Hvis du setter opp en quantum system der resultatet deretter bestemmer noe makroskopiske, som… liv eller død av en katt i en boks, kan du oppfatte at dette betyr, før du åpner boksen, katten er i en superposisjon av døde og levende stater. Den faktiske historien er mye, mye rikere enn det.
Getty
En av de mest bisarre ideer om kvante-Universet er oppfatningen av ubestemte tilstander., I vår konvensjonelle, makroskopiske Universet, vi er vant til ting som bare eksisterer i et bestemt, ikke-kontroversiell måte. Om vi ser på noe eller ikke, er det bare eksisterer uavhengig av våre observasjoner. Men i quantum-Universet, individuelle systemer har ulike oppførsel avhengig av om du måle dem eller ikke. Kanskje den mest kjente popularisering av denne ideen i form av Schrödinger ‘ s katt, der et system er satt opp slik at hvis et radioaktivt atom forfaller, katten dør, men hvis ikke, katten lever., Men det er flere myter enn sannheter rundt dette eksperimentet, og Dave Wagner ønsker at vi skal vikle dem fra hverandre, noe som tyder på:
jeg var bare lese en av dine «Topp n-myter/misforståelser om…»stykker, og jeg tenkte en god idé for en ville være «Topp n-myter/misforståelser om Schrödinger’ s katt.»
La oss ta en titt på hva som egentlig skjer bak denne berømte tanke-eksperiment.
Elektroner viser bølge egenskaper samt partikkel-egenskaper, og kan brukes til å konstruere…, bilder eller sonde partikkelstørrelser like godt som lett kan. Her kan du se resultatet av et eksperiment hvor elektroner (eller, med tilsvarende resultater, fotoner) er avfyrt en-til-en-gang gjennom en dobbel-slit. Når nok elektroner er avfyrt, forstyrrelser mønster kan tydelig sees.
Thierry Dugnolle / Public Domain
Først av, det er viktig å erkjenne hvor ideen til Schrödinger ‘ s katt kom fra: – en reell, fysisk eksperiment med entydig, men veldig unintuitive resultater., Alt du trenger å gjøre er å skinne litt lys mot to tynne, tett linjeavstand hakk, og observere hva slags visuelt mønster dukker opp på skjermen på den andre siden. Så lenge lyset er alle av samme bølgelengde, og du ser bare på skjermen, vil du få en interferens mønster, eller et alternativt sett med mange lyse og mørke striper.
Men hvis du da erkjenne, «hei, lys består av fotoner, og hvert enkelt foton må gå gjennom en spalte eller den andre,» du begynner å se weirdness på spill. Selv sende fotoner gjennom en-til-en-gang, men fortsatt gir deg interferens mønster., Og da har du den lyse ideen å måle som slit hvert foton går gjennom. Så snart du gjør dette — og du er vellykket, forresten — interferens mønster går unna.
Hvis du måler som slit et elektron går gjennom når du utfører en en-partikkel-på-en-gang dobbeltrom… slit eksperimentet, at du ikke får en interferens mønster på skjermen bak det. I stedet for elektroner (eller fotoner) oppfører seg ikke som bølger, men som klassiske partikler.
Wikimedia Commons bruker Inductiveload
Hvordan kan vi forstå dette?, Dette eksperimentet er på mange måter den ultimate illustrasjonen av hvordan kvantefysikken fungerer, og hvorfor det er så rart. Det er som om enkelte av quanta seg selv oppfører seg som bølger og interferere med seg selv, reiser gjennom begge spaltene samtidig, og å produsere den observerte mønsteret. Men hvis du tør å gå og måle dem — derfor å finne ut hvilke snitt de går gjennom, de bare reiser gjennom en spalte eller det andre, og ikke lenger kan produsere for at interferens.
Det gjør en ting veldig klart: loven av å observere en kvante-system kan, faktisk, veldig mye kan endre utfallet., Men at de, som de fleste funn i fysikk, bare bringer opp flere spørsmål. Under hvilke forhold som gjør en observasjon endre utfallet? Hva som utgjør gjør en observasjon? Og er et menneske som kreves for å bli en «observatør», eller kunne en uorganisk, ikke-levende måling nok?
Dette er alle gode spørsmål, og det var å tenke på akkurat disse typer problemer som førte Erwin Schrödinger å formulere sin berømte feline paradoks. Det går noe sånt som dette:
- du kan sette opp et lukket system, dvs.,, en safe,
- der inne i boksen er en kvante-system, som en enkelt radioaktivt atom,
- og når atomet forfaller, en dør åpnes,
- bak denne døren er forgiftet kattemat,
- og også i boksen er en katt som vil spise mat når det blir tilgjengelig,
- så du vente en half-life ‘ s lengde,
- og så du stille det avgjørende spørsmålet: er katten levende eller døde?
det er det. Det er hele ideen av Schrödinger ‘ s katt tanke-eksperiment.
