Kot Schrödingera - Schrödinger's cat

Kot Schrödingera: kot, fiolka z trucizną i radioaktywne źródło są umieszczone w zapieczętowanym pudełku. Jeśli wewnętrzny monitor (np. licznik Geigera ) wykryje radioaktywność (tj. rozpad pojedynczego atomu), kolba zostaje rozbita, uwalniając truciznę, która zabija kota. Kopenhaga interpretacja mechaniki kwantowej wynika, że po jakimś czasie, kot jest jednocześnie żywy i martwy. Jednak, gdy patrzy się w polu, jeden widzi kota albo żywy lub martwy, nie oba żywy i martwy. To stawia pytanie, kiedy dokładnie kończy się superpozycja kwantowa, a rzeczywistość rozkłada się na jedną lub drugą możliwość.

W mechanice kwantowej , kot Schrödingera jest eksperyment myślowy , który ilustruje paradoks z kwantowej superpozycji . W eksperymencie myślowym hipotetyczny kot może być traktowany jednocześnie jako żywy i martwy, ponieważ jego los jest powiązany z przypadkowym zdarzeniem subatomowym , które może wystąpić lub nie.

Ten eksperyment myślowy został opracowany przez fizyka Erwina Schrödingera w 1935 roku w dyskusji z Albertem Einsteinem , aby zilustrować to, co Schrödinger postrzegał jako problemy kopenhaskiej interpretacji mechaniki kwantowej. Scenariusz jest często przedstawiany w teoretycznych dyskusjach na temat interpretacji mechaniki kwantowej , szczególnie w sytuacjach związanych z problemem pomiarowym .

Pochodzenie i motywacja

Figurka kota naturalnej wielkości w ogrodzie przy Huttenstrasse 9 w Zurychu, gdzie w latach 1921-1926 mieszkał Erwin Schrödinger. W zależności od warunków oświetleniowych kot wydaje się żywy lub martwy.

Schrödinger zaplanował swój eksperyment myślowy jako omówienie artykułu EPR – nazwanego na cześć jego autorów Einsteina , Podolskiego i Rosena – w 1935 roku. Artykuł EPR podkreślił sprzeczny z intuicją charakter superpozycji kwantowych , w których układ kwantowy, taki jak atom lub foton, może istnieją jako kombinacja wielu stanów odpowiadających różnym możliwym wynikom.

Dominująca teoria, zwana interpretacją kopenhaską , mówi, że układ kwantowy pozostaje w superpozycji, dopóki nie wchodzi w interakcję ze światem zewnętrznym lub jest przez niego obserwowany. Kiedy tak się dzieje, superpozycja zapada się w jeden z możliwych stanów określonych. Eksperyment EPR pokazuje, że układ z wieloma cząstkami oddzielonymi dużymi odległościami może znajdować się w takiej superpozycji. Schrödinger i Einstein wymienili listy na temat artykułu Einsteina z EPR , w trakcie którego Einstein zwrócił uwagę, że stan niestabilnej beczki prochu po pewnym czasie będzie zawierał superpozycję stanów eksplodujących i niewybuchowych.

Aby dalej zilustrować, Schrödinger opisał, w jaki sposób można w zasadzie stworzyć superpozycję w systemie wielkoskalowym, uzależniając go od cząstki kwantowej, która była w superpozycji. Zaproponował scenariusz z kotem w zamkniętej stalowej komorze, w którym życie lub śmierć kota zależało od stanu radioaktywnego atomu, niezależnie od tego, czy uległ rozkładowi i wyemitował promieniowanie, czy nie. Według Schrödingera interpretacja kopenhaska sugeruje, że kot pozostaje żywy i martwy, dopóki stan nie zostanie zaobserwowany. Schrödinger nie chciał promować idei martwych i żywych kotów jako poważnej możliwości; wręcz przeciwnie, jego celem było zilustrowanie absurdalności istniejącego poglądu na mechanikę kwantową.

Jednak od czasów Schrödingera fizycy rozwinęli inne interpretacje matematyki mechaniki kwantowej , z których niektórzy uważają superpozycję „żywego i martwego” kota za całkiem realną. Zamierzony jako krytyka interpretacji kopenhaskiej (dominującej ortodoksji w 1935 r.), eksperyment myślowy Schrödingera z kotem pozostaje kamieniem probierczym dla współczesnych interpretacji mechaniki kwantowej i może być wykorzystany do zilustrowania i porównania ich mocnych i słabych stron.

