Kot w pudełku jest żywy i martwy. Kot Schrödingera w prostych słowach

Wiele osób słyszało to zdanie - kot Schrödingera. A niektórzy miłośnicy kotów pytają: „Gdzie mogę kupić takiego kota?” Ale nie można go nigdzie kupić, bo go nie ma! Nie istnieje jako zwierzę, ale czuje się świetnie jako eksperyment myślowy lub paradoks, wymyślony kiedyś przez Schrödingera.

Trochę o samym Schrödingerze

Erwin Rudolf Joseph Alexander Schrödinger był w swoich czasach nie tylko wybitnym naukowcem, Laureat Nagrody Nobla, ale i prawdziwy „ojciec” mechanika kwantowa" W fizyce atomowej podstawowa koncepcja Rozważane jest jego równanie, które nazywa się „równaniem Schrodingera”. Ale nie to przyniosło popularność wybitnemu fizykowi! I jego eksperyment myślowy, który ujawnił paradoks dotyczący fizyki kwantowej.

Ten eksperyment Schrödingera stał się takim odkryciem, że wiedzą o nim nie tylko fizycy, ale także zwykli ludzie. Przez co najmniej przynajmniej z nazwy! A sam ten eksperyment był dowodem na niekonsekwencję interpretacji praw mechaniki kwantowej, zaprezentowanej w Kopenhadze w 1927 roku przez Nielsa Bohra i Wernera Heisenberga. Interpretacja ta opierała się na odpowiedzi dwóch naukowców na pytanie o dualizm korpuskularno-falowy, charakterystyczny dla mechaniki kwantowej. Taka interpretacja daje podstawy do przypuszczenia, że mieszanie układu kończy się właśnie w momencie obserwacji – po prostu wybiera konkretny, jeden stan.

Istota eksperymentu, czyli sam paradoks Schrödingera

Co to jest - kot Schrödingera, jak możemy zrozumieć to doświadczenie? " Pismo„W tym eksperymencie jest żywy kot i radioaktywne atomy. Oto dość proste wyjaśnienie tego eksperymentu:

Mamy pudełko, w tym pudełku będzie siedział kot (lub kot - to nie ma znaczenia), a tam też będzie specjalny mechanizm. Mechanizm ten składa się z pojemnika z dość trującym gazem i jądro atomowe. Co więcej, jądro to ma okres rozpadu trwający jedną godzinę z prawdopodobieństwem 50%, to znaczy równym „za” lub „przeciw”. W momencie rozkładu uruchamia się mechanizm, który otwiera ten pojemnik z trucizną w postaci gazu. Oznacza to, że jądro nadal się rozpadało - kot zmarł z powodu zatrucia. Rdzeń pozostaje nienaruszony - kot jest zdrowy i wesoły.
Kot (lub kot) jest zamknięty w tym pudełku i siedzi tam dokładnie przez godzinę.
Sama mechanika kwantowa zdaje się nam mówić, że zarówno nasz kot, jak i jądro atomu znajdują się jednocześnie w obu stanach (jest to superpozycja). Chociaż nie otworzyliśmy jeszcze feralnego pudełka, prawdopodobieństwo sytuacji „nasz kot żyje” lub „nasz kot niestety zdechł” wynosi od 50% do 50%. Oznacza to, że nasz kot, który siedzi w tym pudełku, jest jednocześnie martwy i żywy!
Co więcej, w tej sytuacji nie ma stanu pośredniego między żywym a martwym! I to wcale nie zależy od obserwatora, ale tylko od jądra!

Czyli najprościej mówiąc nie ma obserwacji jądra i kota. I dlatego ich stan można opisać na dwa sposoby - jądro uległo rozpadowi i kot jest martwy, jądro nie uległo rozkładowi i kot żyje. Jednocześnie bez weryfikacji kot jest zarówno martwy, jak i żywy, ponieważ jądro zarówno uległo rozkładowi, jak i nie uległo rozkładowi. I tylko przy kontroli po godzinie możesz śmiało „postawić diagnozę”. A zanim minie ta godzina, zarówno jądro, jak i nasz kot znajdują się jednocześnie w dwóch fazach - zarówno pozytywnej, jak i negatywnej! To jest paradoks! Ponieważ nie można być jednocześnie żywym i martwym – jest to sprzeczne z wszelkimi prawami. Ale przed sprawdzeniem godzinę później po prostu nie da się powiedzieć, w jakim dokładnie stanie jest to jądro, a co za tym idzie, nasz kot. Każde stwierdzenie będzie fałszywe!

Za pomocą tego eksperymentu wyraźnie widać, że mechanika kwantowa nadal zawiera bardzo istotne i paradoksalne wady. Dobitnie udowodnił to słynny kot Schrödingera. Przecież nie da się być jednocześnie żywym i martwym, i właśnie to dzieje się na skutek sugestii tej właśnie mechaniki kwantowej! Doświadczenie pokazuje, że taki paradoks jest po prostu nie do pomyślenia w obliczu zdrowego rozsądku. Oznacza to, że cała mechanika kwantowa jest paradoksalna i wymaga uzupełnień w postaci reguł; tylko one mogą wskazać warunki, w których zaistnieje tylko jedna opcja.

