Daudzi cilvēki ir dzirdējuši šo izteicienu, bet varbūt ne visi saprot pat tā vienkāršoto nozīmi. Mēģināsim to izdomāt bez sarežģītām teorijām un formulām.
"Šrēdingera kaķis" ir slavenā austriešu teorētiskā fiziķa Ervina Šrēdingera slavenā domu eksperimenta nosaukums, kurš ir arī Nobela prēmijas laureāts. Ar šo izdomāto pieredzi zinātnieks vēlējās parādīt kvantu mehānikas nepilnību pārejā no subatomiskām uz makroskopiskām sistēmām.
Ervina Šrēdingera oriģinālais raksts tika publicēts 1935. gadā. Šis ir citāts:
Varat arī uzbūvēt gadījumus, kad pietiek ar burlesku. Ļaujiet kādu kaķi aizslēgt tērauda kamerā kopā ar šādu velnišķīgu mašīnu (kurai jābūt neatkarīgai no kaķa iejaukšanās): Geigera skaitītāja iekšpusē ir niecīgs daudzums radioaktīvo vielu, tik mazs, ka stundā var sabrukt tikai viens atoms, bet ar to pašu varbūtība var nesadalīties; ja tas notiek, nolasīšanas caurule tiek izlādēta un tiek iedarbināts relejs, atbrīvojot āmuru, kas sagrauj konusu ar ciānūdeņražskābi.
Ja jūs visu stundu atstājat visu šo sistēmu pie sevis, tad mēs varam teikt, ka kaķis pēc šī laika būs dzīvs, kamēr nenotiks atoma sabrukšana. Pati pirmā atoma sabrukšana būtu saindējusi kaķi. Sistēmas psi-funkcija to izteiks, sajaucot vai sasmērējot dzīvu un mirušu kaķi (atvainojiet par izteiksmi) vienādās daļās. Parasti šādos gadījumos nenoteiktība, sākotnēji ierobežota ar atomu pasauli, tiek pārveidota makroskopiskā nenoteiktībā, kuru var novērst ar tiešu novērošanu. Tas neļauj mums naivi pieņemt "izplūšanas modeli" kā realitātes atspoguļojumu. Pats par sevi tas nenozīmē neko neskaidru vai pretrunīgu. Ir atšķirība starp izplūdušu vai ārpus fokusa fotoattēlu un mākoņu vai miglas fotoattēlu.
Citiem vārdiem sakot:
- Ir kaste un kaķis. Kastītē ir mehānisms, kas satur radioaktīvu atoma kodolu, un trauks ar indīgu gāzi. Eksperimenta parametri tika izvēlēti tā, lai kodolu sabrukšanas varbūtība 1 stundā būtu 50%. Ja kodols sadalās, atveras trauks ar gāzi un kaķis nomirst. Ja kodols nesamazinās, kaķis paliek dzīvs un labi.
- Mēs aizveram kaķi kastē, stundu pagaidām un pajautājam sev: vai kaķis ir dzīvs vai miris?
- Kvantu mehānika it kā stāsta, ka atoma kodols (un līdz ar to kaķis) ir visos iespējamos stāvokļos vienlaicīgi (skat. Kvantu superpozīciju). Pirms mēs atvērām kasti, “kaķu kodolu” sistēma ir stāvoklī “kodols ir sabrukis, kaķis ir miris” ar varbūtību 50% un stāvoklī “kodols nav sabrukis, kaķis ir dzīvs” ar varbūtību 50%. Izrādās, ka kastē sēdošais kaķis vienlaikus ir gan dzīvs, gan miris.
- Saskaņā ar mūsdienu Kopenhāgenas interpretāciju kaķis ir dzīvs / miris bez jebkādiem starpstāvokļiem. Un kodola sabrukšanas stāvokļa izvēle notiek nevis lodziņa atvēršanas brīdī, bet arī tad, kad kodols nonāk detektorā. Tā kā sistēmas “kaķu detektora kodols” viļņu funkcijas samazināšana nav saistīta ar lodziņa novērotāju cilvēkā, bet gan ar kodola detektoru novērotāju.
Reklāmas video:
Saskaņā ar kvantu mehāniku, ja virs atoma kodola netiek veikti novērojumi, tad tā stāvokli raksturo, sajaucot divus stāvokļus - sadalījušos kodolu un neatrisinātu kodolu, tāpēc kaķis, kas sēž kastē un personificē atoma kodolu, vienlaikus ir dzīvs un miris. Ja kaste ir atvērta, tad eksperimentētājs var redzēt tikai vienu noteiktu stāvokli - "kodols ir sabrukis, kaķis ir miris" vai "kodols nav sabrukis, kaķis ir dzīvs".