Eksperyment myślowy

Schrödinger napisał:

Można nawet założyć całkiem śmieszne przypadki. Kot jest zamknięty w stalowej komorze wraz z następującym urządzeniem (które musi być zabezpieczone przed bezpośrednią ingerencją kota): w liczniku Geigera znajduje się maleńka substancja radioaktywna, tak mała, że ​​być może w trakcie w tej godzinie jeden z atomów rozpada się, ale także, z równym prawdopodobieństwem, być może żaden; jeśli tak się stanie, rurka licznika rozładowuje się i przez przekaźnik uwalnia młotek, który rozbija małą kolbę z kwasem cyjanowodorowym . Gdyby pozostawić cały ten układ samemu sobie na godzinę, można by powiedzieć, że kot żyje, jeśli w międzyczasie żaden atom nie uległ rozkładowi . Pierwszy rozpad atomowy by go zatruł. Funkcja psi całego systemu wyrażałaby to poprzez mieszanie lub rozmazywanie w równych częściach żywego i martwego kota (przepraszam za wyrażenie).

Typowe dla tych przypadków jest to, że nieokreśloność pierwotnie ograniczona do domeny atomowej przekształca się w nieokreśloność makroskopową, którą można następnie rozwiązać przez bezpośrednią obserwację. To powstrzymuje nas przed tak naiwnym zaakceptowaniem „rozmytego modelu” reprezentacji rzeczywistości. Sama w sobie nie zawierałaby niczego niejasnego ani sprzecznego. Jest różnica między drżącą lub nieostrą fotografią a migawką chmur i zalegających mgły.

Słynny eksperyment myślowy Schrödingera stawia pytanie: „ kiedy system kwantowy przestaje istnieć jako superpozycja stanów i staje się jednym lub drugim?” (Bardziej technicznie, kiedy rzeczywisty stan kwantowy przestaje być nietrywialną liniową kombinacją stanów, z których każdy przypomina inny stan klasyczny, a zamiast tego zaczyna mieć unikalny klasyczny opis?) Jeśli kot przeżyje, pamięta tylko, że żyje . Ale wyjaśnienia eksperymentów EPR, które są zgodne ze standardową mikroskopijną mechaniką kwantową, wymagają, aby obiekty makroskopowe, takie jak koty i zeszyty, nie zawsze miały unikalny klasyczny opis. Eksperyment myślowy ilustruje ten pozorny paradoks. Nasza intuicja mówi, że żaden obserwator nie może być jednocześnie w więcej niż jednym stanie — a jednak kot, jak wynika z eksperymentu myślowego, może być w takim stanie. Czy kot musi być obserwatorem, czy jego istnienie w jednym, dobrze zdefiniowanym stanie klasycznym wymaga innego obserwatora zewnętrznego? Każda alternatywa wydawała się absurdalna dla Einsteina, który był pod wrażeniem zdolności eksperymentu myślowego do naświetlenia tych kwestii. W liście do Schrödingera z 1950 roku pisał:

Jesteś jedynym, obok Laue , fizykiem współczesnym , który widzi, że nie można obejść założenia o rzeczywistości, jeśli tylko jest się uczciwym. Większość z nich po prostu nie widzi, w jaką ryzykowną grę gra z rzeczywistością – rzeczywistością jako czymś niezależnym od tego, co ustalono eksperymentalnie. Ich interpretacja jest jednak najbardziej elegancko obalona przez wasz system radioaktywny atom + wzmacniacz + ładunek prochu + kot w pudełku, w którym funkcja psi systemu zawiera zarówno żywego, jak i rozerwanego na kawałki kota. Nikt tak naprawdę nie wątpi, że obecność lub nieobecność kota jest czymś niezależnym od aktu obserwacji.

Zauważ, że ładunek prochu strzelniczego nie jest wspomniany w zestawie Schrödingera, który używa licznika Geigera jako wzmacniacza i trucizny cyjanowodorowej zamiast prochu strzelniczego. Proch strzelniczy został wspomniany w pierwotnej sugestii Einsteina dla Schrödingera 15 lat wcześniej i Einstein przeniósł go do obecnej dyskusji.

