Als u een kwantumsysteem instelt waarbij de uitkomst dan iets macroscopisch bepaalt, zoals de… leven of dood van een kat in een doos, je zou kunnen aanvoelen dat dit betekent, totdat je de doos opent, de kat is in een superpositie van dode en levende Staten. Het werkelijke verhaal is veel, veel rijker dan dat.
Getty
een van de meest bizarre ideeën over het kwantumuniversum is de notie van Onbepaalde toestanden., In ons conventionele macroscopische universum zijn we gewend aan dingen die gewoon bestaan op een bepaalde, niet-controversiële manier. Of we nu naar iets kijken of niet, het bestaat gewoon, onafhankelijk van onze waarnemingen. Maar in het kwantumuniversum vertonen individuele systemen verschillend gedrag, afhankelijk van of je ze meet of niet. Misschien wel de meest bekende popularisering van dit idee is in de vorm van Schrödingers kat, waar een systeem is opgezet zodat als een radioactief atoom vervalt, de kat sterft, maar zo niet, de kat leeft., Maar er zijn meer mythes dan waarheden rondom dit experiment, en Dave Wagner wil dat we ze ontrafelen, en suggereert:
Ik las net een van jullie “Top n mythes/misverstanden over…”stukken, en ik dacht dat een goed idee voor een zou zijn” top n mythen / misverstanden over Schrödingers kat.”
laten we eens kijken naar wat er echt aan de hand is achter dit beroemde gedachte-experiment.
elektronen vertonen zowel golfeigenschappen als deeltjeseigenschappen en kunnen worden gebruikt om te construeren…, beelden of sonde deeltjesgrootte net zo goed als licht kan. Hier kunt u de resultaten zien van een experiment waarbij elektronen (of, met gelijkwaardige resultaten, fotonen) één voor één door een dubbele spleet worden afgevuurd. Zodra er genoeg elektronen zijn afgevuurd, is het interferentiepatroon duidelijk te zien.
Thierry Dugnolle / Public Domain
Ten eerste is het belangrijk om te herkennen waar het idee voor Schrödingers kat vandaan kwam: een echt, fysiek experiment met ondubbelzinnige maar zeer onintuitieve resultaten., Het enige wat je hoeft te doen is wat licht schijnen in de richting van twee dunne, dicht bij elkaar liggende spleten, en observeren wat voor soort visuele patroon verschijnt op het scherm aan de andere kant. Zolang je licht allemaal van dezelfde golflengte is en je alleen naar het scherm kijkt, krijg je een storingspatroon, of een alternatieve set van vele licht-en-donkere banden.
maar als je dan herkent: “hé, licht is gemaakt van fotonen, en elk afzonderlijk foton moet door de ene of de andere spleet gaan,” dan begin je de rariteit in het spel te zien. Zelfs het één voor één doorsturen van fotonen geeft je nog steeds het storingspatroon., En dan heb je het heldere idee om te meten door welke snede elk foton gaat. Zodra je dat doet — en je bent trouwens succesvol — verdwijnt het interferentiepatroon.
Als u meet welke snede een elektron doorlaat bij het uitvoeren van een één-deeltje-tegelijk-dubbel… spleet experiment, je krijgt geen storingspatroon op het scherm erachter. In plaats daarvan gedragen de elektronen (of fotonen) zich niet als golven, maar als klassieke deeltjes.
Wikimedia Commons user Inductiveload
Hoe kunnen we dit begrijpen?, Dit experiment is in veel opzichten de ultieme illustratie van hoe kwantumfysica werkt, en ook waarom het zo vreemd is. Het is alsof individuele quanta zich gedragen als golven en met zichzelf interfereren, gelijktijdig door beide spleten reizen en het waargenomen patroon produceren. Maar als je durft te gaan en ze te meten — dus bepalen door welke spleet ze gaan — ze reizen alleen door de ene of de andere spleet, en niet langer produceren die interferentie.
Het maakt één ding heel duidelijk: de handeling van het observeren van een kwantumsysteem kan in feite de uitkomst sterk veranderen., Maar dat, zoals de meeste ontdekkingen in de natuurkunde, roept alleen maar meer vragen op. Onder welke omstandigheden verandert een waarneming de uitkomst? Wat is een observatie? En moet een mens een “waarnemer” zijn, of zou een anorganische, niet-levende meting volstaan?
Dit zijn allemaal goede vragen, en het was het denken over precies dit soort kwesties dat Erwin Schrödinger ertoe bracht om zijn beroemde katachtige paradox te formuleren. Het gaat ongeveer als volgt:
- u zet een gesloten systeem op, d.w.z.,, een doos,
- waarin zich in de doos een kwantumsysteem bevindt, zoals een enkel radioactief atoom,
- en wanneer het atoom vervalt, opent een deur,
- achter die deur zit vergiftigd Kattenvoer,
- en ook in de doos zit een kat die het voedsel zal eten wanneer het beschikbaar komt,
- dus wacht je een halfwaardetijd van de tijd,
- en dan stel je de belangrijkste vraag: is de kat levend of dood?
dat is het. Dat is het volledige idee van het Schrödinger ‘ s kat gedachte experiment.
