Много хора са чували този израз, но може би не всеки разбира дори опростеното му значение. Нека се опитаме да го разберем без сложни теории и формули.
„Котката на Шрьодингер“е името на известния мисловен експеримент на известния австрийски теоретичен физик Ервин Шрьодингер, който е и носител на Нобелова награда. С този измислен опит ученият искаше да покаже непълнотата на квантовата механика при прехода от субатомни системи към макроскопични системи.
Оригиналната статия на Ервин Шрьодингер е публикувана през 1935г. Ето един цитат:
Можете също така да конструирате случаи, в които бурлеска е достатъчна. Нека някаква котка да бъде затворена в стоманена камера заедно със следната дяволска машина (която трябва да бъде независима от намесата на котката): вътре в брояча на Гейгер е малко количество радиоактивно вещество, толкова малко, че само един атом може да се разпадне за час, но със същата вероятността може да не се разпадне; ако това се случи, тръбата за четене се освобождава и релето се задейства, освобождавайки чука, който разрушава конуса с циановодородна киселина.
Ако оставите цялата тази система на себе си за един час, тогава можем да кажем, че котката ще остане жива след това време, стига да не се случи разпад на атома. Още първият разпад на атом би отровил котката. Пси-функцията на системата като цяло ще изрази това чрез смесване или намазване на жива и мъртва котка (извинявай за израза) в равни части. Характерно в такива случаи е, че несигурността, първоначално ограничена до атомния свят, се трансформира в макроскопична несигурност, която може да бъде премахната чрез пряко наблюдение. Това ни пречи наивно да приемаме „модела на размазване“като отразяваща реалност. Само по себе си това не означава нищо неясно или противоречиво. Има разлика между замъглена или извън фокусна снимка и снимка на облаци или мъгла.
С други думи:
- Има кутия и котка. Кутията съдържа механизъм, съдържащ радиоактивно атомно ядро и контейнер с отровен газ. Параметрите на експеримента са избрани така, че вероятността от ядрен разпад за 1 час да е 50%. Ако ядрото се разпадне, се отваря контейнер с газ и котката умира. Ако ядрото не се разпадне, котката остава жива и здрава.
- Затваряме котката в кутия, изчакваме един час и се питаме: котката е жива или мъртва?
- Квантовата механика ни казва, че атомното ядро (и следователно котката) е във всички възможни състояния едновременно (виж квантовата суперпозиция). Преди да отворим кутията, системата „котешко ядро“е в състояние „ядрото е разпадало, котката е мъртва“с вероятност 50%, а в състояние „ядрото не е разложило, котката е жива“с вероятност от 50%. Оказва се, че котката, седнала в кутията, е едновременно жива и мъртва.
- Според съвременната интерпретация от Копенхаген, котката е жива / мъртва без никакви междинни състояния. И изборът на състоянието на ядрен разпад се случва не в момента на отваряне на кутията, а и когато ядрото влезе в детектора. Тъй като намаляването на вълновата функция на системата "котка-детектор-ядро" не е свързано с човека-наблюдател на кутията, а е свързано с детектора-наблюдател на ядрото.
Промоционално видео:
Според квантовата механика, ако не се наблюдава наблюдение над ядрото на атом, тогава неговото състояние се описва чрез смесване на две състояния - разпадащо се ядро и неразтворено ядро, следователно котка, която седи в кутия и олицетворява ядрото на атом, е едновременно жива и мъртва. Ако кутията се отвори, тогава експериментаторът може да види само едно специфично състояние - „ядрото е разпадало, котката е мъртва“или „ядрото не е разпадало, котката е жива“.
Същността на човешкия език: експериментът на Шрьодингер показа, че от гледна точка на квантовата механика котка е жива и мъртва, което не може да бъде. Следователно, квантовата механика има значителни недостатъци.
Въпросът е: кога системата престава да съществува като смес от две състояния и избира едно конкретно? Целта на експеримента е да покаже, че квантовата механика е непълна без някои правила, които показват при какви условия се случва сривът на вълновата функция и котката или става мъртва, или остава жива, но престава да бъде смес от двете. Тъй като е ясно, че котката задължително трябва да е или жива, или мъртва (няма състояние междинно между живота и смъртта), тогава това ще бъде същото за атомното ядро. Тя трябва да бъде или дезинтегрирана, или неразпадаща се (Wikipedia).
Друга по-нова интерпретация на мисловния експеримент на Шрьодингер е история на Шелдън Купър, героят на телевизионния сериал Теория на големия взрив, която той предаде на по-слабо образованата съседка на Пени. Същността на историята на Шелдън е, че концепцията за котката на Шрьодингер може да се приложи в отношенията между хората. За да разберете какво се случва между мъж и жена, какви отношения между тях: добри или лоши, просто трябва да отворите кутията. Преди това отношенията са и добри, и лоши.
По-долу е видео на този диалог на теорията за големия взрив между Шелдън и Пеенето.
Илюстрацията на Шрьодингер е най-добрият пример за описание на основния парадокс на квантовата физика: според нейните закони частици като електрони, фотони и дори атоми съществуват в две състояния едновременно („жива“и „мъртва“, ако си спомняте многострадалната котка). Тези състояния се наричат суперпозиции.
Американският физик Арт Хобсън от Университета в Арканзас (Arkansas State University) предложи собствено решение на този парадокс.