Interpretacje doświadczenia Schrödingera

Zacznijmy od tego, że choć istniejąca do dziś nazwa mówi o tym eksperymencie jako o „kocie Schrödingera”, to w pierwotnej wersji eksperymentu był kot! I to doświadczenie istnieje dzisiaj i ma kilka interpretacji.

Interpretacja kopenhaska

To ona twierdzi, że do chwili otwarcia pudełka nasz nieszczęsny kot znajduje się w stanie „mieszanym” – czyli jest jednocześnie martwy i żywy. Paradoks? Bez wątpienia! I dopiero w momencie, gdy otworzyliśmy pudełko Schrödingera, następuje to samo załamanie fali, które „stawia wszystko na swoje miejsce”. Jednak w tej interpretacji nie ma jasnej reguły wyjaśniającej moment, w którym atom jądra uderza w detektor.

Interpretacja Everetta zwana wieloma światami

Tutaj sama obserwacja nie jest niczym specjalnym ani koniecznym. Zgodnie z tą interpretacją oba stany kota mogą istnieć przed ekspozycją na środowisko. I dopiero po otwarciu pudełka Schrödingera pozostaje jeden prawdziwy stan!

Interpretacja samego kota

Oczywiście kot nie rozumie nic z mechaniki kwantowej, ale wyraźnie rozumie ocenę swojego stanu. Dokładnie to argumentowali Max Tegmark, Hans Moravec i Bruno Marshall! Jeśli oceniasz po wewnętrznym spojrzeniu samego kota, zawsze pozostanie żywy. A wszystko dlatego, że zmarły nie będzie w stanie ocenić swojego stanu, a jeśli po otwarciu pudełka Schrödingera ten kot oceni, to na pewno nie jest martwy! I nazwali ten paradoks niczym więcej niż „kwantowym samobójstwem zwierzęcia”!

Paradoks Kalifornii!

Ale to jest całkowicie poza sferą fantazji! Nadav Katz, naukowiec z Kalifornii, przeprowadził i opisał następujący eksperyment. Przywrócił stan kwantowy tej cząstki do punktu początkowego i był w stanie zmierzyć jej stan. Według niego nawet otwierając pudełko Schrödingera, można wszystko przywrócić do punktu wyjścia. I nie ma znaczenia, czy kot żyje, czy nie, możesz „wszystko zresetować”. Paradoks? Bez wątpienia!

To ten sam kot w literaturze światowej

Eksperyment fizyka Schrödingera przyniósł jemu (i jego kotowi!) sławę nie tylko w kręgach naukowych, ale także w literaturze. Robert Heinlein w swojej powieści Kot przechodzi przez ściany opisał rudego kota o imieniu Pixel. Zawsze przebywa w obu stanach, podobnie jak jego imiennik Schrödinger. I właśnie na tym opiera się cała fabuła powieści!

Ale Terry Prattchert opisał specjalną rasę kotów, która pochodzi od przodka – kota, który był uczestnikiem eksperymentu Schrödingera. Co więcej, te koty były niezwykle inteligentne. Oto podstawa ciekawa fabuła W powieści Frederika Pohla „Inwazja kwantowych kotów” pojawiają się koty z równoległych, a raczej „sąsiednich” wszechświatów. A eksperyment Schrödingera skłonił go do takiego spisku!

Ale (satyryczna) miniatura Nikołaja Bajtowa, zatytułowana „Kot Schrodingera”, opisuje odwrotność tego doświadczenia. Tam, zgodnie z fabułą, istnieje taka „Liga czasu odwracalnego”. Członkowie tej Ligi nieustannie obserwują kota od pięćdziesięciu lat. Oznacza to, że istotą tego spisku jest to, że nie przerywając obserwacji, ludzie (członkowie tej Ligi) ratują życie nieszczęsnego zwierzęcia. Gdy tylko obserwacja się zakończy, kot umrze!

I nie tylko w literaturze, ale także w wielu filmach i serialach telewizyjnych ten kot jest obecny. Na przykład główny bohater serialu „Sliding” ma osobistego faworyta o pseudonimie (ani mniej, ani więcej!) Schrödinger. A jak mogłoby być inaczej, sama istota tej serii zbudowana jest na mechanice kwantowej (oczywiście!) i jej prawach. I choć serial jest trochę humorystyczny, przygodowy i fantastyczny, obejrzało go wiele osób. Oznacza to, że kot Schrödingera również został rozpoznany.