Cilvēka valodas būtība: Šrēdingera eksperiments parādīja, ka no kvantu mehānikas viedokļa kaķis ir gan dzīvs, gan miris, kas nevar būt. Tādējādi kvantu mehānikā ir būtiskas nepilnības.
Jautājums ir šāds: kad sistēma pārstāj eksistēt kā divu stāvokļu sajaukums un izvēlas vienu konkrētu? Eksperimenta mērķis ir parādīt, ka kvantu mehānika ir nepilnīga bez dažiem noteikumiem, kas norāda, kādos apstākļos viļņa funkcija sabrūk, un kaķis vai nu kļūst miris, vai paliek dzīvs, bet pārstāj būt abu sajaukums. Tā kā ir skaidrs, ka kaķim jābūt dzīvam vai mirušam (starp dzīvību un nāvi nav starpstāvokļu), tas būs tas pats atomu kodolam. Tam jābūt vai nu dezintegrētam, vai nedezintegrētam (Wikipedia).
Vēl viena jaunākā Šrīdingera domu eksperimenta interpretācija ir stāsts par Šeldonu Kūperu, seriāla Lielā sprādziena teorija varoni, kuru viņš deklamēja Penija mazāk izglītotajam kaimiņam. Šeldona stāsta būtība ir tāda, ka Šrēdingera kaķa jēdzienu var izmantot attiecībās starp cilvēkiem. Lai saprastu, kas notiek starp vīrieti un sievieti, kāda veida attiecības starp viņiem: labas vai sliktas, jums vienkārši jāatver lodziņš. Pirms tam attiecības ir gan labas, gan sliktas.
Zemāk ir video no šī Lielā sprādziena teorijas dialoga starp Šeldonu un Dziedāšanu.
Šrēdingera ilustrācija ir labākais piemērs, lai aprakstītu galveno kvantu fizikas paradoksu: saskaņā ar tā likumiem daļiņas, piemēram, elektroni, fotoni un pat atomi, vienlaicīgi pastāv divos stāvokļos (“dzīvs” un “miris”, ja atceraties ilgstoši cietušo kaķi). Šos stāvokļus sauc par superpozīcijām.
Amerikāņu fiziķis Arts Hobsons no Arkanzasas universitātes (Arkanzasas štata universitāte) piedāvāja savu risinājumu šim paradoksam.
“Mērījumi kvantu fizikā ir balstīti uz noteiktu makroskopisko ierīču, piemēram, Geigera skaitītāja, darbību, kas nosaka mikroskopisko sistēmu - atomu, fotonu un elektronu - kvantu stāvokli. Kvantu teorija nozīmē, ka, ja jūs savienojat mikroskopisku sistēmu (daļiņu) ar noteiktu makroskopisku ierīci, kas atšķir divus dažādus sistēmas stāvokļus, tad ierīce (piemēram, Geigera skaitītājs) nonāks kvantu saķeres stāvoklī un vienlaikus atradīsies arī divos superpozīcijās. Tomēr šo parādību nav iespējams tieši novērot, kas padara to par nepieņemamu,”saka fiziķis.
Hobsons saka, ka Šrēdingera paradoksā kaķis spēlē makroskopiska instrumenta - Geigera skaitītāja, kas savienots ar radioaktīvo kodolu, lomu, lai noteiktu šī kodola sabrukšanas stāvokli vai "nesabrukšanu". Šajā gadījumā dzīvs kaķis būs "nesabrukšanas" indikators, bet miris kaķis - sabrukšanas indikators. Bet saskaņā ar kvantu teoriju kaķim, tāpat kā kodolam, jābūt divos dzīvības un nāves superpozīcijās.
Tā vietā, pēc fiziķa domām, kaķa kvantu stāvoklim jābūt saistītam ar atoma stāvokli, kas nozīmē, ka tie ir "ne lokālā savienojumā" viens ar otru. Tas ir, ja viena no iepītiem objektiem stāvoklis pēkšņi mainās uz pretējo, tad tā pāra stāvoklis mainīsies tieši tādā pašā veidā neatkarīgi no tā, cik tālu viens no otra viņi atrodas. To darot, Hobsons atsaucas uz šīs kvantu teorijas eksperimentālu apstiprināšanu.
“Interesantākais kvantu iesaistes teorijā ir tas, ka abu daļiņu stāvokļa izmaiņas notiek uzreiz: nevienam gaismai vai elektromagnētiskajam signālam nebūtu laika pārnest informāciju no vienas sistēmas uz otru. Tādējādi mēs varam teikt, ka tas ir viens objekts, sadalīts divās daļās pēc telpas, neatkarīgi no tā, cik liels ir attālums starp tiem,”skaidro Hobsons.
Šrēdingera kaķis vairs nav dzīvs un miris vienlaikus. Viņš ir miris, ja notiek pūšana, un dzīvs, ja pūšana nekad nenotiek.
