om du ställer in ett kvantsystem där resultatet sedan bestämmer något makroskopiskt, som… livet eller döden av en katt i en låda, kan du intuit att detta innebär, Tills du öppnar lådan, katten är i en överlagring av döda och levande stater. Den faktiska historien är mycket, mycket rikare än så.
Getty
en av de mest bisarra idéerna om kvantuniversumet är begreppet obestämda tillstånd., I vårt konventionella, makroskopiska universum är vi vana vid saker som helt enkelt existerar på ett visst, icke-kontroversiellt sätt. Oavsett om vi tittar på något eller inte, existerar det helt enkelt, oberoende av våra observationer. Men i kvantuniversumet uppvisar enskilda system olika beteende beroende på om du mäter dem eller inte. Kanske är den mest kända populariseringen av denna idé i form av Schrödingers katt, där ett system är upprättat så att om en radioaktiv atom sönderfaller, dör katten, men om inte, lever katten., Men det finns fler myter än sanningar kring detta experiment, och Dave Wagner vill att vi ska avlägsna dem, vilket tyder på:
Jag läste bara en av dina ”Top n myter/missförstånd om…”bitar, och jag trodde en bra idé för en skulle vara” Top n myter / missförstånd om Schrödingers katt.”
Låt oss ta en titt på vad som verkligen händer bakom detta berömda tankeexperiment.
elektroner uppvisar vågegenskaper såväl som partikelegenskaper och kan användas för att konstruera…, bilder eller sondpartikelstorlekar lika bra som ljusburk. Här kan du se resultaten av ett experiment där elektroner (eller, med motsvarande resultat, fotoner) avfyras en-vid-en-gång genom en dubbel-slits. När tillräckligt många elektroner avfyras kan störningsmönstret tydligt ses.
Thierry Dugnolle/Public Domain
först och främst är det viktigt att känna igen var idén för Schrödingers katt kom ifrån: ett verkligt, fysiskt experiment med entydiga men mycket ointuitiva resultat., Allt du behöver göra är att lysa lite ljus mot två tunna, tätt placerade slitsar och observera vilken typ av visuellt mönster som visas på skärmen på andra sidan. Så länge ditt ljus är alla av samma våglängd och du tittar bara på skärmen, får du ett störningsmönster, eller en alternativ uppsättning av många ljus-och-mörka band.
men om du sedan känner igen, ”hej, ljus är gjord av fotoner, och varje enskild foton måste gå igenom en slits eller den andra,” du börjar se weirdness på spel. Även skicka fotoner genom en-vid-en-tid ger dig fortfarande störningsmönstret., Och då har du den ljusa idén att mäta vilken slits varje foton går igenom. Så fort du gör det — och du är framgångsrik, förresten — störningsmönstret går bort.
om du mäter vilken slits en elektron går igenom när du utför en engångspartikel-at-a-time dubbel… slit experiment, du får inte ett störningsmönster på skärmen bakom det. Istället uppträder elektronerna (eller fotonerna) inte som vågor, utan som klassiska partiklar.
Wikimedia Commons user Inductiveload
hur förstår vi detta?, Detta experiment är på många sätt den ultimata illustrationen av hur kvantfysik fungerar, och också varför det är så konstigt. Det är som om enskilda quanta själva beter sig som vågor och stör sig själva, reser genom båda slitsarna samtidigt och producerar det observerade mönstret. Men om du vågar gå och mäta dem-därför bestämma vilken slits de går igenom-de bara färdas genom en slits eller den andra, och inte längre producera denna inblandning.
det gör en sak mycket tydlig: handlingen att observera ett kvantsystem kan faktiskt mycket förändra resultatet., Men det, som de flesta upptäckter i fysiken, tar bara upp fler frågor. Under vilka förhållanden ändrar en observation resultatet? Vad innebär att göra en observation? Och är en människa skyldig att vara en ”observatör”, eller kan en oorganisk, icke-levande mätning räcka?
det här är alla bra frågor, och det tänkte på exakt dessa typer av problem som ledde Erwin Schrödinger att formulera sin berömda kattparadox. Det går ungefär så här:
- Du ställer in ett slutet system, dvs,, en låda,
- där inuti lådan är ett kvantsystem, som en enda radioaktiv atom,
- och när atomen sönderfaller, öppnas en dörr,
- bakom den dörren är förgiftad kattmat,
- och även i lådan är en katt som äter maten när den blir tillgänglig,
- så du väntar en halveringstid,
- och sedan frågar du nyckelfrågan: är katten levande eller död?
det är det. Det är hela idén med Schrödingers katt tankeexperiment.