Is de kat dood of levend?, Terwijl we zouden kunnen denken dat de kat zelf in een superpositie van… dood-en-levend Staten totdat we de doos openen, dat is een onjuiste lijn van denken dat al vele decennia voortduurt, ondanks het feit dat Schrodinger zelf nooit zoiets heeft beweerd.
geralt /
dus, wat gebeurt er als u het kader opent?,
Het openen van de doos moet gelijk staan aan het maken van een observatie, dus ofwel:
- u zult een dode kat vinden die het voedsel heeft gegeten dat werd onthuld door het radioactieve atoom dat vergaat, of
- u zult een levende kat vinden waar geen voedsel werd onthuld en het oorspronkelijke radioactieve atoom nog niet is vergaan.
maar voordat u de box hebt geopend — omdat dit is hoe kwantumsystemen werken — moet het cat/food/atom-systeem zich in een superpositie van beide toestanden bevinden., Er is slechts een onbepaalde kans dat het atoom is vergaan, en daarom moet het atoom in een superpositie van vervallen en niet-vervallen toestanden tegelijkertijd. Omdat het verval van het atoom de deur controleert, de deur het voedsel controleert, en het voedsel bepaalt of de kat leeft of sterft, moet de kat zelf dan in een superpositie van kwantumtoestanden zijn. Op de een of andere manier is de kat deels dood en deels levend tot er een observatie is gemaakt.
In een traditioneel Schrodinger ‘ s kat experiment, Weet je niet of het resultaat van een kwantum…, verval is opgetreden, wat leidt tot de ondergang van de kat of niet. In de doos zal de kat levend of dood zijn, afhankelijk van of een radioactief deeltje vergaat of niet. Als de kat een echt kwantumsysteem zou zijn, zou de kat niet levend of dood zijn, maar in een superpositie van beide toestanden tot waargenomen. U kunt echter nooit zien dat de kat tegelijk dood en levend is.
Wikimedia Commons gebruiker Dhatfield
en dat, in een notendop, is de grootste mythe en misvatting geassocieerd met Schrödingers kat.,in feite presenteerde Erwin Schrödinger zelf zijn ” kat ” idee niet als een voorgesteld experiment. Hij bedacht het niet om diepe vragen te stellen over de rol van een mens in het observatieproces. Hij beweerde niet dat de kat zelf in een superpositie van kwantumtoestanden zou zijn, waar hij deels dood en deels levend tegelijk is, zoals een foton gedeeltelijk door beide spleten lijkt te gaan in het dubbelspleetexperiment.
elk idee langs deze lijnen is zelf een mythe en misvatting die in strijd is met Schrödingers oorspronkelijke doel in het naar voren brengen van dit gedachte-experiment., Zijn ware doel? Om te illustreren hoe gemakkelijk het is om tot een absurde voorspelling te komen-zoals een voorspelling van een tegelijk half dode en half levende kat-als je de kwantummechanica verkeerd interpreteert of verkeerd begrijpt.
wanneer u een experiment uitvoert op een qubit-status die begint als/10100> en u geeft het door… 10 coupler pulsen (dwz, kwantum operaties), zult u niet een vlakke verdeling met gelijke kansen voor elk van de 10 mogelijke uitkomsten te krijgen., In plaats daarvan zullen sommige resultaten abnormaal hoge kansen hebben en sommige zullen zeer lage hebben. Het meten van de uitkomst van een kwantumcomputer kan bepalen of je het verwachte kwantumgedrag handhaaft of verliest in je experiment. Het handhaven ervan, zelfs voor een paar qubits, voor een aanzienlijke hoeveelheid tijd is een van de grootste uitdagingen waarmee quantum computing vandaag de dag wordt geconfronteerd; veel geluk om dat te doen voor iets zo complex als een kat.
C. Neill et al. (2017), arXiv:1709.,06678v1, quant-ph
met andere woorden, vrijwel alles wat je ooit hebt gehoord over Schrödingers kat is waarschijnlijk een mythe, met de enige uitzondering van het feit dat kwantumsystemen eigenlijk goed beschreven zijn door een probabilistisch gewogen superpositie van alle mogelijke, toegestane toestanden, en dat een observatie of meting altijd één en slechts één definitieve toestand zal onthullen.