Interpretacje

Od czasów Schrödingera proponowano inne interpretacje mechaniki kwantowej, które dają różne odpowiedzi na pytania postawione przez kota Schrödingera, jak długo trwają superpozycje i kiedy (lub czy ) załamują się.

Interpretacja kopenhaska

Powszechnie przyjętą interpretacją mechaniki kwantowej jest interpretacja kopenhaska. W interpretacji kopenhaskiej system przestaje być superpozycją państw i staje się jednym lub drugim, gdy następuje obserwacja. Ten eksperyment myślowy pokazuje, że natura pomiaru lub obserwacji nie jest dobrze zdefiniowana w tej interpretacji. Eksperyment można zinterpretować w ten sposób, że gdy pudełko jest zamknięte, system jednocześnie istnieje w superpozycji stanów „rozłożone jądro/martwy kot” i „nierozłożone jądro/żywy kot” i że tylko wtedy, gdy pudełko jest otwarte i Przeprowadzona obserwacja powoduje, że funkcja falowa zapada się w jeden z dwóch stanów.

Jeden z głównych naukowców związanych z interpretacją kopenhaską, Niels Bohr , zaproponował interpretację niezależną od subiektywnego wywołanego przez obserwatora załamania się funkcji falowej lub pomiaru; zamiast tego „nieodwracalny” lub skutecznie nieodwracalny proces powoduje zanik spójności kwantowej, który nadaje klasyczne zachowanie „obserwacji” lub „pomiaru”. W ten sposób kot Schrödingera byłby martwy lub żywy na długo przed otwarciem pudełka przez świadomego obserwatora . Analiza rzeczywistego eksperymentu wykazała, że ​​sam pomiar (na przykład za pomocą licznika Geigera) wystarczy, aby zwinąć kwantową funkcję falową, zanim nastąpi jakakolwiek świadoma obserwacja pomiaru, chociaż ważność ich projektu jest kwestionowana.

Interpretacja wielu światów i spójne historie

Paradoks kwantowo-mechaniczny „kota Schrödingera” według interpretacji wielu światów. W tej interpretacji każde zdarzenie jest punktem rozgałęzienia. Kot jest zarówno żywy, jak i martwy – niezależnie od tego, czy pudełko jest otwarte – ale koty „żywy” i „martwy” znajdują się w różnych gałęziach wszechświata, które są równie realne, ale nie mogą ze sobą współdziałać.

W 1957 roku Hugh Everett sformułował wieloświatową interpretację mechaniki kwantowej, która nie wyróżnia obserwacji jako procesu specjalnego. W interpretacji wielu światów zarówno żywy, jak i martwy stan kota utrzymują się po otwarciu pudełka, ale są od siebie odmienne . Innymi słowy, kiedy pudełko jest otwierane, obserwator i prawdopodobnie martwy kot rozdzielają się na obserwatora patrzącego na pudełko z martwym kotem i obserwatora patrzącego na pudełko z żywym kotem. Ale ponieważ stany martwy i żywy są dekoherentne, nie ma między nimi skutecznej komunikacji ani interakcji.

Po otwarciu pudełka obserwator zaplątuje się w kota, w wyniku czego powstają „stany obserwatora” odpowiadające temu, że kot jest żywy i martwy; każdy stan obserwatora jest uwikłany lub powiązany z kotem tak, że „obserwacja stanu kota” i „stan kota” korespondują ze sobą. Dekoherencja kwantowa zapewnia, że ​​różne wyniki nie wchodzą ze sobą w interakcje. Ten sam mechanizm dekoherencji kwantowej jest również ważny dla interpretacji w kategoriach spójnych historii . Tylko „martwy kot” lub „żywy kot” może być częścią spójnej historii w tej interpretacji. Ogólnie uważa się, że dekoherencja zapobiega jednoczesnej obserwacji wielu stanów.

Wariant eksperymentu Schrödingera z kotem, znany jako kwantowa maszyna samobójcza , zaproponował kosmolog Max Tegmark . Bada eksperyment Schrödingera z kotem z punktu widzenia kota i argumentuje, że stosując to podejście, można odróżnić interpretację kopenhaską od wielu światów.