Er katten død eller levende?, Mens vi tenker kanskje at katten selv er i en superposisjon av… døde og levende statene før vi åpner esken, er at et feilaktige tankegangen som har vedvart i mange tiår, til tross for at Schrodinger seg aldri hevdet noe slikt.
geralt /
Så, hva skjer når du åpner esken?,
Åpne-boksen må være ekvivalent til å gjøre en observasjon, så enten:
- du finner en død katt som er spist den maten som ble avslørt av radioaktivt atom råtnende, eller
- du vil finne en levende katt der ingen mat ble avslørt og den opprinnelige radioaktivt atom ennå ikke er forfalt.
Men før du har åpnet esken — fordi dette er hvordan quantum systemer til å fungere — katten/mat/atom-systemet må være i en superposisjon av begge stater., Det er bare en ubestemt sannsynligheten for at atomet har forfalt, og derfor atom må være i en superposisjon av forfalt og ikke-forfalt stater samtidig. Fordi atom forfall kontroller døren, døren kontroller maten, og at maten avgjør om katten lever eller dør, katten selv, da, må være i en superposisjon av kvantetilstander. Liksom, katten er både en del døde og del-live til en observasjon som er gjort.
I en tradisjonell Schrodinger er katten eksperiment, du vet ikke om utfallet av en quantum…, forfallet har skjedd, noe som fører til at katten er død eller ikke. Inne i boksen, vil katten bli enten levende eller døde, avhengig av om radioaktive partiklene er forfalt eller ikke. Hvis katten var en ekte quantum system, vil katten være verken levende eller døde, men i en superposisjon av begge stater til observert. Men du kan aldri observere katten å være samtidig, både døde og levende.
Wikimedia Commons bruker Dhatfield
Og som, i et nøtteskall, er den største myten og misforståelse knyttet til Schrödinger ‘ s katt.,
faktisk, Erwin Schrödinger seg ikke presentere sin «katt» ideen som en foreslåtte eksperimentet. Han ville ikke tenke på det å stille spørsmålene om rollen som et menneske i observasjon prosessen. Han hadde faktisk ikke kreve at katten selv ville være i en superposisjon av kvantetilstander, hvor det er en del døde og del-live samtidig, på den måten et foton ser ut til å passere dels gjennom begge spaltene i dobbel slit eksperimentet.
Hver idé langs disse linjene er i seg selv en myte og misforståelse som strider mot Schrödinger ‘ s opprinnelige hensikt i å legge fram dette tanke-eksperimentet., Hans sanne hensikt? For å illustrere hvor lett det er å komme frem til en absurd prediksjon — som en forutsigelse av en samtidig halvparten døde og halv-levende katt — hvis du mistolke eller misforstår kvantemekanikk.
Når du utfører et eksperiment på en qubit staten som starter som |10100> og du passerer den gjennom… 10 coupler pulser (dvs., quantum operasjoner), du vil ikke få en flat fordeling med tilsvarende sannsynligheter for hver av de 10 mulige utfall., I stedet, noen utfall vil ha unormalt høye sannsynligheter og noen vil ha svært lave. Måle utfallet av en kvante-maskin kan finne ut om du er å opprettholde den forventede quantum atferd eller å miste den i eksperimentet. Å opprettholde det, selv for bare et par qubits, for noen betydelig mengde tid er en av de største utfordringene quantum computing i dag; lykke til å gjøre det for noe så komplekst som en katt.
C. Neill et al. (2017), arXiv:1709.,06678v1, quant-ph
med andre ord, ganske mye alt du har hørt om Schrödinger ‘ s katt er trolig en myte, med unntak av det faktum at quantum systemer faktisk er godt beskrevet av en probabilistically vektet superposisjon av alle mulige tillatte stater, og at en observasjon eller måling vil alltid avsløre en og bare en endelig tilstand.
Dette er ikke bare sant, men det er sant uavhengig av quantum tolkning du velger., Det spiller ingen rolle om du velger ett resultat ut av ensemble av alle mulige utfall; det spiller ingen rolle om du er kollaps av et ubestemmelig wavefunction i en bestemt tilstand, det spiller ingen rolle om du faller inn i en bestemt Universet ut av en uendelig rekke parallelle Universer.
det som er viktig er at en quantum observasjon har oppstått.
