самораздражений в час. Эти крысы не нуждались ни в чем реальном. Они знать ничего не хотели, кроме рычага. Они игнорировали пищу, воду, опасность, самку, их ничто в мире не интересовало, кроме рычага стимулятора. Позже опыты были поставлены на обезьянах и дали те же результаты», – отмечали писатели.
Фото: Suvt1.rudn.ru
А недавно от рук учёных погибло старейшее животное на Земле – 507-летний моллюск Мин. Он был современником эпохи великих географических открытий и Мартина Лютера. И погиб, пока биологи пытались определить его возраст. О своём рекорде Мин уже не узнает.
Фото: Pavlonews.info
Перечислять всех замученных во имя науки животных можно бесконечно. Масштабы явления потрясают. Ежегодно жертвами лабораторных экспериментов становятся до 15 миллионов братьев наших меньших. При этом споры об этичности подобных опытов с каждым годом становятся всё горячее, а многие учёные уверены, что без особых последствий для науки без них вполне возможно обойтись.
Александр Саблин
№ 347: КОТ ШРЕДИНГЕРА Джон Х. Линхард Щелкните здесь для прослушивания аудио эпизода 347.
|
При столкновении он может отскочить
Нет знаний о системе внутри
ЭтотЧто мы ошибаемся в коте Шредингера?
.. [+] жизнь или смерть кота в коробке, вы можете интуитивно понять, что это означает, пока вы не откроете коробку, кошка находится в суперпозиции мертвого и живого состояний. Настоящая история намного богаче.Гетти
Одной из самых странных идей о квантовой Вселенной является понятие неопределенных состояний. В нашей обычной макроскопической Вселенной мы привыкли к тому, что вещи просто существуют определенным, непротиворечивым образом. Смотрим мы на что-то или нет, оно просто существует, независимо от наших наблюдений. Но в квантовой Вселенной отдельные системы ведут себя по-разному в зависимости от того, измеряете вы их или нет. Возможно, самая известная популяризация этой идеи представлена в виде кота Шредингера, где система устроена так, что если радиоактивный атом распадается, кот умирает, а если нет, то кот живет. Но вокруг этого эксперимента больше мифов, чем правды, и Дэйв Вагнер хочет, чтобы мы их распутали, предлагая:
Я только что читал одну из ваших статей «Основные n мифов/неправильных представлений о.
..» и подумал, что хорошей идеей будет «Основные n мифов/неправильных представлений о коте Шредингера».
..» и подумал, что хорошей идеей будет «Основные n мифов/неправильных представлений о коте Шредингера».Давайте посмотрим, что на самом деле стоит за этим знаменитым мысленным экспериментом.
Thierry Dugnolle / Public Domain
Во-первых, важно понять, откуда пришла идея кота Шредингера: реальный физический эксперимент с однозначными, но очень неинтуитивными результатами. Все, что вам нужно сделать, это направить немного света на две тонкие, близко расположенные щели и наблюдать, какой визуальный рисунок появляется на экране с другой стороны.
Пока ваш свет имеет одинаковую длину волны и вы смотрите только на экран, вы получите интерференционную картину или альтернативный набор множества светлых и темных полос.
Но если вы затем признаете, что «свет состоит из фотонов, и каждый отдельный фотон должен пройти через одну или другую щель», вы начнете видеть странность в игре. Даже посылая фотоны по одному, вы все равно получаете интерференционную картину. И тогда у вас появляется блестящая идея измерить, через какую щель проходит каждый фотон. Как только вы это сделаете – а у вас это, кстати, получится – интерференционная картина исчезнет.
Пользователь Wikimedia Commons Inductiveload
Как это понять? Этот эксперимент во многом является окончательной иллюстрацией того, как работает квантовая физика, а также почему она такая странная.
Как будто отдельные кванты сами ведут себя как волны и интерферируют друг с другом, проходя через обе щели одновременно и создавая наблюдаемую картину. Но если вы осмелитесь пойти и измерить их – таким образом, определив, через какую щель они проходят – они проходят только через одну или другую щель и больше не создают помех.
Это очень ясно проясняет одну вещь: акт наблюдения за квантовой системой может на самом деле очень сильно изменить результат. Но это, как и большинство открытий в физике, вызывает только больше вопросов. При каких условиях наблюдение меняет результат? Что представляет собой наблюдение? И должен ли человек быть «наблюдателем», или может быть достаточно неорганического, неживого измерения?
Р. Бах и др., Новый журнал физики, том 15, март 2013 г.
Все это хорошие вопросы, и размышления именно о них привели Эрвина Шредингера к формулировке его знаменитого кошачьего парадокса. Это выглядит примерно так:
- вы настраиваете закрытую систему, т.е. коробку,
- где внутри коробки находится квантовая система, похожая на один радиоактивный атом,
- и когда атом распадается, открывается дверь,
- за этой дверью отравленный кошачий корм,
- , а также в коробке кот, который съест еду, когда она станет доступной,
- , так что вы ждете один период полураспада,
- и тут вы задаете ключевой вопрос: кот жив или мертв?
Вот и все. Это полная идея мысленного эксперимента с котом Шредингера.
geralt / pixabay
Итак, что происходит, когда вы открываете коробку?
Открытие коробки должно быть эквивалентно наблюдению, поэтому либо:
- вы найдете мертвую кошку, которая съела пищу, которая была обнаружена при распаде радиоактивного атома, либо
- вы найдете живого кота, у которого не было обнаружено никакой еды, а первоначальный радиоактивный атом еще не распался.
