jeśli skonfigurujesz system kwantowy, w którym wynik określa coś makroskopowego, np… życie lub śmierć kota w pudełku, możesz przypuszczać, że oznacza to, że dopóki nie otworzysz pudełka, kot jest w superpozycji martwych i żywych Stanów. Prawdziwa historia jest o wiele bogatsza.
jednym z najdziwniejszych pojęć dotyczących wszechświata kwantowego jest pojęcie Stanów nieokreślonych., W naszym konwencjonalnym, makroskopowym wszechświecie jesteśmy przyzwyczajeni do rzeczy po prostu istniejących w szczególny, nie kontrowersyjny sposób. Niezależnie od tego, czy na coś patrzymy, czy nie, to po prostu istnieje, niezależnie od naszych obserwacji. Ale we wszechświecie kwantowym, poszczególne systemy wykazują różne zachowania w zależności od tego, czy je mierzysz, czy nie. Być może najbardziej znaną popularyzacją tej idei jest kot Schrödingera, w którym układ jest tak skonfigurowany, że jeśli rozpadnie się radioaktywny atom, kot umiera, ale jeśli nie, kot żyje., Ale jest więcej mitów niż prawd otaczających ten eksperyment, a Dave Wagner chce, abyśmy je rozwikłali, sugerując:
właśnie czytałem jeden z Twoich „Top n mitów/nieporozumień na temat…”pieces, and I thought a good idea for one would be” Top N mity/nieporozumienia na temat kota Schrödingera.”
rzućmy okiem na to, co naprawdę dzieje się za tym słynnym eksperymentem myślowym.
elektrony wykazują właściwości falowe, a także właściwości cząstek i mogą być używane do konstruowania…, obrazy lub wielkości cząstek sondy tak samo dobrze, jak światło może. Tutaj możesz zobaczyć wyniki eksperymentu, w którym elektrony (lub, z równoważnymi wynikami, fotony) są odpalane pojedynczo przez podwójną szczelinę. Po wystrzeleniu wystarczającej ilości elektronów widać wyraźnie wzór interferencji.
Thierry Dugnolle / Public Domain
Po pierwsze, ważne jest, aby rozpoznać, skąd wziął się pomysł na kota Schrödingera: prawdziwy, fizyczny eksperyment z jednoznacznymi, ale bardzo nieintuitywnymi wynikami., Wszystko, co musisz zrobić, to poświecić trochę światła w kierunku dwóch cienkich, ściśle rozmieszczonych szczelin i obserwować, jaki wzór wizualny pojawia się na ekranie po drugiej stronie. Tak długo, jak twoje światło ma tę samą długość fali i patrzysz tylko na ekran, otrzymasz wzór interferencji lub alternatywny zestaw wielu jasnych i ciemnych pasm.
ale jeśli zauważysz, że „hej, światło jest zbudowane z fotonów, a każdy pojedynczy Foton musi przejść przez jedną szczelinę lub drugą”, zaczynasz widzieć dziwność w grze. Nawet wysyłanie fotonów pojedynczo daje wzór interferencji., I wtedy masz świetny pomysł, aby zmierzyć, przez które szczeliny przechodzi każdy Foton. Jak tylko to zrobisz — i osiągniesz sukces, nawiasem mówiąc — wzór zakłóceń zniknie.
jeśli zmierzysz, przez które szczeliny przechodzi elektron podczas wykonywania podwójnej cząstki… eksperyment szczelinowy, nie widać wzorca zakłóceń na ekranie za nim. Zamiast tego elektrony (lub fotony) zachowują się nie jak fale, ale jak klasyczne cząstki.
wywołanie użytkownika Wikimedia Commons
Jak to rozumieć?, Ten eksperyment jest, pod wieloma względami, ostateczną ilustracją tego, jak działa fizyka kwantowa, a także dlaczego jest tak dziwna. To tak, jakby poszczególne kwanty same zachowywały się jak fale i przeszkadzały sobie, przemieszczając się przez obie szczeliny jednocześnie i wytwarzając obserwowany wzór. Ale jeśli odważysz się je zmierzyć-a zatem określić, przez którą szczelinę przechodzą — podróżują tylko przez jedną lub drugą szczelinę i nie wytwarzają już tej interferencji.