Mange Verdener Tolkning av kvantemekanikken mener at det er et uendelig antall…, parallelle Universer som eksisterer, og holder alle mulige utfall av en kvantemekaniske system, og at det å gjøre en observasjon bare velger en vei. Denne tolkningen er filosofisk interessant, men vår katt kommer til å være enten død eller levende, ikke en superposisjon av begge, uavhengig av oppførselen til en utenforstående observatør.
Christian Schirm
I virkeligheten, katten i seg selv er en helt gyldig observatør. Det faktum av døren eller porten åpner seg, og mekanisme for å kontrollere det blir utløst, er en helt gyldig observasjon., Å kaste en Geiger-telleren i det, et instrument som er følsomme for radioaktivt henfall, ville telle som en observasjon. Og, faktisk, et ikke-reversible samspillet som oppstår i dette systemet, selv om det er helt forseglet fra omverdenen i denne boksen, vil du se ett og bare ett definitive state: enten atom har forfalt, eller så har den ikke.
grunnen til At bak dette er ganske enkelt at hver interaksjon mellom to quantum partikler har potensial til å bestemme quantum staten, effektivt kollapser quantum wavefunction i de mest vanlige tolkningen., I virkeligheten, den forfall (eller ikke-nedbrytning) av atom vil utløse (eller unnlater å utløse) døren mekanisme, og det alene, akkurat der, er der overgangen fra denne bisarre quantum oppførselen til våre kjente klassiske skjer.
Denne grafen viser (i rosa) mengden av radioaktivt eksempel som gjenstår etter flere halveringstider… det har gått. Etter en half-life, halve eksempel er venstre, og etter to halveringstider, halvparten av resten (eller en fjerdedel) som er igjen, og etter tre halveringstider, halvparten av det (eller en åttendedel) er til venstre., Hvis det forfall fungerer som trigger for at noe skal enten inntreffer eller ikke inntreffer, men som i seg selv er nok til å utgjøre en observasjon.
Andrew Fraknoi, David Morrison, og Sidney Wolff / Rice University, under c.c.a.-4.0
Schrödinger seg selv var veldig klar på dette punktet, sier:
Det er typisk for disse tilfellene at en indeterminacy opprinnelig begrenset til atom-domenet, blir forvandlet til makroskopiske indeterminacy, som deretter kan løses ved direkte observasjon., Som hindrer oss fra så naivt å godta som gyldig en «tåkete» modell for å representere virkeligheten. I seg selv, ville det ikke uttrykker noe uklare eller motstridende. Det er en forskjell mellom en vaklende eller ut-av-fokus-bilde og et bilde av skyer og tåke banker.
med andre ord, Schrödinger visste at katten må være enten død eller levende. Katten selv, vil aldri være i en superposisjon av kvantetilstander, men vil enten være definitivt død eller definitivt live på noen øyeblikk i tid., Bare fordi kameraet er ute av fokus, hevder han, betyr ikke at virkeligheten er fundamentalt uskarpt.
Dette 2-panelet viser observasjoner av den Galaktiske Sentrum med og uten Adaptiv Optikk… for å illustrere oppløsning få. Den faktiske plasseringen av stjerner (til høyre) er ikke iboende usikker på grunn av begrensninger av vårt utstyr (til venstre), og på samme måte, en katt er ikke usikker i sin død eller levende status på grunn av den boksen vi sette det inn.
UCLA Galaktiske Sentrum Gruppe – W. M., Keck-Observatoriet Laser Team
Når Einstein snakket om «Gud ikke spiller terning med Universet,» dette var hva han siktet til. Faktisk, Einstein skrev følgende til Schrödinger seg selv, spør retorisk, «Er tilstanden for katten å bli opprettet bare når en fysiker undersøker situasjonen til noen bestemt tid?»
svar, kanskje dessverre, det er «selvfølgelig ikke.»Dette ubestemmelige quantum atferd er faktisk enormt vanskelig å opprettholde, og dette er en av de store utfordringer i å bygge større skala quantum systemer., Innviklede bare et par tusen atomer for en kort tid er en veldig siste prestasjon, og en av grunnene til at quantum computing er så vanskelig er fordi fanget qubits kan bare opprettholdes i en ubestemt tilstand for slike korte tidsintervaller.
The quantum at Universet er et ukjent sted for nesten alle av oss, og Schrödinger ‘ s katt er for det meste en illustrasjon på hvor lett det er for oss å oppfatte det. Kanskje toppen myten om Schrödinger ‘ s katt er at den har noe å gjøre med quantum weirdness i det hele tatt.
Send inn din Spør Ethan spørsmål til startswithabang at gmail dot com!,