Hvis du opretter et kvantesystem, hvor resultatet derefter bestemmer noget makroskopisk, ligesom… liv eller død af en kat i en kasse, kan du intuitere, at dette betyder, Indtil du åbner kassen, katten er i en superposition af døde og levende stater. Den faktiske historie er meget, meget rigere end det.
Getty
en af de mest bi .arre ideer om kvanteuniverset er begrebet ubestemte tilstande., I vores konventionelle, makroskopiske univers er vi vant til ting, der simpelthen eksisterer på en bestemt, ikke-kontroversiel måde. Uanset om vi ser på noget eller ej, eksisterer det simpelthen uafhængigt af vores observationer. Men i kvanteuniverset udviser individuelle systemer forskellige adfærd afhængigt af om du måler dem eller ej. Måske er den mest berømte popularisering af denne ID.i form af Schr .dingers kat, hvor et system er oprettet, så hvis et radioaktivt atom forfalder, dør katten, men hvis ikke, lever katten., Men der er flere myter end sandheder, der omgiver dette eksperiment, og Dave Wagner ønsker os at adskille dem fra hinanden, hvilket tyder på:
jeg var bare at læse en af dine “Top n myter/misforståelser omkring…”stykker, og jeg troede en god id.for en ville være “Top n myter/misforståelser om Schr .dingers kat.”
lad os se på, hvad der virkelig foregår bag dette berømte tankeeksperiment.
elektroner udviser bølgeegenskaber såvel som partikelegenskaber og kan bruges til at konstruere…, billeder eller sonde partikelstørrelser lige så godt som lys kan. Her kan du se resultaterne af et eksperiment, hvor elektroner (eller med tilsvarende resultater fotoner) fyres en ad gangen gennem en dobbeltspalte. Når der er fyret nok elektroner, kan interferensmønsteret tydeligt ses.
Thierry Dugnolle / Public Domæne
Første off, er det vigtigt at erkende, hvor ideen til Schrödingers kat kom fra: en reel, fysisk eksperiment med entydig, men meget ulogisk resultater., Alt hvad du skal gøre er at skinne lidt lys mod to tynde, tæt adskilte slidser og observere, hvilken slags visuelt mønster der vises på skærmen på den anden side. Så længe dit lys er helt af samme bølgelængde, og du kun ser på skærmen, får du et interferensmønster eller et alternativt sæt af mange lys-og-mørke bånd.
men hvis du så genkender, “Hej, lys er lavet af fotoner, og hver enkelt foton skal gå gennem den ene slids eller den anden”, begynder du at se underligheden ved spil. Selv at sende fotoner gennem en ad gangen giver dig stadig interferensmønsteret., Og så har du den lyse id.at måle, hvilken spalte hver foton går igennem. Så snart du gør det-og du har succes, forresten – går interferensmønsteret væk.
Hvis du måler, hvilken spalte en elektron går igennem, når du udfører en en-partikel-at-a-Tid dobbelt… spalteeksperiment, du får ikke et interferensmønster på skærmen bag det. I stedet opfører elektronerne (eller fotonerne) sig ikke som bølger, men som klassiske partikler.
Wikimedia Commons user Inductiveload
hvordan giver vi mening om dette?, Dette eksperiment er på mange måder den ultimative illustration af, hvordan kvantefysik fungerer, og også hvorfor det er så underligt. Det er som om individuelle kvanter selv opfører sig som bølger og forstyrrer sig selv, rejser gennem begge slidser samtidigt og producerer det observerede mønster. Men hvis du tør at gå og måle dem – derfor bestemme hvilken spalte de går igennem-rejser de kun gennem den ene eller den anden spalte og producerer ikke længere den interferens.
det gør en ting meget klar: handlingen med at observere et kvantesystem kan faktisk meget ændre resultatet., Men det, som de fleste opdagelser i fysik, bringer kun flere spørgsmål op. Under hvilke forhold ændrer en observation resultatet? Hvad er at gøre en observation? Og er et menneske forpligtet til at være en “observatør”, eller kan en uorganisk, ikke-levende måling være tilstrækkelig?