jedno jest bardzo jasne: obserwacja układu kwantowego może w rzeczywistości znacznie zmienić wynik., Ale to, jak większość odkryć w fizyce, rodzi tylko więcej pytań. W jakich warunkach obserwacja zmienia wynik? Czym jest dokonywanie obserwacji? A czy człowiek musi być „obserwatorem”, czy może wystarczy nieorganiczny, nieżywy pomiar?
to wszystko są dobre pytania, a to właśnie myślenie o tego typu kwestiach skłoniło Erwina Schrödingera do sformułowania swojego słynnego Kociego paradoksu. Wygląda to tak:
- ustawiasz system zamknięty, czyli,, pudełko,
- gdzie wewnątrz pudełka znajduje się system kwantowy, jak pojedynczy atom radioaktywny,
- i kiedy atom się rozpada, otwierają się drzwi,
- za tymi drzwiami jest zatrute kocie jedzenie,
- a także w pudełku jest kot, który zje jedzenie, gdy stanie się dostępne,
- więc czekasz jeden okres półtrwania,
- i wtedy zadajesz kluczowe pytanie: czy kot żyje czy nie?
To wszystko. To jest cała idea eksperymentu myśli kota Schrödingera.
czy kot żyje czy żyje?, Chociaż możemy pomyśleć, że sam kot jest w superpozycji… martwe i żywe Stany, dopóki nie otworzymy pudełka, to błędna linia myślenia, która utrzymuje się przez wiele dziesięcioleci, pomimo faktu, że sam Schrodinger nigdy nie twierdził czegoś takiego.
geralt /
co się dzieje po otwarciu pudełka?,
otwarcie pudełka musi być równoznaczne z dokonaniem obserwacji, więc albo:
- znajdziesz martwego kota, który zjadł jedzenie, które zostało ujawnione przez rozpadający się radioaktywny atom, albo
- znajdziesz żywego kota, w którym nie znaleziono jedzenia, a oryginalny radioaktywny atom jeszcze nie uległ rozpadowi.
Ale zanim otworzysz pudełko-bo tak działają układy kwantowe-układ kot / Karma / atom musi znajdować się w superpozycji obu stanów., Istnieje tylko nieokreślone prawdopodobieństwo, że atom rozpadł się, a zatem atom musi być jednocześnie w superpozycji Stanów rozpadłych i nie-rozpadłych. Ponieważ rozpad atomu kontroluje drzwi, drzwi kontrolują żywność, a jedzenie określa, czy kot żyje, czy umiera, sam kot musi więc znajdować się w superpozycji stanów kwantowych. W jakiś sposób kot jest zarówno częściowo martwy, jak i częściowo żywy, dopóki nie zostanie dokonana obserwacja.
w tradycyjnym eksperymencie kota Schrodingera nie wiesz, czy wynik kwantowy…, doszło do rozpadu, co doprowadziło do śmierci kota lub nie. W pudełku kot będzie żywy lub martwy, w zależności od tego, czy radioaktywna cząsteczka rozpadła się, czy nie. Gdyby kot był prawdziwym układem kwantowym, kot nie byłby ani żywy, ani martwy, ale w superpozycji obu stanów, dopóki nie zostanie zaobserwowany. Jednak nigdy nie można zaobserwować, że kot jest jednocześnie martwy i żywy.
użytkownik Wikimedia Commons Dhatfield
i to, w skrócie, jest największym mitem i błędem związanym z kotem Schrödingera.,
w rzeczywistości sam Erwin Schrödinger nie przedstawił swojego „kota” jako proponowanego eksperymentu. Nie wymyślił tego, by zadawać głębokie pytania o rolę człowieka w procesie obserwacji. Nie twierdził, że sam kot znajduje się w superpozycji stanów kwantowych, gdzie jest częściowo martwy i częściowo żywy jednocześnie, tak jak Foton zdaje się przechodzić częściowo przez oba szczeliny w eksperymencie z podwójną szczeliną.
