Эксперимент шредингера с котом: Ученые записали парадокс кота Шредингера на камеру

Что доказал эксперимент с котом Шрёдингера?

На самом деле эксперимент «Кот Шрёдингера» не был настоящим экспериментом и поэтому ничего научно не доказывал. Кот Шредингера даже не является частью какой-либо научной теории. Он был просто учебным пособием, которое Эрвин Шредингер использовал, чтобы проиллюстрировать, как некоторые люди неправильно интерпретируют квантовую теорию.

Шредингер построил свой воображаемый эксперимент, чтобы продемонстрировать, что простые неверные толкования квантовой теории могут привести к абсурдным результатам, не соответствующим реальному миру. К сожалению, многие популяризаторы науки в наши дни восприняли абсурдность кота Шредингера и заявляют, что мир действительно устроен именно так.

В квантовой теории частицы могут одновременно существовать в суперпозиции состояний и коллапсировать в одно состояние при взаимодействии с другими частицами.

Некоторые ученые в то время, когда разрабатывалась квантовая теория (1930-е годы), переместились из области науки в область философии и заявили, что квантовые частицы коллапсируют в одно состояние только тогда, когда их видит сознательный наблюдатель. Эрвин Шредингер счел эту концепцию абсурдной и разработал свой мысленный эксперимент, чтобы прояснить абсурдный, но логичный результат таких утверждений.

В воображаемом эксперименте Шрёдингера кота помещают в коробку с небольшим количеством радиоактивного вещества. Когда радиоактивное вещество распадается, оно запускает счетчик Гейгера, который вызывает выброс яда или взрыв, который убивает кота.

Распад радиоактивного вещества подчиняется законам квантовой механики. Это означает, что атом изначально находится в комбинированном состоянии «распадется» и «не распадется». Если применить к этому случаю идею, основанную на наблюдении, сознательного наблюдателя нет (все находится в запечатанной коробке), поэтому вся система остается комбинацией двух возможностей. Кот оказывается и живой и мертвый одновременно. Но существование кота, который одновременно и мертв, и жив, абсурдно и не происходит в реальном мире.

Эйнштейн видел ту же проблему с идеей, управляемой наблюдателем, и поздравил Шредингера с его умной иллюстрацией, сказав: «Однако эта интерпретация самым элегантным образом опровергается вашей системой радиоактивный атом + счетчик Гейгера + усилитель + заряд пороха + кот в коробке, в котором пси-функция системы содержит кота как живого, так и разорванного на куски. Разве состояние кота может быть создано только тогда, когда физик исследует ситуацию в какой-то определенный момент времени?»

С тех пор появилось достаточно доказательств того, что коллапс волновой функции вызывается не только сознательными наблюдателями.

На самом деле каждое взаимодействие, которое совершает квантовая частица, может привести к коллапсу ее состояния. Тщательный анализ показывает, что эксперимент с котом Шредингера в реальном мире будет происходить следующим образом: как только радиоактивный атом взаимодействует со счетчиком Гейгера, он коллапсирует из нераспавшегося/распавшегося состояния в одно определенное состояние. Счетчик Гейгера определенно срабатывает, и кот определенно погибает. Или счетчик Гейгера точно не срабатывает и кот точно жив. Но обоих состояний не будет.

Таким образом, коллапс квантового состояния управляется не только сознательными наблюдателями, а «Кот Шредингера» был всего лишь учебным пособием, изобретенным для того, чтобы попытаться сделать этот факт более очевидным, доведя до абсурда идею управляемую наблюдателем.

К сожалению, многие научно-популярные авторы и в наши дни продолжают распространять заблуждение о том, что квантовое состояние (и, следовательно, сама реальность) определяется сознательными наблюдателями.

Они используют это ошибочное утверждение как трамплин для необоснованных и ненаучных дискуссий о природе реальности, сознания и даже мистицизма. Для них «Кот Шредингера» — не признак того, что их утверждения ошибочны, а доказательство того, что мир так же абсурден, как они утверждают. Они либо неправильно понимают Кота Шредингера, либо намеренно искажают его.

Подпишитесь на наш канал в Telegram

суть эксперимента, теория простыми словами

Кот Шредингера — один из самых доступных и понятных экспериментов, имеющих отношение к квантовой механике. Как обычно, расскажем просто о сложном, дадим понятное объяснение этому научному феномену.