Dette er alle gode spørgsmål, og det tænkte på nøjagtigt disse typer problemer, der førte til, at er .in Schr .dinger formulerede sit berømte katteparadoks. Det går sådan her:
- du opretter et lukket system, dvs., en boks,
- hvor inside the box er et kvante-system, som en enkelt radioaktivt atom,
- og når atom henfalder, en dør åbnes,
- bag denne dør er forgiftet kattefoder,
- og også i den boks er en kat, der vil spise maden, når den bliver tilgængelig,
- så du vente et halv-livs længden af tid,
- og så kan du stille det afgørende spørgsmål: er katten, levende eller døde?
det er det. Det er den fulde ID.om Schr .dingers kattetankeeksperiment.
er katten død eller levende?, Mens vi måske tror, at katten selv er i en superposition af… døde og levende stater, indtil vi åbner kassen, det er en fejlagtig tankegang, der har varet i mange årtier, på trods af at Schrodinger selv aldrig hævdede sådan noget.
geralt /
Så hvad sker der, når du åbner boksen?,
Åbning af boksen skal være tilsvarende til at gøre en observation, så enten:
- du vil finde en død kat, der har spist den mad, der blev afsløret af det radioaktive atom rådnende, eller
- du vil finde en levende kat, hvor der ingen mad var afsløret, og den oprindelige radioaktivt atom endnu ikke er døet hen.
men før du har åbnet kassen — fordi det er sådan kvantesystemer fungerer — skal cat/food/Atom-systemet være i en superposition af begge stater., Der er kun en ubestemt Sandsynlighed for, at atomet er forfaldet, og derfor skal atomet være i en superposition af forfaldne og ikke-forfaldne tilstande samtidigt. Fordi atomets forfald styrer døren, styrer døren maden, og maden bestemmer, om katten lever eller dør, skal katten selv være i en superposition af kvantetilstande. På en eller anden måde er katten både delvis død og delvis levende, indtil der foretages en observation.
i et traditionelt Schrodingers katteeksperiment ved du ikke, om resultatet af et kvante…, forfald har fundet sted, hvilket fører til kattens død eller ej. Inde i kassen vil katten være enten levende eller død, afhængigt af om en radioaktiv partikel forfalder eller ej. Hvis katten var et sandt kvantesystem, ville katten hverken være levende eller død, men i en superposition af begge stater, indtil den blev observeret. Du kan dog aldrig observere katten for at være både død og levende.
Wikimedia Commons bruger Dhatfield
Og det er i en nøddeskal, er den største myte og misforståelse, der er forbundet med Schrödingers kat.,faktisk præsenterede er .in Schr .dinger selv ikke sin “kat” – id.som et foreslået eksperiment. Han udtænkte det ikke til at stille dybe spørgsmål om et menneskes rolle i observationsprocessen. Han hævdede faktisk ikke, at katten selv ville være i en superposition af kvantetilstande, hvor den er deldød og del-levende samtidig, som en foton ser ud til at passere delvist gennem begge slidser i dobbeltspalteksperimentet.
hver id.langs disse linjer er i sig selv en myte og misforståelse, der strider imod Schr .dingers oprindelige formål med at fremsætte dette tankeeksperiment., Hans sande formål? For at illustrere, hvor let det er at nå frem til en absurd forudsigelse — såsom en forudsigelse af en samtidig halvdød og halvlevende kat-hvis du fortolker eller misforstår kvantemekanik.
Når du udfører et eksperiment på et øjebliksbillede stat, der starter som |10100> og du passerer det gennem… 10 koblingspulser (dvs.kvanteoperationer), får du ikke en flad fordeling med lige sandsynligheder for hver af de 10 mulige resultater., I stedet vil nogle resultater have unormalt høje sandsynligheder, og nogle vil have meget lave. Måling af resultatet af en kvantecomputer kan bestemme, om du opretholder den forventede kvanteadfærd eller mister den i dit eksperiment. Vedligeholdelse af det, selv for blot et par quubits, for enhver betydelig mængde tid er en af de største udfordringer, som kvantecomputering står overfor i dag; held og lykke med at gøre det for noget så komplekst som en kat.
C. Neill et al. (2017), ar .iv:1709.,06678v1, quant-ph
med andre ord, stort set alt hvad du nogensinde har hørt om Schrödingers kat er sandsynligvis en myte, med undtagelse af det faktum, at quantum systems faktisk er godt beskrevet af et probabilistisk vægtet superposition af alle mulige, tilladte stater, og at en observation eller måling vil altid afsløre en og kun en endelig tilstand.
Dette er ikke kun sandt, men det er sandt, uanset hvilken kvantefortolkning du vælger., Det er ikke ligegyldigt, om du vælger et resultat ud af det ensemble af alle mulige udfald; det er ikke ligegyldigt, om du er ved at kollapse, en ubestemt bølgefunktion i en bestemt tilstand; og det betyder ikke noget, hvis du falder ind under en bestemt Univers ud af en uendelig suite af parallelle Universer.
alt, hvad der betyder noget, er, at der er sket en kvanteobservation.
de mange verdener fortolkning af kvantemekanik hævder, at der er et uendeligt antal…, der findes parallelle universer, der holder alle mulige resultater af et kvantemekanisk system, og at det at foretage en observation blot vælger en vej. Denne fortolkning er filosofisk interessant, men vores kat vil være enten død eller levende, ikke en superposition af begge, uanset adfærd fra en ekstern observatør.