Но до того, как вы откроете коробку – поскольку именно так работают квантовые системы – система кошка/еда/атом должна находиться в суперпозиции обоих состояний. Существует лишь неопределенная вероятность того, что атом распался, и поэтому атом должен находиться в суперпозиции распавшегося и нераспавшегося состояний одновременно. Поскольку распад атома управляет дверью, дверь управляет едой, а еда определяет, будет кошка жить или умрет, то и сама кошка должна находиться в суперпозиции квантовых состояний. Каким-то образом кошка наполовину мертва и наполовину жива, пока не будет сделано наблюдение.
Пользователь Wikimedia Commons Dhatfield
Короче говоря, это самый большой миф и заблуждение, связанное с котом Шредингера.
На самом деле, сам Эрвин Шредингер не представлял свою «кошачью» идею в качестве предполагаемого эксперимента. Он придумал его не для того, чтобы задавать глубокие вопросы о роли человека в процессе наблюдения. На самом деле он не утверждал, что сам кот будет находиться в суперпозиции квантовых состояний, где он одновременно частично мертв и частично жив, подобно тому, как фотон частично проходит через обе щели в эксперименте с двумя щелями.
Каждая идея в этом направлении сама по себе является мифом и заблуждением, которое противоречит исходной цели Шредингера, поставившего этот мысленный эксперимент. Его истинное предназначение? Чтобы проиллюстрировать, как легко прийти к абсурдному предсказанию — например, к предсказанию одновременно полумертвого и полуживого кота — если вы неверно интерпретируете или неправильно понимаете квантовую механику.
C. Neill et al. (2017), arXiv:1709.06678v1, quant-ph
Другими словами, почти все, что вы когда-либо слышали о коте Шредингера, вероятно, является мифом, за единственным исключением того факта, что квантовые системы на самом деле хорошо описаны. вероятностно взвешенной суперпозицией всех возможных, допустимых состояний, и что наблюдение или измерение всегда выявляют одно и только одно окончательное состояние.
Это не только верно, но и независимо от того, какую квантовую интерпретацию вы выберете. Неважно, выбираете ли вы один результат из совокупности всех возможных результатов; не имеет значения, переводите ли вы неопределенную волновую функцию в определенное состояние; не имеет значения, попадаете ли вы в одну конкретную Вселенную из бесконечного набора параллельных Вселенных.
Важно только то, что произошло квантовое наблюдение.
.. [+] параллельных вселенных, которые содержат все возможные результаты квантово-механической системы, и что при наблюдении просто выбирается один путь. Эта интерпретация интересна с философской точки зрения, но наш кот будет либо мертвым, либо живым, а не суперпозицией того и другого, независимо от поведения стороннего наблюдателя.Кристиан Ширм
На самом деле кошка сама по себе является вполне полноценным наблюдателем. Факт открывания двери или ворот и срабатывания управляющего ими механизма — совершенно верное наблюдение. Бросить туда счетчик Гейгера, прибор, чувствительный к радиоактивному распаду, будет считаться наблюдением. И действительно, любое необратимое взаимодействие, происходящее внутри этой системы, даже если она будет полностью отрезана от внешнего мира в этом ящике, обнаружит одно и только одно определенное состояние: либо атом распался, либо нет.
Причина, лежащая в основе этого, заключается просто в том, что каждое взаимодействие между двумя квантовыми частицами может определять квантовое состояние, эффективно разрушая квантовую волновую функцию в наиболее распространенной интерпретации.
На самом деле распад (или нераспад) атома вызовет (или не сработает) дверной механизм, и только благодаря этому прямо здесь и происходит переход от этого причудливого квантового поведения к нашему знакомому классическому поведению.
Эндрю Фракной, Дэвид Моррисон и Сидни Вольф / Университет Райс, согласно c.c.a.-4.0
Сам Шредингер был очень ясен в этом вопросе, заявив:
Для этих случаев характерно, что неопределенность, изначально ограниченная атомной областью, трансформируется в макроскопическую неопределенность, которая затем может быть разрешена непосредственным наблюдением.
Это мешает нам так наивно принять за действительную «размытую модель» для представления реальности. Само по себе оно не заключало бы в себе ничего неясного или противоречивого. Есть разница между дрожащей или расфокусированной фотографией и снимком облаков и гряды тумана.Другими словами, Шредингер знал, что кот должен быть либо мертв, либо жив. Сам кот никогда не будет находиться в суперпозиции квантовых состояний, а будет либо окончательно мертв, либо окончательно жив в любой момент времени. То, что ваша камера не в фокусе, утверждает он, не означает, что реальность принципиально размыта.
Группа Галактического центра Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе — W.M. Keck Observatory Laser Team
Когда Эйнштейн говорил о том, что «Бог не играет в кости со Вселенной», он имел в виду именно это. Фактически, Эйнштейн написал самому Шредингеру следующее, риторически задав вопрос: «Может ли состояние кошки быть создано только тогда, когда физик исследует ситуацию в какой-то определенный момент времени?»
Ответ, возможно, к сожалению, «конечно, нет». Это неопределенное квантовое поведение на самом деле чрезвычайно трудно поддерживать; это одна из основных проблем при создании крупномасштабных квантовых систем. Запутать всего несколько тысяч атомов на короткое время — совсем недавнее достижение, и одна из причин, по которой квантовые вычисления настолько сложны, заключается в том, что запутанные кубиты могут поддерживаться в неопределенном состоянии только в течение таких коротких промежутков времени.