Кратко об авторе эксперимента

Автором этого эксперимента стал австриец Эрвин Шредингер. Известный ученый, физик-теоретик, создатель квантовой механики получил Нобелевскую премию в 1933 году.   

Эрвину Шредингеру принадлежат несколько фундаментальных работ в области квантовой теории, которые лежат в основе волновой механики. Также он сформулировал 2 вида волновых уравнений: 

  • стационарное; 

  • временное. 

Ученый разработал волновую механическую теорию возмущений, смог получить решение для ряда конкретных физических задач. Шредингер предложил свое описание физического смысла волновой функции, также он подвергал критике общепринятую копенгагенскую интерпретацию квантовой механики. Кроме этого он является автором множества значительных работ в различных областях физики: 

  • статической механики; 

  • термодинамики; 

  • физике диэлектриков; 

  • теории цвета; 

  • электродинамики; 

  • общей теории относительности и космологии.



Источник: tatpin.ru

Эксперимент Шредингера

Чтобы понять суть эксперимента с котом, объясним, для чего этот опыт был придуман ученым.

Теория о поведении атомов

Эксперимент Шредингера вырос из критики ученым некоторых аспектов квантовой теории. 

Основной постулат теории гласит, что система находится в суперпозиции, пока за ней не производится наблюдение.

Суперпозиция — это парадокс, который предполагает наличие двух или более состояний, которые взаимоисключают друг друга. В научном мире суперпозицией называют способность кванта (электрона, фотона или ядра атома) быть одновременно в двух состояниях и находиться в двух разных точках пространства тогда, когда за ним никто не наблюдает.

Науке XIX века было известно, что в квантовом мире действуют одни физические законы, в макромире — совершенно другие. Но не было концепции, объясняющей переход от одного мира к другому. Шредингер создал свой эксперимент, чтобы показать пробелы в знаниях в квантовой физике. Во многом благодаря деятельности и работе ученого в научном мире произошло разделение физической науки на две части: классическую и квантовую.

Суть эксперимента

О мысленном эксперименте, получившем название «Кот Шредингера» ученый рассказал в 1935 году. В основе опыта лежит принцип суперпозиции. Ученый акцентировал внимание на том, что пока за фотоном не установлено наблюдение, он может быть:

  • частицей или волной; 

  • красным или зеленым; 

  • круглым или квадратным. 

Из теории квантового дуализма сам собой вытекает принцип неопределенности, который и лег в основу опыта про кота. 

Суть эксперимента следующая: 

  1. В закрытом ящике находятся кот, емкость с синильной кислотой и радиоактивное вещество. 

  2. В течение часа ядро может распасться с вероятностью 50%. 

  3. В случае распада атомного ядра, счетчик Гейгера зафиксирует это событие. Произойдет срабатывание механизма, будет разбита емкость с отравой, и кот умрет. 

  4. Соответственно, если ядро не распадается, кот остается живым. 

Эксперимент говорит о том, что пока за котом и ядром нет наблюдения, они одновременно находится в двух, исключающих друг друга состояниях: кот одновременно живой и мертвый, ядро атома — распавшееся и не распавшееся. Ученый доказал, что то, что возможно в квантовом мире, невозможно в макромире. Кот не может одновременно умереть и остаться в живых. 



Источник: cnx.org

Копенгагенская интерпретация теории

Копенгагенской интерпретацией называют современное толкование эксперимента Шредингера. Оно звучит так: пока в системе нет наблюдателя за ядром атома, оно одновременно является распавшимся и нераспавшимся. Но утверждение о живом и мертвом коте одновременно, ошибочно, потому что в макромире нет явлений, подобных тем, что происходят в микромире. В данном эксперименте следует рассматривать ядро атома и счетчик Гейгера.

Считается, что Шредингер описал систему своего опыта недостаточно полно. Ядро атома может выбрать одно из двух состояний в тот момент, когда производят измерения. Но этот выбор имеет значение не тогда, когда открывают коробку с котом. Открытие ящика актуально в макромире, далеком от атомного. Ядро же выбирает свое состояние в тот момент, когда его состояние фиксирует счетчик Гейгера.

Многомировая интерпретация Эверетта

В интерпретации квантовой механики, нет дилеммы взаимоисключающих друг друга состояний. Оба состояния кота — живого и мертвого — существуют, но декогерируют. Т.е., когда ящик открывают, происходит расщепление или распараллеливание Вселенной на две, в одной из них наблюдатель видит мертвого кота, в другой — живого.