Interpretacja zespołowa

Interpretacja Zespół stwierdza, że superpozycji są tylko subensembles większego zespół statystyczny. Wektor stanu nie miałby zastosowania do indywidualnych eksperymentów na kotach, a jedynie do statystyk wielu podobnie przygotowanych eksperymentów na kotach. Zwolennicy tej interpretacji twierdzą, że to sprawia, że ​​paradoks kota Schrödingera jest sprawą trywialną lub nieistotną.

Ta interpretacja służy odrzuceniu idei, że pojedynczy układ fizyczny w mechanice kwantowej ma opis matematyczny, który w jakikolwiek sposób mu odpowiada.

Interpretacja relacyjna

Interpretacja relacyjnej nie ma zasadniczej różnicy pomiędzy eksperymentatora ludzkiego, kota lub urządzenia lub systemy pomiędzy żywej i nieożywionej; wszystkie są systemami kwantowymi rządzącymi się tymi samymi zasadami ewolucji funkcji falowych i wszystkie mogą być uważane za „obserwatorów”. Ale interpretacja relacyjna pozwala, aby różni obserwatorzy mogli przedstawiać różne relacje z tej samej serii zdarzeń, w zależności od posiadanych przez nich informacji o systemie. Kota można uznać za obserwatora aparatu; tymczasem eksperymentator może być uważany za kolejnego obserwatora systemu w pudełku (kot plus aparatura). Zanim pudło zostanie otwarte, kot ze względu na to, że jest żywy lub martwy, ma informację o stanie aparatu (atom albo się rozpadł, albo nie rozpadł się); ale eksperymentator nie ma informacji o stanie zawartości pudełka. W ten sposób obaj obserwatorzy jednocześnie mają różne relacje z sytuacji: Kotowi wydawało się, że funkcja falowa urządzenia „załamuje się”; eksperymentatorowi wydaje się, że zawartość pudełka znajduje się w superpozycji. Dopiero gdy pudełko zostanie otwarte, a obaj obserwatorzy mają te same informacje o tym, co się stało, oba stany systemu wydają się „zapadać” w ten sam definitywny wynik, kota, który jest albo żywy, albo martwy.

Interpretacja transakcyjna

W interpretacji transakcyjnej aparat emituje falę zaawansowaną wstecz w czasie, która w połączeniu z falą, którą emituje źródło do przodu w czasie, tworzy falę stojącą. Fale są postrzegane jako fizycznie rzeczywiste, a urządzenie jest uważane za „obserwatora”. W interpretacji transakcyjnej załamanie funkcji falowej jest „atemporalne” i występuje wzdłuż całej transakcji między źródłem a aparatem. Kot nigdy nie jest w superpozycji. Kot jest raczej w jednym stanie w określonym czasie, niezależnie od tego, kiedy eksperymentator zajrzy do pudełka. Interpretacja transakcyjna rozwiązuje ten paradoks kwantowy.

Efekty Zenona

Efekt Zeno jest znana przyczyna opóźnień do wszelkich zmian od stanu początkowego.

Z drugiej strony efekt anty-Zeno przyspiesza zmiany. Na przykład, jeśli często zaglądasz do pudełka dla kota, możesz albo opóźnić brzemienny w skutki wybór, albo, na odwrót, go przyspieszyć. Zarówno efekt Zenona, jak i efekt anty-Zeno są prawdziwe i wiadomo, że zdarzają się prawdziwym atomom. Mierzony system kwantowy musi być silnie sprzężony z otaczającym środowiskiem (w tym przypadku z aparaturą, pokojem doświadczalnym... itd.) w celu uzyskania dokładniejszych informacji. O ile jednak nie ma informacji przekazywanych do świata zewnętrznego, uważa się to za quasi-pomiar , ale gdy tylko informacja o dobrobycie kota zostanie przekazana światu zewnętrznemu (poprzez zajrzenie do pudełka) quasi-pomiar pomiar zamienia się w pomiar. Quasi-pomiary, podobnie jak pomiary, wywołują efekty Zenona. Efekty Zenona uczą nas, że nawet bez zajrzenia do pudełka śmierć kota i tak byłaby opóźniona lub przyspieszona ze względu na otoczenie.