każda idea w tym kierunku jest sama w sobie mitem i błędnym przekonaniem, które stoi w sprzeczności z pierwotnym celem Schrödingera w przedstawianiu tego eksperymentu myślowego., Jego prawdziwy cel? Aby zilustrować, jak łatwo jest dojść do absurdalnego przewidywania-takiego jak przewidywanie jednocześnie pół-Martwego i pół — żywego kota-jeśli źle interpretujesz lub źle rozumiesz mechanikę kwantową.
gdy wykonujesz eksperyment na stanie kubitowym, który rozpoczyna się jako/10100> I przepuszczasz go… 10 impulsów sprzęgających (tj. operacji kwantowych), nie otrzymasz płaskiego rozkładu z równym prawdopodobieństwem dla każdego z 10 możliwych wyników., Zamiast tego, niektóre wyniki będą miały nienormalnie wysokie prawdopodobieństwo, a niektóre będą miały bardzo niskie. Pomiar wyniku komputera kwantowego może określić, czy zachowujesz oczekiwane zachowanie kwantowe, czy tracisz je w swoim eksperymencie. Utrzymanie go, nawet przez kilka kubitów, przez znaczną ilość czasu jest jednym z największych wyzwań stojących dziś przed komputerami kwantowymi; powodzenia w robieniu tego dla czegoś tak złożonego, jak kot.
C. Neill i in. (2017), arXiv: 1709.,06678v1, quant-ph
innymi słowy, prawie wszystko, co kiedykolwiek słyszałeś o kocie Schrödingera, jest prawdopodobnie mitem, z jedynym wyjątkiem faktu, że systemy kwantowe są dobrze opisane przez probabilistycznie ważoną superpozycję wszystkich możliwych, dopuszczalnych stanów, i że obserwacja lub pomiar zawsze ujawni jeden i tylko jeden stan ostateczny.
to nie tylko prawda, ale i prawda niezależnie od tego, którą interpretację kwantową wybierzesz., Nie ma znaczenia, czy wybieramy jeden wynik z całego zbioru wszystkich możliwych wyników; nie ma znaczenia, czy zapadamy się nieokreśloną funkcją falową w określony stan; nie ma znaczenia, czy wpadamy do jednego konkretnego wszechświata z nieskończonego zestawu równoległych wszechświatów.
liczy się tylko to, że doszło do obserwacji kwantowej.
wiele światów interpretacja mechaniki kwantowej utrzymuje, że istnieje nieskończona liczba…, równoległe wszechświaty, które istnieją, trzymając wszystkie możliwe wyniki kwantowego układu mechanicznego, i że dokonując obserwacji po prostu wybiera jedną ścieżkę. Ta interpretacja jest filozoficznie interesująca, ale nasz kot będzie albo martwy albo żywy, a nie superpozycja obu, niezależnie od zachowania zewnętrznego obserwatora.
Christian Schirm
w rzeczywistości kot sam w sobie jest doskonale poprawnym obserwatorem. Fakt otwarcia drzwi lub bramy, oraz mechanizm kontrolujący jej uruchomienie, jest całkowicie słuszną obserwacją., Wrzucenie tam licznika Geigera, instrumentu, który jest wrażliwy na rozpady radioaktywne, liczyłoby się jako obserwacja. I w rzeczywistości, każda nieodwracalna interakcja, która zachodzi w tym systemie, nawet jeśli jest całkowicie odcięta od świata zewnętrznego w tym pudełku, ujawni jeden i tylko jeden ostateczny stan: albo atom rozpadł się, albo nie.
powodem tego jest po prostu to, że każda interakcja między dwoma cząstkami kwantowymi ma potencjał do określenia stanu kwantowego, skutecznie załamując kwantową funkcję falową w najczęstszej interpretacji., W rzeczywistości rozpad (lub nie-rozpad) atomu wywoła (lub nie uruchomi) mechanizm drzwi, i to samo, właśnie tam, jest miejscem, w którym następuje przejście od tego dziwacznego kwantowego zachowania do naszego znanego klasycznego zachowania.