Christian Schirm
i virkeligheden er katten selv en perfekt gyldig observatør. Faktum af døren eller porten åbning, og den mekanisme, der styrer det at få udløst, er en helt gyldig observation., At kaste en Geiger-tæller derinde, et instrument, der er følsomt over for radioaktive henfald, ville tælle som en observation. Og faktisk vil enhver ikke-reversibel interaktion, der forekommer inden for dette system, selvom det er fuldstændigt forseglet fra omverdenen i den boks, afsløre en og kun en endelig tilstand: enten er atomet forfaldt, eller det har det ikke.
årsagen til dette er simpelthen, at enhver interaktion mellem to kvantepartikler har potentialet til at bestemme kvantetilstanden, hvilket effektivt kollapser kvantebølgefunktionen i den mest almindelige fortolkning., I virkeligheden vil atomets forfald (eller ikke-forfald) udløse (eller undlade at udløse) dørmekanismen, og det alene, lige der, er hvor overgangen fra denne bisarre kvanteadfærd til vores velkendte klassiske opførsel forekommer.
denne graf viser (i pink) mængden af en radioaktiv prøve, der forbliver efter flere halveringstider… er gået. Efter en halveringstid er halvdelen af prøven tilbage; efter to halveringstider er halvdelen af resten (eller en fjerdedel) tilbage; og efter tre halveringstider er halvdelen af den (eller en ottende) tilbage., Hvis dette forfald tjener som udløseren for, at noget enten forekommer eller ikke forekommer, er det imidlertid i sig selv nok til at udgøre en observation.
Andrew Fraknoi, David Morrison, og Sidney Wolff / Rice University, under c.c.en.-4.0
Schrödingers selv var meget klar på dette punkt, med angivelse af:
Det er typisk for disse sager, at en indeterminacy oprindeligt begrænset til det atomare domæne bliver omdannet til makroskopiske indeterminacy, som derefter kan løses ved direkte observation., Det forhindrer os i så naivt at acceptere som gyldig en “sløret model” til at repræsentere virkeligheden. I sig selv ville det ikke udgøre noget uklart eller modstridende. Der er forskel på et rystende eller ude af fokus fotografi og et øjebliksbillede af skyer og tågebanker.
med andre ord vidste Schr .dinger, at katten skal være enten død eller levende. Katten selv vil aldrig være i en superposition af kvantetilstande, men vil enten være endeligt død eller definitivt levende på ethvert tidspunkt., Bare fordi dit kamera er ude af fokus, hævder han, betyder det ikke, at virkeligheden er grundlæggende sløret.
dette 2-panel viser observationer af det galaktiske Center med og uden adaptiv optik… illustrerer opløsningen gevinst. Stjernernes faktiske positioner (til højre) er ikke i sig selv usikre på grund af begrænsningerne i vores udstyr (til venstre), og på samme måde er en kat ikke usikker i sin død eller levende status på grund af den kasse, vi lægger den i.UCLA Galactic Center Group-UC. M., Keck Observatory Laser Team
da Einstein talte om “Gud spiller ikke terninger med universet”, var det det, han henviste til. Faktisk skrev Einstein følgende til Schr ?dinger selv og spurgte retorisk: “skal kattens tilstand kun oprettes, når en fysiker undersøger situationen på et bestemt tidspunkt?”
svaret er måske desværre ” selvfølgelig ikke.”Denne ubestemte kvanteadfærd er faktisk enormt vanskelig at vedligeholde; dette er en af de største udfordringer i opbygningen af større kvantesystemer., Indfiltringsnet blot et par tusinde atomer for en kort tid er en meget nylige præstation, og en af grundene til, quantum computing er så svært, er, fordi viklet ind qubits kan kun opretholdes i en ubestemt tilstand for sådanne korte tidsintervaller.
quantum Universe sikker på, er et ukendt sted, at næsten alle af os, og Schrödingers kat er for det meste en illustration af, hvor let det er for os at misfortolke det. Måske er den øverste myte om Schr .dingers kat, at den overhovedet har noget at gøre med kvanteunderlighed.
Send i din stille Ethan spørgsmål til starts !ithabang på gmail dot com!,