Obiektywne teorie upadku

Zgodnie z obiektywnymi teoriami zawalenia superpozycje są niszczone samoistnie (niezależnie od obserwacji zewnętrznych), gdy osiągnięty zostanie jakiś obiektywny próg fizyczny (czasu, masy, temperatury, nieodwracalności itp.). W ten sposób można oczekiwać, że kot osiadł w określonym stanie na długo przed otwarciem pudełka. Może to być luźno sformułowane jako „kot obserwuje siebie” lub „środowisko obserwuje kota”.

Obiektywne teorie załamania wymagają modyfikacji standardowej mechaniki kwantowej, aby umożliwić zniszczenie superpozycji w procesie ewolucji w czasie. Modele te można idealnie przetestować, tworząc w eksperymencie mezoskopowe stany superpozycji. Zaproponowano na przykład stany energetyczne kotów jako precyzyjny detektor modeli dekoherencji energii związanych z grawitacją kwantową.

Aplikacje i testy

Kot Schrödingera kwantowa superpozycja stanów i wpływ środowiska poprzez dekoherencję

Opisany eksperyment ma charakter czysto teoretyczny i nie wiadomo, czy proponowana maszyna została skonstruowana. Przeprowadzono jednak udane eksperymenty wykorzystujące podobne zasady, np. superpozycje stosunkowo dużych (jak na standardy fizyki kwantowej) obiektów. Eksperymenty te nie pokazują, że obiekt wielkości kota można nakładać na siebie, ale znana górna granica „ stanów kota ” została przez nie podniesiona . W wielu przypadkach stan jest krótkotrwały, nawet po schłodzeniu do bliskiego zera bezwzględnego .

  • Przy pomocy fotonów osiągnięto "stan kota".
  • Jon berylu został uwięziony w stanie superpozycji.
  • Eksperyment z nadprzewodzącym kwantowym urządzeniem interferencyjnym („SQUID”) został powiązany z tematem eksperymentu myślowego: „Stan superpozycji nie odpowiada miliardowi elektronów przepływającym w jedną stronę i miliardowi innych przepływających w drugą stronę. Elektrony nadprzewodzące poruszają się en masse. Wszystkie nadprzewodzące elektrony w SQUID-ie przepływają w obie strony wokół pętli jednocześnie, gdy znajdują się w stanie kota Schrödingera.
  • Skonstruowano piezoelektryczny kamerton, który można umieścić w superpozycji stanów wibracyjnych i niewibracyjnych. Rezonator zawiera około 10 bilionów atomów.
  • Zaproponowano eksperyment z udziałem wirusa grypy.
  • Zaproponowano eksperyment z udziałem bakterii i oscylatora elektromechanicznego.

W obliczeniach kwantowych wyrażenie „stan kota” czasami odnosi się do stanu GHZ , w którym kilka kubitów znajduje się w równej superpozycji wszystkich wartości 0 i 1; np,

Według przynajmniej jednej propozycji, możliwe jest określenie stanu kota przed jego obserwowaniem.

Rozszerzenia

Przyjaciel Wignera jest wariantem eksperymentu z dwoma ludzkimi obserwatorami: pierwszy dokonuje obserwacji, czy widać błysk światła, a następnie przekazuje swoją obserwację drugiemu obserwatorowi. Problem polega na tym, czy funkcja falowa „zapada się”, gdy pierwszy obserwator patrzy na eksperyment, czy tylko wtedy, gdy drugi obserwator jest informowany o obserwacjach pierwszego?

W innym rozszerzeniu, wybitni fizycy posunęli się tak daleko, że zasugerowali, że astronomowie obserwujący ciemną energię we Wszechświecie w 1998 r. mogli „skrócić jej oczekiwaną długość życia” dzięki scenariuszowi pseudo-kota Schrödingera, chociaż jest to kontrowersyjny punkt widzenia.

W sierpniu 2020 roku fizycy przedstawili badania dotyczące interpretacji mechaniki kwantowej, które są powiązane z paradoksami kota Schrödingera i przyjaciela Wignera , w wyniku których wyciągnięto wnioski, które podważają pozornie ustalone założenia dotyczące rzeczywistości .

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki