Shroedinger macskája

A Schrödinger macskája (eredetileg "macska") egy gondolatkísérlet , amelyet a kvantummechanika egyik alkotója, Erwin Schrödinger javasolt 1935-ben, amikor a hullámfüggvény fizikai jelentését tárgyalta . A kísérlet során egy élő és egy döglött macska szuperpozíciója jelenik meg, ami a józan ész szempontjából abszurdnak tűnik [1] .

Schrödinger cikke

A Naturwissenschaften folyóiratban 1935-ben Einstein, Podolsky és Rosen munkáira válaszul megjelent cikkében Schrödinger a kvantummechanika értelmezését tárgyalja , különös tekintettel a hullámfüggvény fizikai jelentésére.

Mindenekelőtt (a 4. §-ban) elveti azt a lehetőséget, hogy egy részecske leírása a hullámfüggvénnyel csak azt tükrözi, hogy nem ismerjük a dinamikus változók pontos értékeit (amelyek mégis léteznek ). Továbbá (5. §-ban) Schrödinger felteszi a kérdést: akkor lehet, hogy a változók valójában a részecske hullámfüggvényének megfelelően "elkenődnek"? Nem – válaszolja. Vegyünk körül egy radioaktív atomot elektronokra érzékeny képernyővel. A bomlás során kibocsátott elektron hullámfüggvénye gömbhullám . Valójában azonban az elektron a képernyő egy meghatározott pontjába esik (bár minden alkalommal egy másikba), és nem egyenletesen „kenődik” rajta.

Vannak egészen őrült példák is erre, mondja Schrödinger:

Tegyünk egy macskát egy acél széfbe egy pokolgéppel együtt (macskától védve). A Geiger-számlálóba egy radioaktív anyagszemet helyeznek , amely olyan kicsi, hogy az egyik atom egy óra alatt lebomlik, de egyik sem bomlik le ugyanolyan valószínűséggel. Ha az atom elbomlik, a számláló a relén keresztül aktiválja a kalapácsot, amely hidrogén-cianiddal széttöri a lombikot . Ha egy órára magára hagyjuk ezt a rendszert, akkor azt mondjuk, hogy a macska még él, ha ezalatt egyetlen atom sem bomlott le. Az első bomlás megmérgezte volna a macskát. Az egész rendszer ψ -függvénye ezt azáltal fejezné ki, hogy egy élő és egy döglött macska (úgymond) egyenlő arányban keveredik vagy kenődik [2] .

Eredeti szöveg  (német)[ showelrejt] 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 Substanz, zusammen mit folgender Höllenmaschine, 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] .

De nyilván egy macska nem lehet egyszerre élő és halott. Így – vonja le a következtetést Schrödinger – nem feltételezhetjük, hogy a valóság a hullámfüggvény szerint valóban „elkenődött”.

Ez a kísérlet tetszett Einsteinnek , akiről ismert, hogy soha nem fogadta el a kvantummechanika koppenhágai értelmezését . Schrödingernek ezt írta: „Ahogyan korábban, úgy most is meg vagyok győződve arról, hogy az anyag hullámábrázolása nem a dolgok állapotának teljes reprezentációja, bár gyakorlatilag hasznosnak bizonyult. A macskával kapcsolatos példád nagyon jól mutatja…” [2]

A kísérlet magyarázatai

A kvantummechanika szerint, ha nem történik megfigyelés az atommag felett, akkor annak állapotát két állapot - egy elpusztult és egy el nem bomlott mag - szuperpozíciója (keveredése) írja le, tehát a dobozban ülő macska él és halott is. ugyanabban az időben. Ha a dobozt kinyitják, akkor a kísérletező csak egy meghatározott állapotot láthat - "a mag elpusztult, a macska meghalt" vagy "a mag nem bomlott, a macska él".

A kérdés a következő: mikor szűnik meg egy rendszer két állapot keverékeként, és választ egy konkrétat? A kísérlet célja annak bemutatása, hogy a kvantummechanika nem teljes bizonyos szabályok nélkül, amelyek meghatározzák, milyen körülmények között omlik össze a hullámfüggvény , és a macska vagy meghal, vagy életben marad, de megszűnik a kettő keveréke lenni.

Mivel egyértelmű, hogy a macskának szükségszerűen élőnek vagy halottnak kell lennie (nincs olyan állapot, amely egyesíti az életet és a halált), ez az atommag esetében is így lesz. Szükségszerűen vagy romlottnak vagy romlatlannak kell lennie.

