Shroedingerin kissa

Schrödingerin kissa (alun perin "kissa") on ajatuskoe , jonka ehdotti yksi kvanttimekaniikan luojista Erwin Schrödinger vuonna 1935 keskusteltuaan aaltofunktion fyysisestä merkityksestä . Kokeen aikana ilmaantuu elävän ja kuolleen kissan superpositio , joka näyttää terveen järjen kannalta absurdilta [1] .

Schrödingerin artikkeli

Artikkelissa Naturwissenschaften -lehdessä, joka julkaistiin vuonna 1935 vastauksena Einsteinin, Podolskyn ja Rosenin työhön , Schrödinger käsittelee kvanttimekaniikan tulkintaa , erityisesti aaltofunktion fysikaalista merkitystä.

Ensinnäkin (pykälässä 4) hän hylkää mahdollisuuden, että hiukkasen kuvaus aaltofunktion avulla heijastaa vain tietämättömyyttämme dynaamisten muuttujien (jotka kuitenkin todella olemassa ) tarkoista arvoista . Edelleen (kohdassa 5) Schrödinger kysyy: sitten, ehkä muuttujat ovat todella "takeroitu" hiukkasen aaltofunktion mukaisesti? Ei, hän vastaa. Ympäröikäämme radioaktiivinen atomi elektroneille herkällä näytöllä. Laajentumisen aikana emittoidun elektronin aaltofunktio on pallomainen aalto . Itse asiassa elektroni putoaa kuitenkin yhteen tiettyyn ruudun pisteeseen (vaikka joka kerta eri kohtaan), eikä se "taistu" tasaisesti sen päälle.

Tällaisiakin esimerkkejä löytyy, Schrödinger sanoo:

Laitetaan kissa teräskasakaappiin helvetillisen koneen kanssa (suojattu kissalta). Radioaktiivisen materiaalin rake asetetaan Geiger-laskuriin , niin pieni, että yksi atomeista voi hajota tunnissa, mutta yksikään ei voi hajota samalla todennäköisyydellä. Jos atomi hajoaa, releen kautta oleva laskuri aktivoi vasaran, joka rikkoo syaanivetyhapon pullon . Jättämällä tämän järjestelmän itselleen tunniksi, sanomme, että kissa on edelleen elossa , jos yksikään atomi ei ole hajonnut tänä aikana. Ensimmäinen rappeutuminen olisi myrkyttänyt kissan. Koko systeemin ψ -funktio ilmaisi tämän sillä, että elävä ja kuollut kissa (niin sanotusti) sekoitetaan tai levitetään yhtä suuressa suhteessa [2] .

Alkuperäinen teksti  (saksa)[ näytäpiilottaa] Eine Katze wird in eine Stahlkammer gesperrt, zusammen mit folgender Höllenmaschine (die man gegen den direkten Zugriff der Katze sichern muß): in einem Geigerschen Zählrohr befindet sich eine winzige Mengevon radioaktiver Lausunto, fmenda studi den, so wen im vienes . ebenso wahrscheinlich aber auch keines; geschieht es, so spricht das Zählrohr an und betätigt über ein Relais ein Hämmerchen, das ein Kölbchen mit Blausäure zertrümmert. Hat man dieses ganze System eine Stunde lang sich selbst überlassen, so wird man sich sagen, daß die Katze noch lebt, wenn inzwischen kein Atom zerfallen ist. Der erste Atomzerfall würde sie vergiftet haben. Die ψ -Funktion des ganzen Systems würde das so zum Ausdruck bringen, daß in ihr die lebende und die tote Katze (svv) zu gleichen Teilen gemischt oder verschmiert sind [3] .

Mutta ilmeisesti kissa ei voi olla elossa ja kuollut yhtä aikaa. Näin ollen, päättää Schrödinger, emme voi olettaa, että todellisuus on todella "tahroitunut" aaltofunktion mukaan.

Tämä kokeilu vetosi Einsteiniin , jonka tiedetään koskaan hyväksyneen kvanttimekaniikan Kööpenhaminan tulkintaa . Hän kirjoitti Schrödingerille: "Kuten ennenkin, niin nyt olen vakuuttunut siitä, että aineen aaltoesitys ei ole täydellinen esitys asioiden tilasta, vaikka se osoittautuikin käytännössä hyödylliseksi. Esimerkkisi kissan kanssa osoittaa sen erittäin hienosti…” [2]

Kokeen selitykset

Kvanttimekaniikan mukaan, jos ytimen yli ei tehdä havaintoa, niin sen tilaa kuvataan kahden tilan - rappeutuneen ytimen ja rappeutumattoman ytimen - superpositiolla (sekoituksella), joten laatikossa istuva kissa on sekä elossa että kuollut. samaan aikaan. Jos laatikko avataan, kokeilija näkee vain yhden tietyn tilan - "ydin on rappeutunut, kissa on kuollut" tai "ydin ei ole rappeutunut, kissa on elossa".

Kysymys kuuluu: milloin järjestelmä lakkaa olemasta kahden tilan seoksena ja valitsee yhden konkreettisen? Kokeen tarkoituksena on osoittaa, että kvanttimekaniikka on epätäydellinen ilman sääntöjä, jotka määrittelevät, missä olosuhteissa aaltofunktio romahtaa , ja kissa joko kuolee tai pysyy hengissä, mutta lakkaa olemasta molempien sekoitus.

Koska on selvää, että kissan on välttämättä oltava joko elävä tai kuollut (ei ole olemassa tilaa, joka yhdistää elämän ja kuoleman), tämä on sama atomiytimen osalta. Sen on välttämättä oltava joko rappeutunut tai rappeutumaton.

Suurissa monimutkaisissa järjestelmissä, jotka koostuvat monista miljardeista atomeista, dekoherenssi tapahtuu melkein välittömästi, ja tästä syystä kissa ei voi olla sekä kuollut että elossa minkään mitattavan pituisen ajan. Dekoherenssiprosessi on olennainen osa kokeilua.

Kööpenhaminan tulkinta

Kööpenhaminan tulkinnassa järjestelmä lakkaa olemasta tilojen sekoitus ja valitsee niistä yhden havaintohetkellä. Koe kissalla osoittaa, että tässä tulkinnassa juuri tämän havainnon - mittauksen  - luonnetta ei ole määritelty tarpeeksi. Jotkut uskovat, että kokemus viittaa siihen, että niin kauan kuin laatikko on suljettuna, järjestelmä on molemmissa tiloissa samanaikaisesti: tilojen "hajoanut ydin, kuollut kissa" ja "hajoamaton ydin, elävä kissa" superpositiossa ja kun laatikko avataan. , vasta sitten aaltofunktio romahtaa johonkin vaihtoehdoista. Toiset arvaavat, että "havainto" tapahtuu, kun ytimestä peräisin oleva hiukkanen osuu ilmaisimeen; kuitenkin (ja tämä on ajatuskokeilun avainkohta) Kööpenhaminan tulkinnassa ei ole selkeää sääntöä, joka sanoisi milloin tämä tapahtuu, ja siksi tämä tulkinta on epätäydellinen, kunnes tällainen sääntö sisällytetään siihen tai ei kerrota, kuinka se tapahtuu. voidaan esitellä. Tarkka sääntö on tämä: satunnaisuus ilmenee siinä kohdassa, jossa klassista approksimaatiota käytetään ensimmäistä kertaa.

Näin ollen voimme luottaa seuraavaan lähestymistapaan: makroskooppisissa järjestelmissä emme havaitse kvanttiilmiöitä (paitsi superfluiditeetin ja suprajohtavuuden ilmiöt ); joten jos asetamme kvanttitilan päälle makroskooppisen aaltofunktion, meidän on kokemuksesta pääteltävä, että superpositio romahtaa. Ja vaikka ei ole täysin selvää, mitä tarkoittaa, että jokin on "makroskooppista" yleensä, kissasta tiedetään varmasti, että se on makroskooppinen esine. Näin ollen Kööpenhaminan tulkinta ei ota huomioon , että kissa olisi ennen laatikon avaamista elävien ja kuolleiden välillä sekoittumassa.

Everetin monien maailmojen tulkinta ja yhteistyöhistoriat

Kvanttimekaniikan monien maailmojen tulkinnassa , joka ei pidä mittausprosessia mitenkään erikoisena, kissan molemmat tilat ovat olemassa, mutta dekoheri . Kun tarkkailija avaa laatikon, hän sotkeutuu kissaan, ja tämä johtaa kahteen tarkkailijatilaan, jotka vastaavat elävää ja kuollutta kissaa, jotka eivät ole vuorovaikutuksessa toistensa kanssa. Sama kvanttidekoherenssimekanismi on tärkeä myös yhteiselle historialle . Tässä tulkinnassa voi olla vain "kuollut kissa" tai "elävä kissa" jaetussa historiassa.

Toisin sanoen, kun laatikko avataan, maailmankaikkeus jakautuu kahdeksi erilaiseksi universumiksi, joista toisessa tarkkailija katsoo laatikkoa kuolleella kissalla ja toisessa elävää kissaa.

Kosmologi Max Tegmark on ehdottanut muunnelmaa Schrödingerin kissakokeesta nimeltä " kvanttiitsemurhakone ". Hän tarkastelee kissakoetta kissan itsensä näkökulmasta ja väittää, että tällä tavalla voidaan kokeellisesti erottaa Kööpenhaminan ja monien maailmojen tulkinnat. Toinen kokeilun muunnelma on kokeilu Wignerin ystävän kanssa .

Fyysikko Stephen Hawking huudahti kerran: "Kun kuulen Schrödingerin kissasta, käteni kurkottaa aseeseen!" Hän mukaili tunnetun sanonnan eräältä Hans Jostin Schlageterin hahmoista : "Wenn ich 'Kultur' höre, entsichere ich meinen Browning!" ("Kun kuulen sanan "kulttuuri", otan turvallisuuden pois Browningiltani !").