A może dlatego wielu prawdziwych miłośników futrzaków szuka w Internecie informacji, gdzie można kupić tak dostojnego pupila? Pytają też, co to za rasa i jak ją zdobyć! Wszystko za sprawą literatury i kina, a także ogromnej popularności samego eksperymentu Schrödingera. Ale tak naprawdę ten kot, który był prototypem tego najsłynniejszego Kota, był zupełnie zwyczajny. Miała kolor szylkretu i była jeszcze bardzo młoda! I bardzo dobrze, że po eksperymencie okazała się całkowicie żywa! Nawiasem mówiąc, po opublikowaniu raportu ze swojego eksperymentu myślowego sam Schrödinger otrzymał wiele ofert sprzedaży kociąt, które później nabył jego zwierzak. Zatem teraz na świecie powinno być całkiem sporo potomków najsłynniejszego w historii Kota, a właściwie kotów!

Ze wstydem muszę przyznać, że słyszałem to wyrażenie, ale nie wiedziałem, co ono oznacza i w jakim temacie zostało użyte. Opowiem Wam co przeczytałam w Internecie na temat tego kota...

« Kot Schrödingera» - tak nazywa się słynny eksperyment myślowy słynnego austriackiego fizyka teoretycznego Erwina Schrödingera, który jest także laureatem Nagroda Nobla. Za pomocą tego fikcyjnego eksperymentu naukowiec chciał pokazać niekompletność mechaniki kwantowej w przejściu od układów subatomowych do układów makroskopowych.

Oryginalny artykuł Erwina Schrödingera ukazał się w 1935 roku. Oto cytat:

Można też konstruować przypadki, w których panuje niezła burleska. Niech jakiegoś kota zamkną w stalowej komorze z następującą diaboliczną maszyną (co powinno być niezależne od ingerencji kota): wewnątrz licznika Geigera znajduje się maleńka ilość substancji radioaktywnej, tak mała, że w ciągu godziny może rozpaść się tylko jeden atom, ale z takim samym prawdopodobieństwem nie może się rozpaść; jeśli tak się stanie, rurka odczytowa zostaje rozładowana i przekaźnik zostaje aktywowany, uwalniając młotek, który rozbija kolbę kwasem cyjanowodorowym.

Jeśli zostawimy cały ten układ samemu sobie na godzinę, to można powiedzieć, że po tym czasie kot będzie żył, o ile atom nie ulegnie rozpadowi. Już pierwszy rozpad atomu zatrułby kota. Funkcja psi systemu jako całości wyrazi to poprzez zmieszanie lub posmarowanie żywego i martwego kota (przepraszam za wyrażenie) w równych częściach. Typowe w podobne przypadki polega na tym, że niepewność pierwotnie ograniczona do świata atomowego przekształca się w niepewność makroskopową, którą można wyeliminować poprzez bezpośrednią obserwację. Uniemożliwia to naiwne przyjęcie „modelu rozmycia” jako odzwierciedlającego rzeczywistość. To samo w sobie nie oznacza niczego niejasnego lub sprzecznego. Istnieje różnica pomiędzy rozmazanym lub nieostrym zdjęciem a zdjęciem chmur lub mgły.

Innymi słowy:

Jest pudełko i kot. Pudełko zawiera mechanizm zawierający radioaktywne jądro atomowe oraz pojemnik z trującym gazem. Parametry eksperymentu dobrano tak, aby prawdopodobieństwo rozpadu jądrowego w ciągu 1 godziny wynosiło 50%. Jeśli jądro rozpadnie się, otworzy się pojemnik z gazem i kot umrze. Jeśli jądro nie ulegnie rozkładowi, kot pozostanie żywy i ma się dobrze.
Zamykamy kota w pudełku, czekamy godzinę i zadajemy pytanie: czy kot żyje, czy nie żyje?
Mechanika kwantowa zdaje się nam mówić, że jądro atomowe (a zatem i kot) znajduje się we wszystkich możliwych stanach jednocześnie (patrz superpozycja kwantowa). Zanim otworzymy pudełko, układ kot-jądro znajduje się w stanie „jądro uległo rozpadowi, kot nie żyje” z prawdopodobieństwem 50% oraz w stanie „jądro nie uległo rozpadowi, kot żyje” z prawdopodobieństwem 50%. prawdopodobieństwo 50%. Okazuje się, że kot siedzący w pudełku jest jednocześnie żywy i martwy.
Według współczesnej interpretacji kopenhaskiej kot jest żywy/martwy, bez żadnych stanów pośrednich. A wybór stanu rozpadu jądra następuje nie w momencie otwarcia pudełka, ale już w momencie wejścia jądra do detektora. Ponieważ redukcja funkcji falowej układu „kot-detektor-jądro” nie jest związana z ludzkim obserwatorem skrzynki, ale z detektorem-obserwatorem jądra.

