7k
8 лет назад · 2 фото · 1462 просмотров · 21 комментарий
Переосмысление эксперимента с котом Шредингера ломает квантовую механику (2 фото)
В мульти-«кошачьем» эксперименте хрестоматийная интерпретация квантовой теории приводит к противоречивым картинам реальности.
1.
2.
В самом известном в мире мысленном эксперименте физик Эрвин Шредингер описал, как кот в коробке может оказаться в неопределенном положении. Своеобразные правила квантовой теории означали, что он может быть как мертвым, так и живым, пока коробка не будет открыта и не будет измерено его состояние. Но два ученых разработали современную версию парадокса, заменив животное физиком, проводящим эксперименты с шокирующими последствиями.
Квантовая теория имеет долгую историю мысленных экспериментов, и в большинстве случаев они используются, чтобы указать на слабые места в различных интерпретациях квантовой механики. Но последняя версия, в которой участвуют несколько игроков, необычна: она показывает, что если стандартная интерпретация квантовой механики верна, то разные экспериментаторы могут прийти к противоположным выводам о том, что измерил физик в коробке. Это означает, что квантовая теория противоречит сама себе.
Концептуальный эксперимент обсуждался более двух лет и оставил большинство исследователей в тупике даже в области, привыкшей к странным понятиям. «Я думаю, что это совершенно новый уровень странности», — говорит Мэтью Лейфер, физик-теоретик из Chapman University in Orange в Калифорнии.
Даниэла Фраучигер и Ренато Реннер из Swiss Federal Institute of Technology (ETH) в Цюрихе опубликовали свою первую версию аргумента в Интернете в апреле 2016 года. Последняя статья появилась 18 сентября 2018г. в Nature Communications (Фраучигер покинула академию).
Квантовая теория имеет долгую историю мысленных экспериментов, и в большинстве случаев они используются, чтобы указать на слабые места в различных интерпретациях квантовой механики. Но последняя версия, в которой участвуют несколько игроков, необычна: она показывает, что если стандартная интерпретация квантовой механики верна, то разные экспериментаторы могут прийти к противоположным выводам о том, что измерил физик в коробке. Это означает, что квантовая теория противоречит сама себе.
Концептуальный эксперимент обсуждался более двух лет и оставил большинство исследователей в тупике даже в области, привыкшей к странным понятиям. «Я думаю, что это совершенно новый уровень странности», — говорит Мэтью Лейфер, физик-теоретик из Chapman University in Orange в Калифорнии.
Даниэла Фраучигер и Ренато Реннер из Swiss Federal Institute of Technology (ETH) в Цюрихе опубликовали свою первую версию аргумента в Интернете в апреле 2016 года. Последняя статья появилась 18 сентября 2018г. в Nature Communications (Фраучигер покинула академию).
3. Странный мир
Квантовая механика лежит в основе почти всей современной физики, объясняя все от структуры атомов до того, почему магниты прилипают друг к другу. Но ее концептуальные основы снова и снова заставляют исследователей искать ответы. Ее уравнения не могут предсказать точный результат измерения. Например, положение электрона – только вероятность того, что он может дать определенные значения.
Таким образом, квантовые объекты – электроны – живут в облаке неопределенности, математически закодированном в "волновой функции", которая плавно меняет форму, подобно обычным волнам в море. Но когда измеряется такое свойство, как положение электрона, оно всегда дает одно точное значение (и дает то же значение снова, если измеряется сразу после).
Наиболее распространенный способ понимания этого был сформулирован в 1920-х годах пионерами квантовой теории Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом и назван копенгагенской интерпретацией, в честь города, где жил Бор. В нем говорится, что акт наблюдения квантовой системы делает волновую функцию "коллапсом" от кривой распространения до одной точки данных.
Копенгагенская интерпретация оставила открытым вопрос о том, почему различные правила должны применяться к квантовому миру атома и классическому миру лабораторных измерений (и повседневного опыта). Но это также было обнадеживающим: хотя квантовые объекты живут в неопределенных состояниях, экспериментальное наблюдение происходит в классической области и дает однозначные результаты.
Теоретические рассуждения Фраучигер и Реннер говорят о том, что основная картина Копенгагена, а также другие интерпретации, которые разделяют некоторые из его основных предположений, не являются внутренне непротиворечивыми.
Таким образом, квантовые объекты – электроны – живут в облаке неопределенности, математически закодированном в "волновой функции", которая плавно меняет форму, подобно обычным волнам в море. Но когда измеряется такое свойство, как положение электрона, оно всегда дает одно точное значение (и дает то же значение снова, если измеряется сразу после).
Наиболее распространенный способ понимания этого был сформулирован в 1920-х годах пионерами квантовой теории Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом и назван копенгагенской интерпретацией, в честь города, где жил Бор. В нем говорится, что акт наблюдения квантовой системы делает волновую функцию "коллапсом" от кривой распространения до одной точки данных.
