Mange mennesker har hørt dette udtryk, men måske forstår ikke alle endda dens forenklede betydning. Lad os prøve at finde ud af det uden komplicerede teorier og formler.
"Schrödingers kat" er navnet på det berømte tankeeksperiment af den berømte østrigske teoretiske fysiker Erwin Schrödinger, der også er Nobelprisvinderen. Med denne fiktive oplevelse ville forskeren vise ufuldstændigheden af kvantemekanikken i overgangen fra subatomære systemer til makroskopiske systemer.
Erwin Schrödingers originale artikel blev offentliggjort i 1935. Her er et tilbud:
Du kan også konstruere sager, hvor burlesk er nok. Lad en kat blive låst i et stålkammer sammen med følgende djævelske maskine (som skal være uafhængig af kattenes indgriben): inde i Geiger-disken er der en lille mængde radioaktivt stof, så lille, at kun et atom kan forfaldne på en time, men med det samme sandsynlighed vil muligvis ikke gå i stykker; hvis dette sker, aflæses læserøret, og relæet udløses, hvorved hammeren frigøres, som bryder keglen med hydrocyansyre.
Hvis du overlader hele dette system til sig selv i en time, kan vi sige, at katten vil være i live efter dette tidspunkt, så længe atomets forfald ikke forekommer. Det allerførste forfald af et atom ville have forgiftet katten. Systemets psi-funktion som helhed vil udtrykke dette ved at blande eller smøre en levende og en død kat (undskyld udtrykket) i lige store dele. Typisk i sådanne tilfælde er, at usikkerheden, oprindeligt begrænset til atomverdenen, omdannes til makroskopisk usikkerhed, som kan elimineres ved direkte observation. Dette forhindrer os i at naivt acceptere "slørmodellen" som reflekterende virkelighed. I sig selv betyder dette ikke noget uklart eller modstridende. Der er forskel mellem et uskarpt eller out-of-fokus-foto og et foto af skyer eller tåge.
Med andre ord:
- Der er en kasse og en kat. Boksen indeholder en mekanisme, der indeholder en radioaktiv atomkerne og en beholder med en giftig gas. Parameterne for eksperimentet blev valgt således, at sandsynligheden for nukleart henfald på 1 time er 50%. Hvis kernen går i opløsning, åbnes en beholder med gas, og katten dør. Hvis kernen ikke forfalder, forbliver katten i live og godt.
- Vi lukker katten i en kasse, venter en time og spørger os selv: er katten i live eller død?
- Kvantemekanik fortæller som sådan, at atomkernen (og derfor katten) befinder sig i alle mulige tilstande samtidig (se kvantesuperposition). Inden vi åbnede kassen, er "katte-kerne" -systemet i tilstanden "kernen er henfaldet, katten er død" med en sandsynlighed på 50% og i staten "har kernen ikke forfaldt, katten er i live" med en sandsynlighed på 50%. Det viser sig, at katten, der sidder i kassen, er både levende og død på samme tid.
- I henhold til den moderne københavnske fortolkning er katten i live / død uden mellemliggende stater. Og valget af tilstanden med nukleart forfald sker ikke i øjeblikket, hvor kassen åbnes, men også når kernen kommer ind i detektoren. Fordi reduktionen af bølgefunktionen i "kat-detektor-kerne" -systemet ikke er forbundet med den menneskelige observatør af kassen, men er forbundet med detektor-observatøren af kernen.
Salgsfremmende video:
I følge kvantemekanikken, hvis der ikke foretages nogen observation over atomens kerne, beskrives dens tilstand ved blanding af to tilstande - en desintegreret kerne og en uopløst kerne, derfor er en kat, der sidder i en kasse og personificerer et atoms kerne, både levende og død på samme tid. Hvis boksen åbnes, kan eksperimentatoren kun se en bestemt tilstand - "kernen er forfalden, katten er død" eller "kernen er ikke forfalden, katten er i live.
Essensen af det menneskelige sprog: Schrödingers eksperiment viste, at en kat ud fra kvantemekanikens synspunkt både er levende og død, hvilket ikke kan være. Kvantemekanikken har derfor betydelige mangler.