Według mechaniki kwantowej, jeśli nie obserwuje się jądra atomu, wówczas jego stan opisuje mieszanina dwóch stanów - jądra rozpadającego się i jądra nierozłożonego, a zatem kot siedzący w pudełku i uosabiający jądro atomu jest jednocześnie żywy i martwy. Jeśli pudełko zostanie otwarte, eksperymentator może zobaczyć tylko jeden konkretny stan - „jądro rozpadło się, kot nie żyje” lub „jądro nie uległo rozkładowi, kot żyje”.

Esencja w języku ludzkim

Eksperyment Schrödingera pokazał, że z punktu widzenia mechaniki kwantowej kot jest jednocześnie żywy i martwy, co nie może być możliwe. Dlatego mechanika kwantowa ma istotne wady.

Pytanie brzmi: kiedy system przestaje istnieć jako mieszanina dwóch stanów i wybiera jeden, konkretny? Celem eksperymentu jest wykazanie, że mechanika kwantowa nie jest kompletna bez pewnych reguł wskazujących, w jakich warunkach funkcja falowa załamuje się, a kot albo staje się martwy, albo pozostaje żywy, ale nie jest już mieszaniną obu. Ponieważ jest jasne, że kot musi być albo żywy, albo martwy (nie ma stanu pośredniego między życiem a śmiercią), podobnie będzie z jądrem atomowym. Musi być albo zbutwiały, albo niezniszczony (Wikipedia).

Inną najnowszą interpretacją eksperymentu myślowego Schrödingera jest historia Sheldona Coopera, bohatera serialu „Teoria wielki wybuch” („Teoria wielkiego podrywu”), który wygłosił dla swojej mniej wykształconej sąsiadki Penny. Istotą historii Sheldona jest to, że koncepcję kota Schrödingera można zastosować w relacjach międzyludzkich. Aby zrozumieć, co dzieje się między mężczyzną i kobietą, jaki rodzaj relacji między nimi jest dobry czy zły, wystarczy otworzyć pudełko. Do tego czasu związek jest zarówno dobry, jak i zły.

Poniżej znajduje się klip wideo przedstawiający wymianę zdań w ramach teorii wielkiego podrywu pomiędzy Sheldonem i Penią.

Ilustracja Schrödingera jest najlepszy przykład aby opisać główny paradoks fizyki kwantowej: zgodnie z jej prawami cząstki takie jak elektrony, fotony, a nawet atomy istnieją jednocześnie w dwóch stanach („żywy” i „martwy”, jeśli pamiętacie cierpliwego kota). Stany te nazywane są superpozycjami.

Amerykański fizyk Art Hobson z University of Arkansas (Arkansas State University) zaproponował swoje rozwiązanie tego paradoksu.

„Pomiary w fizyce kwantowej opierają się na działaniu pewnych urządzeń makroskopowych, np. licznika Geigera, za pomocą którego określa się stan kwantowy układów mikroskopowych – atomów, fotonów i elektronów. Teoria kwantowa zakłada, że jeśli podłączymy mikroskopijny układ (cząstkę) do jakiegoś makroskopowego urządzenia, które rozróżnia dwa różne stany układu, to urządzenie (na przykład licznik Geigera) przejdzie w stan splątanie kwantowe i będzie jednocześnie w dwóch superpozycjach. Nie da się jednak tego zjawiska zaobserwować bezpośrednio, co czyni go niedopuszczalnym” – mówi fizyk.

Hobson twierdzi, że w paradoksie Schrödingera kot pełni rolę makroskopowego urządzenia, licznika Geigera, połączonego z radioaktywnym jądrem w celu określenia stanu rozpadu lub „nierozpadu” tego jądra. W tym przypadku żywy kot będzie wskaźnikiem „niegnicia”, a martwy kot będzie wskaźnikiem rozkładu. Ale według teorii kwantowej kot, podobnie jak jądro, musi istnieć w dwóch superpozycjach życia i śmierci.

Zamiast tego, zdaniem fizyka, stan kwantowy kota powinien być splątany ze stanem atomu, co oznacza, że są one ze sobą w „nielokalnym połączeniu”. Oznacza to, że jeśli stan jednego ze splątanych obiektów nagle zmieni się na przeciwny, wówczas zmieni się również stan jego pary, niezależnie od tego, jak daleko od siebie będą. Jednocześnie Hobson nawiązuje do eksperymentalnego potwierdzenia tej teorii kwantowej.

„Najciekawszą rzeczą w teorii splątania kwantowego jest to, że zmiana stanu obu cząstek następuje natychmiast: żaden sygnał świetlny ani elektromagnetyczny nie miałby czasu na przesłanie informacji z jednego układu do drugiego. Można więc powiedzieć, że jest to jeden obiekt podzielony przestrzennie na dwie części, niezależnie od tego, jak duża jest między nimi odległość” – wyjaśnia Hobson.

Kot Schrödingera nie jest już żywy i martwy jednocześnie. Jest martwy, jeśli nastąpi dezintegracja, i żywy, jeśli dezintegracja nigdy nie nastąpi.

Dodajmy, że podobne rozwiązania tego paradoksu zaproponowały w ciągu ostatnich trzydziestu lat jeszcze trzy grupy naukowców, nie zostały one jednak potraktowane poważnie i pozostały niezauważone w szerokich kręgach naukowych. Hobson zauważa, że rozwiązywanie paradoksów mechaniki kwantowej, przynajmniej teoretycznie, jest absolutnie niezbędne do jej głębokiego zrozumienia.

Schrödingera

Ale niedawno TEORYŚCI WYJAŚNIAJĄ, W JAKI SPOSÓB GRAWITACJA ZABIJA KOTA SCHRODINGERA, ale to jest bardziej skomplikowane...

Fizycy z reguły tłumaczą zjawisko polegające na tym, że w świecie cząstek superpozycja jest możliwa, natomiast w przypadku kotów czy innych makroobiektów jest niemożliwa, ingerencja ze strony środowisko. Kiedy obiekt kwantowy przechodzi przez pole lub wchodzi w interakcję z przypadkowymi cząstkami, natychmiast przyjmuje tylko jeden stan – tak jakby został zmierzony. Jak sądzili naukowcy, właśnie w ten sposób niszczy się superpozycję.

Ale nawet gdyby w jakiś sposób udało się wyizolować makroobiekt w stanie superpozycji od interakcji z innymi cząstkami i polami, to i tak prędzej czy później przyjąłby on pojedynczy stan. Przynajmniej tak jest w przypadku procesów zachodzących na powierzchni Ziemi.

„Gdzieś w przestrzeni międzygwiazdowej być może kot miałby szansę zachować spójność kwantową, ale na Ziemi lub w pobliżu jakiejkolwiek planety jest to niezwykle mało prawdopodobne. A powodem tego jest grawitacja” – wyjaśnia główny autor nowego badania, Igor Pikovski z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.

Pikovsky i jego koledzy z Uniwersytetu Wiedeńskiego argumentują, że grawitacja ma destrukcyjny wpływ na kwantowe superpozycje makroobiektów, dlatego w makrokosmosie nie obserwujemy podobnych zjawisk. Nawiasem mówiąc, podstawowa koncepcja nowej hipotezy została pokrótce opisana w film fabularny"Międzygwiezdny".

Einsteina ogólna teoria teoria względności stwierdza, że niezwykle masywny obiekt zagnie w pobliżu czasoprzestrzeń. Rozpatrując sytuację na mniejszym poziomie, można powiedzieć, że dla cząsteczki umieszczonej blisko powierzchni Ziemi czas będzie płynął nieco wolniej niż dla cząsteczki znajdującej się na orbicie naszej planety.

Ze względu na wpływ grawitacji na czasoprzestrzeń, cząsteczka dotknięta tym wpływem odczuje odchylenie w swoim położeniu. A to z kolei powinno wpłynąć na jego energię wewnętrzną - drgania cząstek w cząsteczce, które zmieniają się w czasie. Gdyby cząsteczkę wprowadzić w stan kwantowej superpozycji dwóch lokalizacji, wówczas związek pomiędzy pozycją a energią wewnętrzną wkrótce zmusiłby cząsteczkę do „wybrania” tylko jednej z dwóch pozycji w przestrzeni.

„W większości przypadków zjawisko dekoherencji jest kojarzone z wpływ zewnętrzny, ale w w tym przypadku wewnętrzne wibracje cząstek oddziałują z ruchem samej cząsteczki” – wyjaśnia Pikowski.

Efektu tego nie zaobserwowano jeszcze, ponieważ inne źródła dekoherencji, takie jak pola magnetyczne, promieniowanie cieplne i wibracje, są zazwyczaj znacznie silniejsze, powodując zniszczenie układów kwantowych na długo przed zniszczeniem grawitacji. Ale eksperymentatorzy starają się przetestować hipotezę.

Podobną konfigurację można również zastosować do przetestowania zdolności grawitacji do niszczenia układów kwantowych. W tym celu konieczne będzie porównanie interferometrów pionowych i poziomych: w pierwszym superpozycja powinna wkrótce zniknąć na skutek dylatacji czasu na różnych „wysokościach” ścieżki, natomiast w drugim superpozycja kwantowa może pozostać.

„Kot Schrödingera” to nazwa zabawnego eksperymentu myślowego zorganizowanego, jak już zapewne się domyślacie, przez Schrödingera, a dokładniej przez laureata Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki, austriackiego naukowca Erwina Rudolfa Josepha Alexandra Schrödingera, „Wikipedia” definiuje ten eksperyment jako wygląda następująco: „Umieszczony w zamkniętym pudełku kot. W pudełku znajduje się mechanizm zawierający radioaktywny rdzeń i pojemnik z trującym gazem. Parametry eksperymentu dobiera się tak, aby prawdopodobieństwo rozpadu jądra w ciągu 1 godziny wynosiło 50%. Jeżeli jądro rozpada się, aktywuje się mechanizm - otwiera się pojemnik z gazem i kot umiera.