Копенгагенская интерпретация оставила открытым вопрос о том, почему различные правила должны применяться к квантовому миру атома и классическому миру лабораторных измерений (и повседневного опыта). Но это также было обнадеживающим: хотя квантовые объекты живут в неопределенных состояниях, экспериментальное наблюдение происходит в классической области и дает однозначные результаты.
Теоретические рассуждения Фраучигер и Реннер говорят о том, что основная картина Копенгагена, а также другие интерпретации, которые разделяют некоторые из его основных предположений, не являются внутренне непротиворечивыми.
4. Что в коробке?
Их сценарий значительно сложнее, чем предложенный в 1935 году Шредингером, в котором кот жил в коробке с механизмом, пускавшем яд на основе случайного явления, такого как распад атомного ядра. В этом случае состояние кота было неопределенным, пока экспериментатор не открыл коробку и не проверил ее.
В 1967 году венгерский физик Евгений Вигнер предложил версию парадокса, в которой он заменил кота и яд другом-физиком, живущим внутри коробки с измерительным устройством, которое могло бы вернуть один из двух результатов, как монета с орлом и решкой. Разрушается ли волновая функция, когда друг Вигнера узнает о результате? Одна школа говорит, что это так, предполагая, что сознание находится вне квантовой области. Но если квантовая механика относится к физику, то она должна быть в неопределенном состоянии, которое сочетает в себе оба результата, пока Вигнер не откроет коробку.
В 1967 году венгерский физик Евгений Вигнер предложил версию парадокса, в которой он заменил кота и яд другом-физиком, живущим внутри коробки с измерительным устройством, которое могло бы вернуть один из двух результатов, как монета с орлом и решкой. Разрушается ли волновая функция, когда друг Вигнера узнает о результате? Одна школа говорит, что это так, предполагая, что сознание находится вне квантовой области. Но если квантовая механика относится к физику, то она должна быть в неопределенном состоянии, которое сочетает в себе оба результата, пока Вигнер не откроет коробку.
5.
6.
У Фраучигер и Реннера еще более сложная версия. У них есть два Вигнера – каждый из них проводит эксперимент с другом физика, которого они держат в коробке. Один из двух друзей (назовем его Элис) может бросить монету и, используя свои знания о квантовой физике, подготовить квантовое сообщение для отправки другому другу (назовем его Боб). Используя свои знания квантовой теории, Боб может обнаружить сообщение Элиса и угадать результат ее броска. Когда два Вигнера открывают свои ящики, в некоторых ситуациях они могут с уверенностью заключить, на какую сторону приземлилась монета, но иногда их выводы непоследовательны. Один уверен в том, что это решка, а второй в том, что орел.
Эксперимент не может быть реализован на практике, потому что это потребует от Вигнера измерения всех квантовых свойств своих друзей, включая чтение их умов, указывает теоретик Лидия Дель Рио, коллега Реннера в ETH Zurich.
Тем не менее, вполне возможно, что два квантовых компьютера сыграют роль Элиса и Боба: логика аргумента требует только того, чтобы они знали правила физики и принимали решения на их основе, и в принципе можно обнаружить полное квантовое состояние квантового компьютера. Проблема в том, что квантовые компьютеры, способные поучаствовать в этом исследовании, еще не существуют.
Эксперимент не может быть реализован на практике, потому что это потребует от Вигнера измерения всех квантовых свойств своих друзей, включая чтение их умов, указывает теоретик Лидия Дель Рио, коллега Реннера в ETH Zurich.
Тем не менее, вполне возможно, что два квантовых компьютера сыграют роль Элиса и Боба: логика аргумента требует только того, чтобы они знали правила физики и принимали решения на их основе, и в принципе можно обнаружить полное квантовое состояние квантового компьютера. Проблема в том, что квантовые компьютеры, способные поучаствовать в этом исследовании, еще не существуют.
7. Дуэль интерпретаций
Эксперимент вызвал острую реакцию экспертов квантовой теории. Некоторые уже допускают представления о реальности, зависящие от перспективы. Это может быть менее неприятно, чем признать, что квантовая теория не применима к сложным вещам, таким как люди.
Роберт Спеккенс, физик-теоретик из Perimeter Institute for Theoretical Physics in Waterloo в Канаде, говорит, что выход из парадокса может скрываться в некоторых тонких предположениях в аргументе, в частности в связи между Элисом и Бобом. Возможно, непоследовательность возникает из-за того, что Боб неправильно интерпретирует сообщение Элиса. Но решения пока нет.
На данный момент физики, вероятно, продолжат дебаты. «Я не думаю, что мы это поняли», — говорит Лейфер.