Dit is niet alleen waar, maar het is waar ongeacht welke kwantuminterpretatie je kiest., Het maakt niet uit of je een uitkomst selecteert uit het geheel van alle mogelijke uitkomsten; het maakt niet uit of je een onbepaalde golffunctie instort in een bepaalde staat; het maakt niet uit of je in een bepaald universum valt uit een oneindige suite van parallelle universa.
het enige dat telt is dat er een kwantumwaarneming heeft plaatsgevonden.
de vele werelden interpretatie van de kwantummechanica stelt dat er een oneindig aantal van…, parallelle universa die bestaan, die alle mogelijke uitkomsten van een kwantummechanisch systeem bevatten, en die een observatie gewoon één pad kiest. Deze interpretatie is filosofisch interessant, maar onze kat gaat dood of levend zijn, niet een superpositie van beide, ongeacht het gedrag van een externe waarnemer.
Christian Schirm
in werkelijkheid is de kat zelf een volkomen geldige waarnemer. Het feit dat de deur of poort opent, en het mechanisme dat het aanstuurt, wordt geactiveerd, is een volkomen geldige observatie., Daar een geigerteller in gooien, een instrument dat gevoelig is voor radioactieve verval, zou als observatie tellen. En, in feite, elke niet-omkeerbare interactie die plaatsvindt binnen dat systeem, zelfs als het volledig afgesloten is van de buitenwereld in die doos, zal één en slechts één definitieve toestand onthullen: of het atoom is vervallen of niet.
de reden hiervoor is simpelweg dat elke interactie tussen twee kwantumdeeltjes de potentie heeft om de kwantumtoestand te bepalen, waardoor de kwantumgolffunctie in de meest voorkomende interpretatie effectief instort., In werkelijkheid zal het verval (of niet-verval) van het atoom het deurmechanisme activeren (of niet activeren), en dat alleen al is waar de overgang van dit bizarre kwantumgedrag naar ons bekende klassieke gedrag plaatsvindt.
Deze grafiek toont (in roze) de hoeveelheid radioactief monster die overblijft na verschillende halfwaardetijden… zijn geslaagd. Na een halfwaardetijd blijft de helft van het monster over; na twee halfwaardetijden blijft de helft van de rest (of een kwart) over; en na drie halfwaardetijden blijft de helft daarvan (of een achtste) over., Als dat verval dient als de trigger voor iets om te voorkomen of niet optreden, echter, dat zelf voldoende is om een observatie te vormen.
Andrew Fraknoi, David Morrison, and Sidney Wolff / Rice University, under c.c.a.-4.0
Schrödinger zelf was zeer duidelijk op dit punt, onder vermelding van:
Het is typerend voor deze gevallen dat een onbepaaldheid die oorspronkelijk beperkt was tot het atomaire domein wordt omgezet in macroscopische onbepaaldheid, die vervolgens kan worden opgelost door directe observatie., Dat weerhoudt ons van het zo naïef accepteren als geldig een “wazig model” voor het vertegenwoordigen van de werkelijkheid. Op zich zou het niets onduidelijks of tegenstrijdigs belichamen. Er is een verschil tussen een wankele of onscherpe foto en een momentopname van wolken en mistbanken.
met andere woorden, Schrödinger wist dat de kat dood of levend moest zijn. De kat zelf zal nooit in een superpositie van kwantumtoestanden zijn, maar zal op elk moment definitief dood of definitief levend zijn., Alleen omdat je camera onscherp is, stelt hij, betekent niet dat de realiteit fundamenteel wazig is.
dit 2-paneel toont waarnemingen van het galactische centrum met en zonder adaptieve optica… ter illustratie van de resolutie winst. De werkelijke posities van de sterren (rechts) zijn niet inherent onzeker vanwege de beperkingen van onze uitrusting (links), en evenzo is een kat niet onzeker in zijn dood of Levende status vanwege de doos waarin we hem plaatsen.UCLA Galactic Center Group-W. M., Keck Observatory Laser Team
toen Einstein sprak over “God die niet dobbelt met het universum”, was dit waar hij naar verwees. In feite schreef Einstein het volgende aan Schrödinger zelf, met de vraag retorisch: “moet de toestand van de kat alleen worden gecreëerd wanneer een natuurkundige de situatie op een bepaald moment onderzoekt?”
het antwoord is, misschien helaas, ” natuurlijk niet.”Dit onbepaald kwantumgedrag is eigenlijk enorm moeilijk te handhaven; dit is een van de grote uitdagingen bij het bouwen van kwantumsystemen op grotere schaal., Het verstrengelen van slechts een paar duizend atomen voor een korte tijd is een zeer recente prestatie, en een van de redenen waarom kwantum computing zo moeilijk is, is omdat verstrengelde qubits alleen in een onbepaalde staat kunnen worden gehandhaafd voor zulke korte tijdsintervallen.
het kwantum universum is zeker een onbekende plek voor bijna iedereen van ons, en Schrödingers kat is meestal een illustratie van hoe gemakkelijk het is voor ons om het verkeerd te interpreteren. Misschien is de topmythe over Schrödingers kat dat het iets te maken heeft met kwantum weirdness.
stuur je ask Ethan vragen naar startswithabang op gmail dot com!,