är katten död eller levande?, Medan vi kanske tror att katten själv är i en överlagring av… döda och levande stater tills vi öppnar lådan, det är en felaktig tankegång som har kvarstått i många årtionden, trots att Schrodinger själv aldrig hävdade en sådan sak.
geralt /
Så, vad händer när du öppnar rutan?,
att öppna lådan måste motsvara att göra en observation, så antingen:
- du hittar en död katt som har ätit maten som avslöjades av den radioaktiva atomen sönderfallande, eller
- du hittar en levande katt där ingen mat avslöjades och den ursprungliga radioaktiva atomen ännu inte har förfallit.
men innan du har öppnat rutan — eftersom det här är hur kvantsystem fungerar — måste cat/food / atom-systemet vara i en överlagring av båda tillstånden., Det finns bara en obestämd sannolikhet att atomen har förfallit, och därför måste atomen vara i en överlagring av förfallna och icke-förfallna tillstånd samtidigt. Eftersom atomens sönderfall styr dörren, kontrollerar dörren maten, och maten bestämmer om katten lever eller dör, måste katten själv vara i en överlagring av kvanttillstånd. På något sätt är katten både deldöd och delvis levande tills en observation görs.
i ett traditionellt schrodingers kattexperiment vet du inte om resultatet av en kvant…, förfall har inträffat, vilket leder till kattens död eller inte. Inuti lådan kommer katten att vara antingen levande eller död, beroende på om en radioaktiv partikel förfallna eller inte. Om katten var ett sant kvantsystem skulle katten varken vara levande eller död, men i en överlagring av båda staterna tills den observeras. Du kan dock aldrig Observera att katten är både död och levande.
Wikimedia Commons användare Dhatfield
och det är i ett nötskal den största myten och missuppfattningen i samband med Schrödingers katt.,
faktum är att Erwin Schrödinger själv inte presenterade sin ”katt” – idé som ett föreslaget experiment. Han tänkte inte på det för att ställa djupa frågor om en människas roll i observationsprocessen. Han hävdade faktiskt inte att katten själv skulle vara i en överlagring av kvantstater, där den är delvis död och delvis levande samtidigt, hur en foton verkar passera delvis genom båda slitsarna i dubbelslitsexperimentet.
varje idé längs dessa linjer är i sig en myt och missuppfattning som strider mot Schrödingers ursprungliga syfte att lägga fram detta tankeexperiment., Hans sanna syfte? För att illustrera hur lätt det är att komma fram till en absurd förutsägelse — som en förutsägelse av en samtidigt halvdöd och halvdöd katt-om du misstolkar eller missförstår kvantmekanik.
När du utför ett experiment på ett qubit-tillstånd som börjar som/10100> och du passerar det igenom… 10 kopplingspulser (dvs kvantoperationer), du kommer inte att få en platt fördelning med lika sannolikheter för var och en av de 10 möjliga resultaten., I stället kommer vissa resultat att ha onormalt höga sannolikheter och vissa kommer att ha mycket låga. Att mäta resultatet av en kvantdator kan avgöra om du behåller det förväntade kvantbeteendet eller förlorar det i ditt experiment. Underhålla det, även för bara några kvit, för någon betydande tid är en av de största utmaningarna som kvantberäkning idag; lycka till att göra det för något så komplext som en katt.
C. Neill et al. (2017), arXiv:1709.,06678v1, quant-ph
med andra ord, ganska mycket allt du någonsin hört talas om Schrödingers katt är förmodligen en myt, med det enda undantaget av det faktum att kvantsystem faktiskt är väl beskrivna av en probabilistiskt vägd superposition av alla möjliga, tillåtna tillstånd, och att en observation eller mätning alltid kommer att avslöja ett och bara ett slutgiltigt tillstånd.
detta är inte bara sant, men det är sant oavsett vilken kvanttolkning du väljer., Det spelar ingen roll om du väljer ett resultat av ensemblet av alla möjliga resultat. det spelar ingen roll om du kollapsar en obestämd vågfunktion i ett bestämt tillstånd.det spelar ingen roll om du faller i ett visst universum ur en oändlig svit av parallella universum.
allt som betyder något är att en kvantobservation har inträffat.
många världar tolkning av kvantmekanik anser att det finns ett oändligt antal…, parallella universum som finns, håller alla möjliga resultat av ett kvantmekaniskt system, och att göra en observation väljer helt enkelt en väg. Denna tolkning är filosofiskt intressant, men vår katt kommer att vara antingen död eller levande, inte en superposition av båda, oavsett beteendet hos en extern observatör.