Itse asiassa Hawking, kuten monet muut fyysikot, oli sitä mieltä, että kvanttimekaniikan tulkinnan "Kööpenhaminan koulukunta" korostaa havainnoijan roolia kohtuuttomasti. Lopullista yhtenäisyyttä fyysikkojen kesken tässä asiassa ei ole vielä saavutettu.

Maailman rinnakkaistuminen kullakin ajanhetkellä vastaa aitoa ei-determinististä automaattia, toisin kuin todennäköisyyspohjainen, kun jokaisessa vaiheessa valitaan yksi mahdollisista poluista niiden todennäköisyyden mukaan.

Wignerin paradoksi

Tämä on monimutkainen versio Schrödingerin kokeesta. Eugene Wigner esitteli "ystävät"-luokan. Kokeen päätyttyä kokeilija avaa laatikon ja näkee elävän kissan. Kissan tilavektori laatikon avaushetkellä menee tilaan "ydin ei ole hajonnut, kissa on elossa". Siten laboratoriossa kissa tunnistettiin eläväksi. Laboratorion ulkopuolella on ystävä . Ystävä ei vielä tiedä, onko kissa elossa vai kuollut. Ystävä tunnistaa kissan eläväksi vasta, kun kokeen tekijä ilmoittaa hänelle kokeen tuloksesta. Mutta kaikki muut ystävät eivät ole vielä tunnistaneet kissaa elossa ja tunnistavat sen vasta, kun heille kerrotaan kokeen tulos. Näin ollen kissaa voidaan pitää täysin elävänä (tai täysin kuolleena) vain, kun kaikki maailmankaikkeuden ihmiset tietävät kokeen tuloksen. Tähän asti Suuren Universumin mittakaavassa kissa pysyy Wignerin mukaan elossa ja kuolleena samanaikaisesti [4] .

Useimmat fyysikot uskovat kuitenkin, että elottomat esineet voivat poistaa kvanttijärjestelmät superpositiosta dekoherenssin avulla. Voidaan sanoa, että funktio romahtaa objektiivisesti: riippumatta siitä, onko tarkkailijoita ja heidän "ystäviä" ollenkaan. [5]

Käytännön sovellus

Yllä olevaa sovelletaan käytännössä: kvanttilaskennassa ja kvanttisalauksessa . Kuituoptinen kaapeli lähettää valosignaalin, joka on kahden tilan superpositiossa . Jos hyökkääjät muodostavat yhteyden kaapeliin jossain keskellä ja tekevät signaalin napautuksen salakuunnellakseen lähetetyn tiedon, tämä romahtaa aaltofunktion (Kööpenhaminan tulkinnan näkökulmasta tehdään havainto), ja valo menee johonkin tiloista. Kaapelin vastaanottopään valon tilastollisten testien jälkeen on mahdollista selvittää, onko valo tilojen superpositiossa vai onko se jo havaittu ja siirretty toiseen pisteeseen. Tämä mahdollistaa viestintävälineiden luomisen, jotka sulkevat pois huomaamattoman signaalin sieppauksen ja salakuuntelun.

Kokeilu (joka periaatteessa voidaan suorittaa, vaikka toimivia kvanttisalauksen järjestelmiä, jotka pystyvät siirtämään suuria määriä informaatiota, ei ole vielä luotu) osoittaa myös, että "havainnolla" Kööpenhaminan tulkinnassa ei ole mitään tekemistä tarkkailijan mielen kanssa, koska tässä tapauksessa tilastojen muutos kaapelin päähän johtaa täysin elottomaan langan haaraan.

Kvanttilaskennassa Schrodingerin kissatila on erityinen kubittien kietoutunut tila , jossa ne kaikki ovat samassa superpositiossa kaikkien nollien tai ykkösten kanssa, eli .

Katso myös

Muistiinpanot

  1. ↑ Belinsky A. V., Chirkin A. S. QUANTUM PARADOXES Arkistokopio päivätty 16. toukokuuta 2021 Wayback Machinessa // Great Russian Encyclopedia . Osa 13. Moskova, 2009, s. 469.
  2. ↑ 1 2 Schrödinger E. Valittuja kvanttimekaniikan teoksia. - M .: Nauka, 1976. - S. 335.
  3. ↑ Schrödinger E. Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik  (saksa)  // Naturwissenschaften. - 1935. - Bd. 23 , H. 48 . - S. 807-812 . - doi : 10.1007/BF01491891 .
  4. ↑ EPWigner. Huomautuksia mielen ja kehon kysymyksestä, LG Goodissa, toimittaja. The Scientist Speculates, s. 284-302, Lontoo, Heinemann, 1961.
  5. ↑ Wignerin paradoksi: mitä sinun tulee tietää todellisuuden kaksinaisuudesta? . earth-chronicles.ru . Haettu 5. joulukuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 5. joulukuuta 2021.