Практическое применение теории

Теория Шредингера получила практическое применение: 

  • в квантовых вычислениях;

  • в квантовой криптографии. 

Приведем пример:

Световой сигнал передается по оптическому волокну, которое находится в суперпозиции двух состояний. В случае подключения злоумышленников к кабелю и отвода сигнала для прослушивания передаваемой информации произойдет схлопывание волновой функции (по копенгагенской интерпретации появится наблюдатель) и свет перейдет в одно из двух состояний. Произведя измерения света на приемном конце оптического волокна, можно установить, будет ли свет находиться в суперпозиции состояний, вычислить произведенное над ним наблюдение и передачу в другой пункт. Таким образом можно создать средства связи, исключающие незаметный для передающего перехват сигнала и подслушивание информации третьими лицами.

Как видите, эксперимент с котом Шредингера не самое сложное понятие в физике. Разобраться с ним достаточно легко. Так же просто специалисты Феникс.Хелп могут объяснить более сложные опыты, понятия и формулы. Смело обращайтесь за помощью!

Эксперимент с котом Шредингера и загадка, которая правит современной физикой

Задолго до того, как кошки завоевали Интернет, два величайших физика нашего времени — Эрвин Шредингер и Альберт Эйнштейн — разработали то, что почти похоже на зловещий мысленный эксперимент.

Это выглядит примерно так: У вас есть кошка в полностью запечатанной коробке, непроницаемой для любого наблюдения снаружи. Внутри находится своего рода устройство, включающее счетчик Гейгера, яд и радиоактивный материал, атомы которого могут или не могут войти в состояние распада с равной вероятностью в течение часа. Если хотя бы один атом распадается, счетчик Гейгера обнаруживает излучение и запускает молоток, который разбивает пузырек с ядом, убивая кошку. Если ни один атом не распадается, то кошка живет.

Конечно, устройство было только теоретическим. Шредингер разработал сценарий в дискуссии с Эйнштейном в ответ на неправильные толкования квантовой механики в то время. Это был способ описать, как концепция, которая, казалось, применима к мельчайшим электронам в атомах, может быть применима к сложному объекту в макроскопическом мире — в данном случае кошке.

В то время как кот Шредингера остается чем-то вроде печально известного мысленного эксперимента, исходное уравнение, из которого он первоначально вывел сценарий, стало основой квантовой механики. Он включает в себя идею о том, что что-то может находиться в двух одновременных состояниях и становиться одним или другим только при наблюдении, обнаружении или даже при взаимодействии с другими частицами. Эта фундаментальная теория физики имеет современные приложения, которые включают в себя все, от суперкомпьютеров до химии и сверхпроводящих магнитов.

«[Уравнение Шредингера] похоже на современную версию закона Ньютона», — говорит Чен Ван, доцент кафедры физики Массачусетского университета в Амхерсте.

Теория под вопросом

В 1920-х годах Шредингер и другие физики занимались проблемой, которую не могла объяснить классическая физика. Чем меньше становится частица, тем менее ясным становится ее положение или скорость.

«Квантовая механика добавляет уровень нечеткости к положению частиц», — говорит Ван.

Электроны составляют основу теории, в частности, один электрон в атоме водорода. В то время как ученые ранее описывали электроны как вращающиеся вокруг ядра атома, квантовые физики заметили, что все не так просто. Скорее, они как бы существовали в нескольких местах одновременно. Или они мигали взад и вперед, между определенными областями, не появляясь между ними. На самом деле, единственное, что вы можете сказать наверняка, это то, что электрон не находится в одном месте в одно и то же время.

«Принципиально неясно, где именно находится положение [электрона], — говорит Ван.

Вместо этого вы должны описать положение электрона в виде волновой функции или распределения вероятностей, которое описывает, где электрон с большей вероятностью появится. Термин суперпозиция в квантовой физике используется для описания того, как электрон в этом случае может существовать в нескольких положениях одновременно.

Связывание вещей

Если вы еще не заблудились, идея становится еще более безумной, когда вы добавляете дополнительный электрон. Например, в гелии, который имеет два электрона, каждый из них может быть описан только как вероятно находящийся в данной области в данное время. Но они также могут взаимодействовать и влиять друг на друга, несмотря на расстояние, в процессе, известном как квантовая запутанность или «призрачное действие на расстоянии», как назвал это Эйнштейн.