„Измерванията в квантовата физика се основават на работата на някои макроскопични устройства, като брояча на Гайгер, които определят квантовото състояние на микроскопичните системи - атоми, фотони и електрони. Квантовата теория предполага, че ако свържете микроскопична система (частица) към определено макроскопско устройство, което разграничава две различни състояния на системата, тогава устройството (брояч на Гейгер, например) ще премине в състояние на квантово заплитане и също ще бъде в две суперпозиции едновременно. Въпреки това е невъзможно да се наблюдава това явление директно, което го прави неприемливо “, казва физикът.
Хобсън казва, че в парадокса на Шрьодингер котката играе ролята на макроскопичен инструмент, брояч на Гейгера, свързан с радиоактивно ядро, за да определи състоянието на разпад или „неразпад“на това ядро. В този случай живата котка ще бъде индикатор за „неразпад“, а мъртвата котка е индикатор за гниене. Но според квантовата теория, котката, подобно на ядрото, трябва да бъде в две суперпозиции на живот и смърт.
Вместо това, според физика, квантовото състояние на котката трябва да бъде заплетено със състоянието на атома, което означава, че те са в "не локална връзка" помежду си. Тоест, ако състоянието на един от заплетените обекти внезапно се промени в обратното, тогава състоянието на неговата двойка ще се промени по абсолютно същия начин, без значение колко далеч един от друг са те. Правейки това, Хобсън се позовава на експериментално потвърждение на тази квантова теория.
„Най-интересното в теорията за квантовото заплитане е, че промяната в състоянието на двете частици настъпва мигновено: нито един светлинен или електромагнитен сигнал няма да има време да прехвърля информация от една система в друга. Така можем да кажем, че това е един обект, разделен на две части по пространство, без значение колко голямо е разстоянието между тях “, обяснява Хобсън.
Котката на Шрьодингер вече не е жива и мъртва в същото време. Той е мъртъв, ако има гниене, и жив, ако разпад никога не се случи.
Добавяме, че подобни варианти за решаване на този парадокс бяха предложени от още три групи учени през последните тридесет години, но те не бяха взети насериозно и останаха незабелязани в широки научни среди. Хобсън отбелязва, че решаването на парадоксите на квантовата механика, дори теоретичната, е абсолютно необходимо за нейното дълбоко разбиране.
Можете да прочетете повече за работата на физика в статията му, публикувана в списанието Physical Review A.
Шрьодингер.
Но наскоро ТЕОРЕТИКАТА ИЗЛОЖЕН КАК ГРАВИТА УБИВА КАТА НА ШРОДИНГЪР, но това вече е по-трудно …
По правило физиците обясняват феномена, че суперпозицията е възможна в света на частици, но не е възможна с котки или други макро-обекти, намеса от околната среда. Когато квантов обект преминава през поле или взаимодейства със случайни частици, той веднага приема само едно състояние - сякаш е измерен. Така се разрушава суперпозицията, както вярват учените.
Но дори и по някакъв начин да стане възможно да се изолира макро-обект в състояние на суперпозиция от взаимодействия с други частици и полета, рано или късно той все пак ще приеме едно състояние. Поне това важи за процесите, протичащи на повърхността на Земята.
„Някъде в междузвездното пространство може би котка ще има шанс да поддържа квантова съгласуваност, но на Земята или в близост до която и да е планета това е изключително малко вероятно. И причината за това е гравитацията “, обяснява водещият автор на новото изследване Игор Пиковски от Харвард-Смитсонския център за астрофизика.
Пиковски и неговите колеги от Виенския университет твърдят, че гравитацията има разрушителен ефект върху квантовите суперпозиции на макрообъектите и затова не наблюдаваме подобни явления в макрокосмоса. Основната концепция на новата хипотеза, между другото, е обобщена в игралния филм Interstellar.
Общата теория на относителността на Айнщайн гласи, че изключително масивен обект ще огъне пространството време близо до него. Като се има предвид ситуацията на по-фино ниво, можем да кажем, че за молекула, поставена близо до повърхността на Земята, времето ще протече малко по-бавно, отколкото за тази в орбитата на нашата планета.
Поради влиянието на гравитацията върху пространството и времето, молекула, попаднала под това влияние, ще изпита отклонение в своето положение. А това от своя страна би трябвало да повлияе на вътрешната му енергия - вибрации на частици в молекула, които се променят с течение на времето. Ако молекулата беше въведена в състояние на квантова суперпозиция на две места, тогава връзката между положението и вътрешната енергия скоро би принудила молекулата да "избере" само едно от двете положения в пространството.
„В повечето случаи феноменът на декохеренцията е свързан с външно влияние, но в този случай вътрешната вибрация на частиците взаимодейства с движението на самата молекула“, обяснява Пиковски.
Този ефект все още не е наблюдаван, тъй като други източници на декохерентност, като магнитни полета, топлинно излъчване и вибрации, обикновено са много по-силни и причиняват разрушаване на квантовите системи много преди гравитацията. Но експериментаторите се опитват да проверят заявената хипотеза.
Маркус Арндт, експериментален физик от университета във Виена, провежда експерименти, за да наблюдава квантово суперпозиция в макроскопични обекти. Той изпраща малки молекули в интерферометъра, като ефективно дава на частицата „избор” кой път да поеме. От гледна точка на класическата механика, молекулата може да върви само по един път, но квантова молекула може да премине по два пътя едновременно, намесвайки се в себе си и създавайки характерен вълнообразен модел.
Подобна настройка може да се използва и за тестване на способността на гравитацията да унищожава квантовите системи. За целта ще е необходимо да се сравнят вертикалните и хоризонталните интерферометри: в първия, суперпозицията скоро трябва да изчезне поради разширяване на времето на различни „височини“на пътя, докато във второто може да се запази квантовата суперпозиция.