Według mechaniki kwantowej, jeśli nie obserwuje się jądra, wówczas jego stan opisuje się superpozycją (mieszaniem) dwóch stanów - jądra rozpadającego się i jądra nierozłożonego, zatem kot siedzący w pudełku jest jednocześnie żywy i martwy naraz. Jeśli pudełko zostanie otwarte, eksperymentator musi zobaczyć tylko jeden konkretny stan: „jądro rozpadło się, kot nie żyje” lub „jądro nie uległo rozkładowi, kot żyje”.

Okazuje się, że na koniec mamy kota żywego lub martwego, ale potencjalnie kot jest jednocześnie żywy i martwy. W ten sposób Schrödinger próbował udowodnić ograniczenia mechaniki kwantowej, nie stosując do niej pewnych reguł.

Kopenhaska interpretacja fizyki kwantowej – a w szczególności ten eksperyment – wskazuje, że kot nabywa właściwości jednej z potencjalnych faz (żywa-martwa) dopiero po interwencji obserwatora.

Oznacza to, że gdy konkretny Schrödinger otworzy pudełko, ze stuprocentową pewnością będzie musiał pokroić kiełbaski lub wezwać weterynarza. Kot na pewno będzie żywy lub nagle martwy. Ale dopóki w tym procesie nie będzie obserwatora – konkretnej osoby, która ma niewątpliwe zalety w postaci wzroku i przynajmniej jasnej świadomości – kot będzie w zawieszeniu „między niebem a ziemią”.

Starożytna przypowieść o kocie, który chodzi samotnie, nabiera w tym kontekście nowych odcieni. Niewątpliwie kot Schrödingera nie jest najbogatszym stworzeniem we Wszechświecie. Życzmy kotu pomyślnego wyniku i zwróćmy się do innego zabawne zadanie z tajemniczego i czasami bezlitosnego świata mechaniki kwantowej.

Brzmi to tak: „Jaki dźwięk wydaje drzewo upadające w lesie, jeśli w pobliżu nie ma osoby, która może ten dźwięk wychwycić?” Tutaj, w przeciwieństwie do czarno-białego losu nieszczęśliwego/szczęśliwego kota, mamy do czynienia z wielobarwną paletą spekulacji: nie ma dźwięku/jest dźwięk, jak to jest, czy istnieje i czy go tam nie ma, więc dlaczego? Na to pytanie nie można odpowiedzieć z bardzo prostego powodu - niemożności przeprowadzenia eksperymentu. Przecież każdy eksperyment implikuje obecność obserwatora zdolnego do postrzegania i wyciągania wniosków.

Słynny argentyński pisarz Julio Cartazar, wybitny przedstawiciel „realizmu magicznego”, ma nowela o tym, jak pozostawione bez obserwatora meble biurowe poruszają się po biurze, jakby się nimi posługiwały czas wolny w celu rozciągnięcia „sztywnych” kończyn.

Oznacza to, że nie można odgadnąć, co stanie się z otaczającymi nas obiektami rzeczywistości pod naszą nieobecność. A jeśli nie można tego dostrzec, to znaczy, że nie istnieje. Gdy tylko opuścimy pokój, cała jego zawartość wraz z samym pomieszczeniem przestaje istnieć, a ściślej mówiąc, nadal istnieje jedynie w potencjale.

Jednocześnie dochodzi do pożaru lub powodzi, kradzieży sprzętu lub nieproszonych gości. Co więcej, my także w nim istniejemy, w różnych stanach potencjalnych. Jeden chodzę po pokoju i gwiżdżę jakąś głupią melodię, drugi patrzę smutno w okno, trzeci rozmawiam przez telefon z żoną. Nawet my w nim mieszkamy nagła śmierć lub dobra wiadomość w postaci nieoczekiwanego telefonu.

Wyobraź sobie przez chwilę wszystkie możliwości kryjące się za drzwiami. A teraz wyobraźcie sobie, że cały nasz świat jest jedynie zbiorem takich niezrealizowanych potencjałów. To zabawne, prawda?

Nasuwa się tu jednak logiczne pytanie: i co z tego? Tak, to zabawne, tak, to interesujące, ale co w istocie to zmienia? Nauka skromnie milczy na ten temat. Dla fizyki kwantowej taka wiedza otwiera nowe ścieżki zrozumienia Wszechświata i jego mechanizmów, ale dla nas, ludzi dalekich od wielkich odkrycia naukowe, takie informacje wydają się być bezużyteczne.

Jak to może być bezużyteczne!? Przecież jeśli ja, śmiertelnik, istnieję w tym świecie, to ja, nieśmiertelny, istnieję w innym świecie! Jeśli moje życie składa się z pasa niepowodzeń i rozczarowań, to gdzieś istnieję – odnoszący sukcesy i szczęśliwy? Tak naprawdę poza naszymi doznaniami nie ma nic, tak jak nie ma miejsca, dopóki w nie nie wejdziemy. Nasze narządy percepcji tylko nas oszukują, rysując w mózgu obraz „otaczającego” nas świata. To, co tak naprawdę leży na zewnątrz nas, wciąż pozostaje tajemnicą za siedmioma pieczęciami.