Другой способ думать об этом состоит в том, что изменение состояния одного электрона означает, что состояние другого также должно измениться.

«Описание двух электронов не может быть получено непосредственно путем размышления о двух независимых формах», — говорит Фредерик Штраух, физик из Уильямс-колледжа в Массачусетсе. «Мы можем думать о них как о прыжках между разными формами».

Девять жизней или два состояния?

Сценарий Шрёдингера с мертвым — или неживым — котом в коробке включает в себя мысленный эксперимент по описанию того, как состояние электронов может повлиять на что-то гораздо большее в макромире. Он создал ее в ответ на теорию квантовой механики других физиков, названную Копенгагенской интерпретацией, чтобы показать потенциальные недостатки их точки зрения.

Поскольку мы не можем заглянуть в ящик в конце часа или послать внутрь какой-либо зонд, по мнению копенгагенских теоретиков, радиоактивные атомы остаются в суперпозиции распада или нераспада. Кот, в свою очередь, зависит от этой суперпозиции, так как мы не знаем, жив он или мертв. В квантовом смысле его суперпозиция остается в обоих состояниях одновременно, как волновая функция, одновременно живая и мертвая. Запутанность представлена ​​связью между радиоактивными атомами и кошкой, говорит Штраух.

(Источник: Nutkins.J/Shutterstock)

Когда мы открываем коробку и заглядываем внутрь, или если внешний мир как-то взаимодействует с внутренней частью коробки, волновая функция вынуждена коллапсировать в одно состояние, и кошка становится мертвым или живым.

Дело в том, что Шредингер на самом деле не хотел, чтобы к ситуации относились серьезно. Тот факт, что любопытство наблюдающего ученого может убить кошку, должен был показать, насколько смехотворной была прежняя интерпретация квантовой механики.

«Он как бы намекает на то, что эту теорию довольно глупо применять к макроскопическому миру», — говорит Ван. — Может быть, чего-то не хватает.

Но с тех пор его мысленный эксперимент обрел собственную жизнь (или смерть), и многие люди верят, что кошка будет мертва и жива одновременно. Единственный недостаток такого мысленного эксперимента может заключаться в нашей технической неспособности провести такой эксперимент.

Кошки, настоящее и будущее

Даже если сам Шредингер не верил, что теория кошек возможна, современные исследователи пытаются применить некоторые из этих теорий на практике. В 2016 году Вану и его коллегам удалось продемонстрировать, что можно запутать несколько частиц. Им удалось измерить запутанность до 80 фотонов, или световых частиц, помещенных в специальные ящики, соединенные сверхтоком, протекающим без напряжения. Проще говоря, это означало, что вращение, которое они придавали фотонам в одном ящике, можно было наблюдать в другом ящике, даже если они не вращали последний. Фотоны без спина также существовали в обоих ящиках. Метафорически это похоже на то, как живую кошку и мертвую кошку нашли в двух разных коробках, которые были взаимосвязаны.

Квантовая механика уже находит практическое применение. Квантовые вычисления — это один из методов, в котором использование суперпозиции и запутанности позволяет выполнять вычисления быстрее, чем классические компьютеры. Штраух говорит, что у этого есть много потенциальных применений, но исследователи уже на пороге использования их для расчета химических формул в виртуальном пространстве для разработки лекарств.

Но может пройти много времени, прежде чем исследователи найдут способ провести эксперимент Шредингера. Если они когда-нибудь это сделают, а даже сам человек считал это маловероятным, то это может показать, как микроскопический квантовый мир может влиять на макроскопический мир.

Подробнее:

Квантовый Интернет поразит вас. Вот как это будет выглядеть

Почему квантовая механика до сих пор ставит физиков в тупик
Новая теория всего объединяет квантовую механику с теорией относительности. .. и многое другое

Эксперимент с котом Шредингера для чайников (шаг за шагом)

Вот самое простое объяснение эксперимента с котом Шредингера:

Вероятность появления кота Шредингера составляет 50%. смерти и 50% жизни через час в экспериментальной коробке.

Пока кошка в коробке, она и мертва, и жива (Копенгагенская интерпретация).

Вы не знаете, чего не можете наблюдать.

Если вы хотите, наконец, раз и навсегда понять эксперимент Шредингера с котом, то вы попали по адресу.

Начинаем!