Spørgsmålet er: hvornår ophører systemet med at eksistere som en blanding af to tilstande og vælger en bestemt? Formålet med eksperimentet er at vise, at kvantemekanikken er ufuldstændig uden nogle regler, der indikerer under hvilke betingelser bølgefunktionen kollapser, og katten bliver enten død eller forbliver i live, men ophører med at være en blanding af begge dele. Da det er klart, at katten nødvendigvis skal være enten levende eller død (der er ingen tilstand mellem mellem liv og død), vil dette være det samme for atomkernen. Det skal enten disintegreres eller ikke-desintegreres (Wikipedia).
En anden nyere fortolkning af Schrödingers tankeeksperiment er historien om Sheldon Cooper, karakteren i tv-serien Big Bang Theory, som han reciterede for Pennys mindre uddannede nabo. Essensen af Sheldons historie er, at begrebet Schrödingers kat kan anvendes i forhold mellem mennesker. For at forstå, hvad der sker mellem en mand og en kvinde, hvilken slags forhold mellem dem: godt eller dårligt, skal du bare åbne kassen. Før det er forhold både gode og dårlige.
Nedenfor er en video af denne Big Bang Theory-dialog mellem Sheldon og Singing.
Schrödingers illustration er det bedste eksempel til beskrivelse af kvantefysikens vigtigste paradoks: ifølge dens love findes der partikler som elektroner, fotoner og endda atomer i to tilstande på samme tid ("levende" og "død", hvis du husker den langmodige kat). Disse tilstande kaldes superpositioner.
Den amerikanske fysiker Art Hobson fra University of Arkansas (Arkansas State University) tilbød sin egen løsning på dette paradoks.
”Målinger i kvantefysik er baseret på driften af visse makroskopiske enheder, såsom Geiger-tælleren, der bestemmer kvantetilstanden for mikroskopiske systemer - atomer, fotoner og elektroner. Kvanteteori indebærer, at hvis du forbinder et mikroskopisk system (partikel) til en bestemt makroskopisk enhed, der adskiller to forskellige tilstande i systemet, så vil enheden (for eksempel Geiger-tæller) gå i en tilstand af kvanteforvikling og vil også være i to superpositioner samtidigt. Det er dog umuligt at observere dette fænomen direkte, hvilket gør det uacceptabelt,”siger fysikeren.
Hobson siger, at katten i Schrödingers paradoks spiller rollen som et makroskopisk instrument, en Geiger-tæller, der er knyttet til en radioaktiv kerne, for at bestemme den forfaldne tilstand eller "ikke-forfald" af denne kerne. I dette tilfælde vil en levende kat være en indikator for "ikke-forfald", og en død kat er en indikator for henfald. Men ifølge kvante teorien skal katten ligesom kernen være i to superpositioner om liv og død.
I stedet skal katten ifølge kvinden være sammenfiltret med atomens tilstand, hvilket betyder, at de er i "ikke-lokal forbindelse" med hinanden. Det vil sige, at hvis en af de sammenfiltrede objekter pludselig skifter til det modsatte, vil tilstanden for dets par ændre sig på nøjagtig den samme måde, uanset hvor langt fra hinanden de er. Dermed henviser Hobson til eksperimentel bekræftelse af denne kvante teori.
”Den mest interessante ting i teorien om kvanteforvikling er, at ændringen i tilstanden af begge partikler sker øjeblikkeligt: intet lys eller elektromagnetisk signal ville have tid til at overføre information fra et system til et andet. Således kan vi sige, at dette er et objekt, der er opdelt i to dele efter rum, uanset hvor stor afstand der er mellem dem,”forklarer Hobson.
Schrödingers kat lever ikke længere og er død på samme tid. Han er død, hvis forfald finder sted, og i live, hvis forfald aldrig forekommer.