Czy kot może być jednocześnie żywy i martwy? Ile jest wszechświatów równoległych? I czy w ogóle istnieją? To wcale nie są pytania science fiction, ale bardzo realne problemy naukowe rozwiązywane przez fizykę kwantową.

Zacznijmy więc od Kot Schrödingera. To eksperyment myślowy zaproponowany przez Erwina Schrödingera w celu wykazania paradoksu istniejącego w fizyce kwantowej. Istota eksperymentu jest następująca.

W zamkniętym pudełku umieszcza się jednocześnie wyimaginowanego kota, ten sam wyimaginowany mechanizm z radioaktywnym rdzeniem i pojemnik z trującym gazem. Według eksperymentu, jeśli jądro się rozpadnie, uruchomi to mechanizm: pojemnik z gazem otworzy się, a kot umrze. Prawdopodobieństwo rozpadu jądrowego wynosi 1 do 2.

Paradoks polega na tym, że według mechaniki kwantowej, jeśli nie obserwuje się jądra, to kot znajduje się w tzw. superpozycji, czyli kot znajduje się jednocześnie w stanach wzajemnie się wykluczających (jest żywy i martwy). Jeśli jednak obserwator otworzy pudełko, może sprawdzić, czy kot znajduje się w jednym konkretnym stanie: jest żywy lub martwy. Zdaniem Schrödingera niekompletność teorii kwantowej polega na tym, że nie określa ona, w jakich warunkach kot przestaje znajdować się w superpozycji i okazuje się żywy lub martwy.

Paradoks ten potęguje eksperyment Wignera, który do istniejącego już eksperymentu myślowego dodaje kategorię przyjaciół. Według Wignera, kiedy eksperymentator otworzy pudełko, będzie wiedział, czy kot żyje, czy nie. Dla eksperymentatora kot przestaje być w superpozycji, ale dla przyjaciela, który jest za drzwiami i nie wie jeszcze o wynikach eksperymentu, kot wciąż znajduje się gdzieś „pomiędzy życiem a śmiercią”. Można to kontynuować z nieskończoną liczbą drzwi i przyjaciół i zgodnie z podobną logiką kot będzie w superpozycji, dopóki wszyscy ludzie we Wszechświecie nie dowiedzą się, co zobaczył eksperymentator po otwarciu pudełka.

Jak fizyka kwantowa wyjaśnia taki paradoks? Fizyka kwantowa oferuje eksperyment myślowy samobójstwo kwantowe i dwa możliwe opcje rozwój wydarzeń w oparciu o różne interpretacje mechaniki kwantowej.

W eksperymencie myślowym pistolet jest wycelowany w uczestnika i albo wystrzeli w wyniku rozpadu radioaktywnego atomu, albo nie. Znowu 50 do 50. Zatem uczestnik eksperymentu albo umrze, albo nie, ale na razie znajduje się, podobnie jak kot Schrödingera, w superpozycji.

Sytuację tę można różnie interpretować z punktu widzenia mechaniki kwantowej. Według interpretacji kopenhaskiej pistolet w końcu wybuchnie, a uczestnik umrze. Według interpretacji Everetta superpozycja przewiduje obecność dwóch równoległych wszechświatów, w których uczestnik istnieje jednocześnie: w jednym z nich żyje (pistolet nie wystrzelił), w drugim jest martwy (wystrzał pistoletu). Jeśli jednak interpretacja wielu światów jest poprawna, to w jednym z wszechświatów uczestnik zawsze pozostaje żywy, co prowadzi do idei istnienia „nieśmiertelności kwantowej”.

Jeśli chodzi o kota Schrödingera i obserwatora eksperymentu, to zgodnie z interpretacją Everetta on i kot znajdują się jednocześnie w dwóch Wszechświatach, czyli w „języku kwantowym”, „uwikłani” w niego.

Brzmi jak historia z powieść fantasy jest to jednak jeden z wielu teorie naukowe, co ma miejsce we współczesnej fizyce.

W 1935 roku zagorzały przeciwnik nowo powstającej mechaniki kwantowej, Eric Schrödinger, opublikował artykuł, który miał ujawnić i udowodnić niespójność nowy oddział rozwój fizyki.

Istotą artykułu jest przeprowadzenie eksperymentu myślowego:

Żywego kota umieszcza się w całkowicie szczelnym pudełku.
Obok kota umieszczony jest licznik Geigera zawierający jeden atom radioaktywny.
Kolbę wypełnioną kwasem podłącza się bezpośrednio do licznika Geigera.
Ewentualny rozpad radioaktywnego atomu uruchomi licznik Geigera, który z kolei rozbije kolbę, a rozlany z niej kwas zabije kota.
Czy kot przeżyje, czy umrze, jeśli pozostanie u tak niewygodnych sąsiadów?
Na eksperyment przeznaczono jedną godzinę.