Ten wykres pokazuje (w kolorze różowym) ilość próbki radioaktywnej, która pozostaje po kilku okresach półtrwania… odeszli. Po jednym okresie półtrwania, połowa próbki pozostaje; po dwóch okresów półtrwania, jedna połowa pozostałej (lub jedna czwarta) pozostaje; a po trzech okresów półtrwania, jedna połowa tego (lub jedna ósma) pozostaje., Jeśli jednak ten rozpad służy jako wyzwalacz czegoś, co albo się wydarzy, albo nie, to samo w sobie wystarczy, aby stanowić obserwację.
Andrew Fraknoi, David Morrison, and Sidney Wolff / Rice University, under c.c.a.-4.0
Schrödinger sam był bardzo jasny w tej kwestii, stwierdzając:
jest to typowe dla tych przypadków, że nieokreśloność pierwotnie ograniczona do domeny atomowej przekształca się w nieokreśloność makroskopową, która może następnie być rozwiązane przez bezpośrednią obserwację., To uniemożliwia nam tak naiwne zaakceptowanie jako słusznego „rozmytego modelu” przedstawiania rzeczywistości. Sama w sobie nie ucieleśniłaby niczego niejasnego lub sprzecznego. Istnieje różnica między chwiejnym lub nieostrym zdjęciem a migawką chmur i mgły.
innymi słowy, Schrödinger wiedział, że kot musi być martwy lub żywy. Sam kot nigdy nie będzie w superpozycji stanów kwantowych, ale albo będzie definitywnie martwy lub definitywnie żywy w dowolnym momencie w czasie., To, że twój aparat jest nieostry, przekonuje, nie oznacza, że rzeczywistość jest zasadniczo zamazana.
Ten 2-panelowy panel pokazuje obserwacje centrum galaktyki z optyką adaptacyjną i bez niej,… obrazujący przyrost rozdzielczości. Rzeczywiste pozycje gwiazd (po prawej) nie są z natury niepewne ze względu na ograniczenia naszego sprzętu (po lewej), podobnie kot nie jest niepewny swojej śmierci lub statusu życia z powodu pudełka, w którym go wkładamy.
UCLA Galactic Center Group-W. M., Keck Observatory Laser Team
Kiedy Einstein mówił o „Bóg nie gra w kości z wszechświatem”, to było to, co miał na myśli. W rzeczywistości Einstein napisał do samego Schrödingera, pytając retorycznie: „czy stan kota można stworzyć tylko wtedy, gdy fizyk bada sytuację w określonym czasie?”
odpowiedź, być może niestety, brzmi: „oczywiście, że nie.”To nieokreślone zachowanie kwantowe jest w rzeczywistości ogromnie trudne do utrzymania; jest to jedno z głównych wyzwań w budowaniu układów kwantowych na większą skalę., Splątanie zaledwie kilku tysięcy atomów przez krótki czas jest bardzo niedawnym osiągnięciem, a jednym z powodów, dla których obliczenia kwantowe są tak trudne, jest fakt, że splątane kubity mogą być utrzymywane w nieokreślonym stanie tylko przez tak krótkie interwały czasowe.
Wszechświat kwantowy z pewnością jest nieznanym miejscem dla prawie każdego z nas, a kot Schrödingera jest głównie ilustracją tego, jak łatwo jest nam go źle zinterpretować. Być może najwyższym mitem o kocie Schrödingera jest to,że ma on cokolwiek wspólnego z kwantową dziwnością.
Wyślij swoje pytania na pocztę gmail dot com!,