Christian Schirm
i verkligheten är katten själv en helt giltig observatör. Det faktum att dörren eller grindöppningen, och mekanismen som styr den utlöses, är en helt giltig observation., Att kasta en Geigerräknare där, ett instrument som är känsligt för radioaktiva sönderfall, skulle räknas som en observation. Och i själva verket kommer alla icke-reversibla interaktioner som uppstår inom det systemet, även om det är helt förseglat från omvärlden i den rutan, att avslöja ett och bara ett slutgiltigt tillstånd: antingen har atomen förfallit eller det har det inte.
anledningen till detta är helt enkelt att varje interaktion mellan två kvantpartiklar har potential att bestämma kvanttillståndet och effektivt kollapsar kvantvågfunktionen i den vanligaste tolkningen., I verkligheten kommer atomens sönderfall (eller icke-sönderfall) att utlösa (eller misslyckas med att utlösa) dörrmekanismen, och det ensam, precis där, är där övergången från detta bisarra kvantbeteende till vårt välbekanta klassiska beteende uppstår.
denna graf visar (i rosa) mängden radioaktivt prov som återstår efter flera halveringstider… har passerat. Efter en halveringstid lämnas hälften av provet; efter två halveringstider lämnas hälften av resten (eller en fjärdedel); och efter tre halveringstider lämnas hälften av det (eller en åttondel)., Om detta förfall fungerar som utlösaren för att något antingen inträffar eller inte inträffar, är det dock tillräckligt för att utgöra en observation.
Andrew Fraknoi, David Morrison och Sidney Wolff/Rice University, under c.c.a.-4.0
Schrödinger själv var mycket tydlig på denna punkt och sade:
det är typiskt för dessa fall att en obestämd ursprungligen begränsad till atomdomänen omvandlas till makroskopisk obestämdhet, som sedan kan lösas genom direkt observation., Det hindrar oss från att så naivt Acceptera som giltig en ”suddig modell” för att representera verkligheten. I sig skulle det inte belysa något oklart eller motsägelsefullt. Det finns en skillnad mellan ett skakigt eller out-of-focus fotografi och en ögonblicksbild av moln och dimma banker.
med andra ord visste Schrödinger att katten måste vara antingen död eller levande. Katten själv kommer aldrig att vara i en överlagring av kvanttillstånd, men kommer antingen att vara definitivt död eller definitivt levande när som helst., Bara för att din kamera är ur fokus, argumenterar han, betyder inte att verkligheten är fundamentalt suddig.
denna 2-panel visar observationer av Galactic Center med och utan adaptiv optik,… illustrerar upplösningsvinsten. Stjärnornas faktiska positioner (höger) är inte i sig osäkra på grund av begränsningarna i vår utrustning (vänster), och på samma sätt är en katt inte osäker i sin död eller levande status på grund av den låda vi lägger den i.
UCLA Galaktiska Centrum Grupp – W. M., Keck Observatory Laser Team
När Einstein talade om ”Gud inte spelar tärningar med universum”, var det vad han syftade på. Faktum är att Einstein skrev följande till Schrödinger själv och frågade retoriskt: ”är kattens tillstånd att skapas endast när en fysiker undersöker situationen vid en bestämd tidpunkt?”
svaret är kanske tyvärr ” självklart inte.”Detta obestämda kvantbeteende är faktiskt oerhört svårt att upprätthålla; detta är en av de stora utmaningarna för att bygga storskaliga kvantsystem., Intrasslande bara några tusen atomer för en kort tid är en mycket ny prestation, och en av anledningarna till att kvantberäkning är så svår är att intrasslade kvalster endast kan bibehållas i ett obestämt tillstånd för så korta tidsintervall.
kvantuniversumet är säkert en obekant plats för nästan alla av oss, och Schrödingers katt är mestadels en illustration av hur lätt det är för oss att misstolka det. Kanske är den bästa myten om Schrödingers katt att det har något att göra med kvantkrighet alls.
Skicka in din Fråga Ethan frågor till startswithabang at gmail dot com!,