Mēs piebilstam, ka līdzīgas iespējas šī paradoksa risināšanai pēdējos trīsdesmit gados piedāvāja vēl trīs zinātnieku grupas, taču tās netika uztvertas nopietni un plašās zinātniskās aprindās palika nepamanītas. Hobsons atzīmē, ka kvantu mehānikas paradoksu, pat teorētisko, atrisināšana ir absolūti nepieciešama tā dziļajai izpratnei.
Plašāk par fiziķa darbu var lasīt viņa rakstā, kas tika publicēts žurnālā Physical Review A.
Šrēdingers.
Bet nesen TEORĒTIKA PASKAIDROja, KĀ GRAVITĀTE NOSLĒP ŠRODINGERA KAĶU, bet tas jau ir grūtāk …
Parasti fiziķi izskaidro fenomenu, ka daļiņu pasaulē ir iespējama superpozīcija, bet nav iespējama kaķiem vai citiem makroobjektiem, kā arī apkārtējās vides iejaukšanās. Kad kvantu objekts iziet cauri laukam vai mijiedarbojas ar nejaušām daļiņām, tas uzreiz uzņem tikai vienu stāvokli - it kā būtu izmērīts. Šādi tika iznīcināts superpozīcija, kā uzskatīja zinātnieki.
Bet pat tad, ja kaut kādā veidā makroobjektu superpozīcijas stāvoklī bija iespējams izolēt no mijiedarbības ar citām daļiņām un laukiem, agrāk vai vēlāk tas joprojām pieņems vienu stāvokli. Vismaz tas attiecas uz procesiem, kas notiek uz Zemes virsmas.
“Kaut kur starpzvaigžņu telpā varbūt kaķim būtu iespēja saglabāt kvantu koherenci, bet uz Zemes vai jebkuras planētas tuvumā tas ir ārkārtīgi maz ticams. Un iemesls tam ir smagums,”skaidro jaunā pētījuma galvenais autors Igors Pikovski no Hārvarda-Smitsona astrofizikas centra.
Pikovskis un viņa kolēģi Vīnes universitātē apgalvo, ka gravitācijai ir destruktīva ietekme uz makroobjektu kvantu superpozīcijām, un tāpēc mēs makrokosmosā šādas parādības neievērojam. Jaunās hipotēzes pamatkoncepcija, starp citu, ir apkopota spēlfilmā Starpzvaigžņu.
Einšteina vispārējā relativitātes teorija apgalvo, ka ārkārtīgi masīvs objekts salieks telpas laiku tā tuvumā. Ņemot vērā situāciju smalkākā līmenī, mēs varam teikt, ka molekulai, kas novietota netālu no Zemes virsmas, laiks iet nedaudz lēnāk nekā tai, kas atrodas mūsu planētas orbītā.
Sakarā ar gravitācijas ietekmi uz telpas laiku, molekulai, kas nonākusi šajā ietekmē, būs sava stāvokļa novirze. Un tam, savukārt, vajadzētu ietekmēt tā iekšējo enerģiju - daļiņu vibrācijas molekulā, kas laika gaitā mainās. Ja molekulu ievada divu vietu kvantu superpozīcijas stāvoklī, tad attiecības starp pozīciju un iekšējo enerģiju drīz piespiestu molekulu "izvēlēties" tikai vienu no divām pozīcijām telpā.
"Vairumā gadījumu dekoherences parādība ir saistīta ar ārēju ietekmi, bet šajā gadījumā daļiņu iekšējā vibrācija mijiedarbojas ar pašas molekulas kustību," skaidro Pikovskis.
Šis efekts vēl nav novērots, jo citi dekoherence avoti, piemēram, magnētiskie lauki, siltuma starojums un vibrācijas, parasti ir daudz spēcīgāki un izraisa kvantu sistēmu iznīcināšanu vēl ilgi pirms gravitācijas. Bet eksperimentētāji mēģina pārbaudīt izvirzīto hipotēzi.
Vīnes universitātes eksperimentālais fiziķis Markuss Arndts eksperimentē ar kvantu superpozīcijas novērošanu makroskopiskos objektos. Tas nosūta mazas molekulas uz interferometru, efektīvi dodot daļiņai “izvēli”, kādu ceļu izvēlēties. No klasiskās mehānikas viedokļa molekula var iet tikai vienā virzienā, bet kvantu molekulā var iet divus ceļus vienlaikus, iejaucoties sevī un izveidojot raksturīgu viļņotu modeli.
Līdzīgu iestatījumu var izmantot arī, lai pārbaudītu gravitācijas spējas iznīcināt kvantu sistēmas. Lai to izdarītu, būs jāsalīdzina vertikālie un horizontālie interferometri: pirmajā superpozīcija drīz izzudīs, pateicoties laika dilatācijai dažādos ceļa "augstumos", bet otrajā var saglabāties kvantu superpozīcija.