A sok milliárd atomból álló, összetett rendszerekben a dekoherencia szinte azonnal megtörténik, és emiatt egy macska nem lehet mérhető ideig egyszerre halott és él. A dekoherencia folyamat lényeges eleme a kísérletnek.

Koppenhágai értelmezés

A koppenhágai értelmezés szerint a rendszer megszűnik állapotok keveréke lenni, és a megfigyelés pillanatában választ egyet ezek közül. A macskával végzett kísérlet azt mutatja, hogy ebben az értelmezésben éppen ennek a megfigyelésnek a természete – a mérés  – nincs kellően meghatározva. Egyesek úgy vélik, hogy a tapasztalat azt sugallja, hogy amíg a doboz zárva van, a rendszer egyszerre van mindkét állapotban: a "lebomlott mag, döglött macska" és a "nem bomlott mag, élő macska" állapotok szuperpozíciójában, és amikor a dobozt kinyitják. , akkor a hullámfüggvény csak ezután esik össze valamelyik változatra. Mások úgy vélik, hogy a "megfigyelés" akkor következik be, amikor a magból származó részecske eltalálja a detektort; azonban (és ez a gondolatkísérlet kulcspontja) a koppenhágai értelmezésben nincs egyértelmű szabály, amely megmondja, hogy ez mikor történik, és ezért ez az értelmezés hiányos mindaddig, amíg be nem vezetnek egy ilyen szabályt, vagy nem mondják el, hogyan be lehet vezetni. A pontos szabály a következő: a véletlenszerűség azon a ponton jelenik meg, ahol először alkalmazzák a klasszikus közelítést.

Így a következő megközelítésre támaszkodhatunk: makroszkopikus rendszerekben nem figyelünk meg kvantumjelenségeket (kivéve a szuperfluiditás és a szupravezetés jelenségét ); tehát ha egy makroszkopikus hullámfüggvényt szuperponálunk egy kvantumállapotra, akkor tapasztalatból arra a következtetésre kell jutnunk, hogy a szuperpozíció összeomlik. És bár nem teljesen világos, mit jelent általában az, hogy valami "makroszkópos", egy macskáról biztosan tudni, hogy makroszkopikus objektum. Így a koppenhágai értelmezés nem veszi figyelembe , hogy a doboz kinyitása előtt a macska az élők és a holtak közötti keveredés állapotában van.

Everett sok világra kiterjedő értelmezése és együttműködési története

A mérési folyamatot semmi különösnek nem tekintő kvantummechanika sokvilágos értelmezésében a macska mindkét állapota létezik, de dekoher . Amikor a megfigyelő kinyitja a dobozt, belegabalyodik a macskába, és ez két megfigyelői állapotot eredményez, amelyek egy élő és egy döglött macskának felelnek meg, amelyek nem lépnek kölcsönhatásba egymással. Ugyanez a kvantumdekoherencia mechanizmus is fontos a megosztott történetek esetében . Ebben az értelmezésben csak „döglött macska” vagy „élő macska” lehet egy közös történelemben.

Más szóval, amikor a dobozt kinyitják, az univerzum két különböző univerzumra szakad, amelyek közül az egyikben a megfigyelő egy döglött macskával, a másikban pedig egy élő macskával nézi a dobozt.

Max Tegmark kozmológus Schrödinger macskakísérletének egy variációját javasolta, az úgynevezett „ kvantum öngyilkos gépet ”. A macskakísérletet magának a macskának a szemszögéből vizsgálja, és azt állítja, hogy így kísérletileg meg lehet különböztetni a koppenhágai és a sokvilág értelmezést. A kísérlet másik változata a Wigner barátjával végzett kísérlet .

Stephen Hawking fizikus egyszer felkiáltott: "Amikor Schrödinger macskájáról hallok, a kezem fegyver után nyúl!" Hans Jost Schlageter című művének egyik szereplőjének jól ismert mondását fogalmazta meg: "Wenn ich 'Kultur' höre, entsichere ich meinen Browning!" ("Amikor meghallom a "kultúra" szót, leveszem a biztonságot Browningomról !").

Valójában Hawking sok más fizikushoz hasonlóan azon a véleményen volt, hogy a kvantummechanika értelmezésének „koppenhágai iskolája” indokolatlanul hangsúlyozza a megfigyelő szerepét. A fizikusok között ebben a kérdésben még nem sikerült végleges egységet elérni.