Vi tilføjer, at lignende muligheder for at løse dette paradoks blev foreslået af yderligere tre forskergrupper i løbet af de sidste tredive år, men de blev ikke taget alvorligt og forblev ubemærket i store videnskabelige kredse. Hobson bemærker, at det er absolut nødvendigt at løse kvantemekanikens paradokser, endda teoretiske, for dens dybe forståelse.
Du kan læse mere om fysikerens arbejde i hans artikel, der blev offentliggjort i tidsskriftet Physical Review A.
Schrödinger.
Men for nylig har TEORETIK FORKLARET, HVORDAN GRAVITET KILLER SCHRODINGERS KAT, men dette er allerede vanskeligere …
Som regel forklarer fysikere det fænomen, at superposition er mulig i partiklernes verden, men ikke muligt med katte eller andre makroobjekter, interferens fra miljøet. Når et kvanteobjekt passerer gennem et felt eller interagerer med tilfældige partikler, antager det straks kun en tilstand - som om det blev målt. Sådan ødelægges superpositionen, som videnskabsmænd troede.
Men selv hvis det på en eller anden måde blev muligt at isolere et makroobjekt i en tilstand af superposition fra interaktioner med andre partikler og felter, ville det før eller siden stadig antage en enkelt tilstand. I det mindste er dette tilfældet for processerne, der forekommer på jordoverfladen.
”Et sted i det interstellære rum ville måske en kat have en chance for at opretholde kvantesammenhæng, men på Jorden eller nær enhver planet er dette yderst usandsynligt. Og årsagen hertil er tyngdekraften,”forklarer hovedforfatteren af den nye undersøgelse, Igor Pikovski fra Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.
Pikovsky og hans kolleger ved universitetet i Wien hævder, at tyngdekraften har en destruktiv virkning på kvanteoverlejringer af makroobjekter, og derfor observerer vi ikke sådanne fænomener i makrokosmos. Det grundlæggende koncept for den nye hypotese sammenfattes forresten i spillefilmen Interstellar.
Einsteins generelle relativitetsteori siger, at et ekstremt massivt objekt vil bøje rumtid i nærheden af det. I betragtning af situationen på et finere niveau kan vi sige, at for et molekyle, der er placeret nær jordoverfladen, vil tiden gå noget langsommere end for det, der ligger i vores planet.
På grund af tyngdekraftens indflydelse på rumtiden, vil et molekyle, der er kommet under denne påvirkning, opleve en afbøjning i dens position. Og dette skal igen påvirke dets interne energi - vibrationer af partikler i et molekyle, der ændrer sig over tid. Hvis et molekyle blev introduceret i en tilstand af en kvantesuperposition af to placeringer, ville forholdet mellem position og indre energi snart tvinge molekylet til at "kun vælge" en af de to positioner i rummet.
”I de fleste tilfælde er fænomenet decoherence forbundet med ekstern påvirkning, men i dette tilfælde interagerer den indre vibration af partikler med bevægelsen af selve molekylet,” forklarer Pikovsky.
Denne effekt er endnu ikke observeret, da andre kilder til decoherence, såsom magnetiske felter, varmestråling og vibration, normalt er meget stærkere og forårsager ødelæggelse af kvantesystemer længe før tyngdekraften gør det. Men eksperimenterne prøver at teste den anførte hypotese.
Markus Arndt, en eksperimentel fysiker ved universitetet i Wien, udfører eksperimenter for at observere kvanteoverlejring i makroskopiske objekter. Det sender små molekyler ind i interferometeret, hvilket effektivt giver partiklen et "valg", hvilken vej de skal tage. Set fra klassisk mekanik kan et molekyle kun gå en vej, men et kvantemolekyle kan gå gennem to stier på en gang, forstyrre sig selv og skabe et karakteristisk bølget mønster.
En lignende opsætning kan også bruges til at teste tyngdekraftens evne til at ødelægge kvantesystemer. For at gøre dette vil det være nødvendigt at sammenligne de lodrette og horisontale interferometre: i den første skulle superpositionen snart forsvinde på grund af tidsudvidelse i forskellige "højder" af stien, mens i den anden kan kvanteoverlagring fortsætte.