Эксперимент с котом Шрёдингера стал проще

Природа Полдень редко погружается в физику, не говоря уже о базарном мире квантовой физики.

Тем не менее, некоторые квантовые концепции, безусловно, заслуживают изучения, они необычайно увлекательны и просты для понимания.

Одним из самых известных квантовых экспериментов был кот Шрёдингера .

Без лишних слов, давайте углубимся в  Объяснение кота Шредингера:

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: не пытайтесь провести этот эксперимент

Эксперимент с котом Шредингера – это то, что мы называем мысленным экспериментом .

Другими словами, мы не  на самом деле  проведите эксперимент. Вместо этого мы используем только наше воображение и рассуждения.

На самом деле, как мы позже узнаем, физически невозможно провести эксперимент с котом Шрёдингера, даже если бы мы захотели. При этом ни при каких обстоятельствах не пытайтесь проводить этот эксперимент.

Эта статья предназначена исключительно для ознакомления с целью эксперимента, а не для его проведения.

Среди плодотворной карьеры Шредингера, получившей Нобелевскую премию, был его печально известный эксперимент с кошкой.

На самом деле, этот эталонный эксперимент был предметом шуток, рубашек, эпизодов телешоу и многого другого.

Тем не менее, эксперимент Шредингера с кошкой со временем был неправильно истолкован и понят.

Таким образом, простой подход этой статьи помогает нам полностью понять, откуда взялся гениальный Эрвин.

Объяснение кота Шредингера: эксперимент

Сначала кошку помещают в запечатанный ящик на один час.

Также в коробке находятся:

  • Контейнер с радиоактивным материалом
  • Счетчик Гейгера (простой прибор для обнаружения радиоактивных частиц)
  • Молоток
  • Контейнер со смертельным цианидом одна радиоактивная частица будет испущена в течение одного часа.

    Если вы не уверены, почему  радиоактивный материал может сделать это…

    Radioactive Decay Refresh

    Радиоактивные материалы содержат дополнительную энергию и кажутся нестабильными.

    Следовательно, чтобы снова стать стабильными, они высвобождают или излучают  этой энергии в виде частиц.

    Мы называем это радиоактивным распадом .

    Далее наш счетчик Гейгера будет ожидать испускания радиоактивной частицы.

    И если он зафиксирует частицу, то уронит молот.

    В результате молоток разбивает контейнер со смертельным цианидом, убивая кошку.

    Наконец, когда вы откроете коробку, кошка будет либо мертва, либо жива, в зависимости от результата.

    Однако, прежде чем открыть коробку, кошка мертва и жива.

    На самом деле, это и есть цель эксперимента Шрёдингера с котом.

    Но как же так?

    Разъяснение кота Шрёдингера: результаты

    Фактически, этот мыслительный процесс известен как Копенгагенская интерпретация квантовой физики.

    Другими словами, простое наблюдение за материей фактически меняет результат того, что с ней происходит.

    Странно, да?

    Действительно, именно поэтому мы ранее в этой статье заявляли, что физически нельзя провести этот эксперимент, даже если бы они этого захотели.

    Видите ли, основное внимание в эксперименте уделяется тому, что до наблюдения кошка была и мертва, и жива одновременно.

    Таким образом, визуальное наблюдение или наблюдение за кошкой в ​​течение ее часов в бою x времени может изменить и предотвратить результат.

    Прикольно подумать, не так ли?

    На самом деле, да, материя может находиться где угодно.

    Но вероятность нахождения материи в одних местах намного выше, чем в других.

    Например, атом углерода в вашем бриллиантовом кольце прямо сейчас может находиться на Луне.

    Однако гораздо более вероятно, что атом углерода находится у вас на пальце.

    Вы не можете знать, где что-то находится, пока не увидите это.

    Пока не увидишь, Копенгагенская интерпретация говорит, что атом есть и его нет.

    Пока не увидишь частицу, не поймешь, есть она или нет.

    Это имеет смысл в квантовой физике, но не в физике реального мира.

    Собственно, именно такой стиль мышления и был целью кота Шрёдингера.

    Видите ли, в то время как Шредингер нашел такие возможности верными для отдельных частиц, они были бы невозможны для более крупных объектов, таких как кошки.

    Фактически, Шредингер создал свой знаменитый мысленный эксперимент с кошкой, чтобы показать, насколько абсурдна копенгагенская интерпретация для более крупных объектов.