A világok párhuzamosítása minden időpillanatban egy valódi nem-determinisztikus automatának felel meg, ellentétben a valószínűségi automatával, amikor minden lépésben kiválasztják a lehetséges utak egyikét, azok valószínűségétől függően.

Wigner paradoxona

Ez a Schrödinger-kísérlet bonyolult változata. Eugene Wigner bevezette a "barátok" kategóriát. A kísérlet befejezése után a kísérletvezető kinyitja a dobozt, és egy élő macskát lát. A macska állapotvektora a doboz kinyitásának pillanatában „a mag nem bomlott fel, a macska él” állapotba kerül. Így a laboratóriumban a macskát élőnek ismerték fel. A laboron kívül egy barát . A barát még nem tudja, hogy a macska él-e vagy halott. Egy barát csak akkor ismeri fel a macskát élőnek, ha a kísérletvezető tájékoztatja őt a kísérlet eredményéről. De az összes többi barát még nem ismerte fel a macskát élőnek, és csak akkor ismeri fel, ha közlik velük a kísérlet eredményét. Így egy macska csak akkor tekinthető teljesen élőnek (vagy teljesen halottnak), ha az univerzumban minden ember ismeri a kísérlet eredményét. Eddig a pontig, a Nagy Univerzum léptékében a macska Wigner szerint egyszerre marad élő és halott [4] .

A legtöbb fizikus azonban úgy véli, hogy az élettelen objektumok dekoherenciával képesek kivonni a kvantumrendszereket a szuperpozícióból. Azt mondhatjuk, hogy a függvény objektíven összeomlik: függetlenül attól, hogy egyáltalán vannak-e megfigyelők és "barátaik". [5]

Gyakorlati alkalmazás

A fentieket a gyakorlatban alkalmazzák: a kvantumszámítástechnikában és a kvantumkriptográfiában . Az optikai kábel fényjelet küld, amely két állapot szuperpozíciójában van. Ha a támadók valahol középen csatlakoznak a kábelhez, és ott egy jelet lecsapnak, hogy lehallgatják a továbbított információt, akkor ez összeomlik a hullámfüggvény (koppenhágai értelmezés szempontjából megfigyelés történik), és a fény az egyik állapotba kerül. A kábel fogadó végén a fény statisztikai vizsgálata után megtudható, hogy a fény állapotok szuperpozíciójában van-e, vagy már megfigyelték és átvitték egy másik pontra. Ez lehetővé teszi olyan kommunikációs eszközök létrehozását, amelyek kizárják az észrevehetetlen jellehallgatást és a lehallgatást.

A kísérlet (amely elvileg elvégezhető, bár nagy mennyiségű információ továbbítására képes működő kvantumkriptográfiai rendszereket még nem hoztak létre) azt is megmutatja, hogy a koppenhágai értelmezésben a „megfigyelésnek” semmi köze a megfigyelő elméjéhez, mivel ebben az esetben a statisztika változása a kábel végére a vezeték teljesen élettelen ágához vezet.

A kvantumszámítástechnikában a Schrodinger-féle macskaállapot a qubitek speciális összefonódott állapota , amelyben mindegyik nulla vagy egyes azonos szuperpozíciójában van, azaz .

Lásd még

Jegyzetek

  1. ↑ Belinsky A. V., Chirkin A. S. QUANTUM PARADOXES Archív példány 2021. május 16-án a Wayback Machine -nél // Great Russian Encyclopedia . 13. évfolyam, Moszkva, 2009, 469. o.
  2. ↑ 1 2 Schrödinger E. Válogatott művek a kvantummechanikáról. - M . : Nauka, 1976. - S. 335.
  3. ↑ Schrödinger E. Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik  (német)  // Naturwissenschaften. - 1935. - Bd. 23 , H. 48 . - S. 807-812 . - doi : 10.1007/BF01491891 .
  4. ↑ EPWigner. Megjegyzések az elme-test kérdéshez, az LG Good-ban, szerkesztő. The Scientist Speculates, p. 284-302, London, Heinemann, 1961.
  5. ↑ Wigner paradoxona: mit kell tudni a valóság kettősségéről? . earth-chronicles.ru . Letöltve: 2021. december 5. Az eredetiből archiválva : 2021. december 5..