Odpowiedź na to pytanie i został wezwany do udowodnienia niespójności teorii kwantowej, która opiera się na superpozycji: prawie paradoksu - wszystkie mikrocząstki naszego świata zawsze znajdują się jednocześnie w dwóch stanach, dopóki nie zaczną być obserwowane.

Oznacza to, że przebywanie w zamkniętej przestrzeni ( teoria kwantowa), nasz kot, podobnie jak jego nieprzewidywalny sąsiad - atom, są synchronicznie obecni w dwóch stanach:

Żywy i zarazem martwy kot.
Rozłożony i zarazem nierozłożony atom.

Co według fizyki klasycznej jest całkowitym absurdem. Jednoczesne istnienie takich wzajemnie wykluczających się rzeczy jest niemożliwe.

I jest to słuszne, ale tylko z punktu widzenia makrokosmosu. Natomiast w mikroświecie obowiązują zupełnie inne prawa i dlatego Schrödinger mylił się, stosując prawa makroświata do relacji wewnątrz mikroświata. Brak zrozumienia, że celowa obserwacja ciągłych niepewności mikroświata eliminuje tę drugą.

Innymi słowy, jeśli otworzymy układ zamknięty, w którym umieszczony zostanie kot wraz z radioaktywnym atomem, zobaczymy tylko jeden z możliwych stanów podmiotu.

Udowodnił to amerykański fizyk z Uniwersytetu w Arkansas Art Hobson. Według jego teorii, jeśli połączymy mikrosystem (atom radioaktywny) z makrosystemem (licznikiem Geigera), ten ostatni z konieczności zostanie nasycony stanem splątania kwantowego tego pierwszego i przejdzie w superpozycję. A ponieważ nie możemy bezpośrednio obserwować tego zjawiska, stanie się ono dla nas nie do przyjęcia (jak udowodnił Schrödinger).

Odkryliśmy więc, że atom i licznik promieniowania znajdują się w tej samej superpozycji. Zatem kogo lub co w tym systemie możemy nazwać kotem? Jeśli pomyślimy logicznie, kot w tym przypadku staje się wskaźnikiem stanu jądra radioaktywnego (po prostu wskaźnikiem):

Kot żyje, rdzeń nie uległ rozkładowi.
Kot nie żyje, rdzeń się rozpadł.

Musimy jednak wziąć pod uwagę fakt, że kot również jest częścią jednego systemu, ponieważ również znajduje się w pudełku. Dlatego zgodnie z teorią kwantową kot znajduje się w tzw. nielokalnym połączeniu z atomem, tj. w stanie zdezorientowanym, czyli w superpozycji mikroświata.

Wynika z tego, że jeśli nastąpi nagła zmiana w jednym z obiektów systemu, to samo stanie się z innym obiektem, niezależnie od tego, jak daleko od siebie są. Chwilowa zmiana stanu obu obiektów dowodzi, że mamy do czynienia z jednym systemem, po prostu podzielonym przestrzenią na dwie części.

Oznacza to, że możemy śmiało powiedzieć, że kot Schrödingera od razu albo żyje, jeśli atom nie uległ rozkładowi, albo jest martwy, jeśli atom uległ rozkładowi.

A jednak to dzięki eksperymentowi myślowemu Schrödingera skonstruowano urządzenie matematyczne opisujące superpozycje mikroświata. Wiedza ta znalazła szerokie zastosowanie w kryptografii i technologii komputerowej.

Na koniec chciałbym zwrócić uwagę na niewyczerpaną miłość do tajemniczego paradoksu „kota Schrodingera” ze strony wszelkiego rodzaju pisarzy i kina. To po prostu kilka przykładów:

Magiczne urządzenie zwane „Kotem Schrodingera” w powieści Łukjanienki „Ostatnia straż”.
W powieści detektywistycznej Douglasa Adamsa „Agencja detektywistyczna Dirka Gently’ego” toczy się ożywiona dyskusja na temat problemu kota Schrödingera.
W powieści R. E. Heinleina Kot przechodzi przez ściany: główny bohater, kot, jest prawie stale w dwóch stanach jednocześnie.
Słynny Kot z Cheshire Lewis Carroll w powieści „Alicja w krainie czarów” uwielbia pojawiać się w kilku miejscach jednocześnie.
W powieści 451 stopni Fahrenheita Ray Bradbury porusza kwestię kota Schrödingera w postaci żywego, martwego mechanicznego psa.
W powieści „Mag uzdrawiania” Christopher Stasheff w bardzo oryginalny sposób opisuje swoją wizję kota Schrödingera.

I wiele innych czarujących, całkowicie niemożliwych pomysłów na temat tak tajemniczego eksperymentu myślowego.