Роберт Спеккенс, физик-теоретик из Perimeter Institute for Theoretical Physics in Waterloo в Канаде, говорит, что выход из парадокса может скрываться в некоторых тонких предположениях в аргументе, в частности в связи между Элисом и Бобом. Возможно, непоследовательность возникает из-за того, что Боб неправильно интерпретирует сообщение Элиса. Но решения пока нет.
На данный момент физики, вероятно, продолжат дебаты. «Я не думаю, что мы это поняли», — говорит Лейфер.
8. Отменятина:
А просто в этом Мире реализуются все возможные состояния. Но кто сказал, что они должны происходить с одними и теми же или взаимосвязанными персонажами? Или другой вариант, отсылающий к теории Эверетта: все персонажи существуют в 2 разных реальностях. В конце-концов способ связи между ними не оговорен.
Метки: #Кот Шредингера #квантовая механика #квантовая теория #физика
С одной единственной реальностью разобраться не могут, а тут вообще СПГС накрыл.
Как погодные явления и температуру предсказать хотя-бы за сутки, так это архисложно, а вот эксперимент Шрёдингера показался им слишком простым.
Поручите это выяснить британским учёным, и не сношайте людям мозг!
Шредингер придумал своего кота как иллюстрацию к ситуации неопределенности в квантовом мире и значении, которое оказывает процесс наблюдения на положение и качество объекта наблюдения. Все дальнейшие инсинуации (что будет, если я окажусь на месте кота) - это уже даже не мыслительный эксперимент, а инсинуации от полного бессилия.
Про электрон - это не квант, он вполне определён в физическом мире.
Я не учёный, но мне кажется, пора отделить кванты от физики, как отделена химия от физики, а биология от химии....
Мир квантов это то, из чего состоит сама физика....
Постановка даже мысленного опыта с котом Шредингера некорректна. Тут или некорректное описание опыта или некорректная интерпретация опыта.
Ибо неопределённость существует на микро-уровне. Любой фиксатор частицы - т.е. тот самый наблюдатель, наличие которого влияет на систему - снимает неопределённость. Грубо говоря, неопределённость снимает счетчик Гейгера а не кот.
А в классической интерпретации предполагается что неопределённость снимает (или не снимает) кот. Т.е. кот является наблюдателем за частицей. А это не так. Так что кот не находится в неопределённом состоянии, он или жив или мёртв в зависимости от того, что зафиксировал счётчик Гейгера. Т.е. состояние кота определено вне зависимости, открыли коробку или нет.
Любой показометр даст результат: прошла частица через счётчик или нет. И нефиг мучать животное. Вспомним описание классического опыта. Имеется: закрытая коробка, счётчик, соединённый с ним баллон с газом и кошак в коробке. Что твориться в коробке - наблюдатель не знает до тех пор, пока не откроет коробку. Частица прошла - кот сдох, частица не прошла - кот жив. Но наблюдатель узнает о прохождении частицы только открыв коробку, тем самым провзаимодействовав с системой. Пока не провзаимодействовал - о состоянии кота не имеет представления. Меняем кота на показометр - получаем то же самое. Пока пьём кофеёк и не смотрим на показометр, т.е. не взаимодействуем с ним, понятия не имеем, прошла частица или нет. Суть-то всего эксперимента в чём? В том, что получить тот самый вероятностный результат можно только в результате взаимодействия системы и наблюдателя. Более широко вопрос стоит в том, что не вносит ли наблюдатель этим взаимодействием искажения в результат эксперимента, фиксируя систему/частицу в том или ином состоянии. И, как следствие, получая возможность определить однозначно только один параметр из двух.
Отличие эксперимента, описанного в посте от классического гейзенберговского. Система усложнилась. Появилось 2 кота и 2 наблюдателя. И система перестала выдавать однозначный результат. Речь-то и идёт о том, что невозможно применить положения классической квантовой механики для сложных систем. А это может поставить крест на многих исследованиях и разработках. Более того, может поставить крест и на самой квантовой механике. Практически с её официального признания не утихают споры о том, что квантовая механика - не более, чем костыль, предназначенный, чтобы устранить противоречия между ОТО и некоторыми экспериментальными результатами.
Ещё раз: описание опыта с котом Шрёдингера утверждает, что кот в коробке находится в квантово неопределенном состоянии. Но если следовать описанию опыта, то кот не может находится в подобном положении независимо от того, открыли коробку или нет. Кот или сдох или не сдох. В неопределенном состоянии он НЕ находится.
Если же говорить о том, неважно на каком уровне рассматривается система, то тогда кота можно садить в любую коробку, без всякого источника частиц, без всякого счетчика Гейгера. Ибо наблюдатель пока не посмотрит не знает, жив ли кот или сдох. И даже тогда неважно, если кот вообще в той коробке.
Тогда речь не идёт не только о квантовой физике, а вообще о науке. Только магия может дать ответ, в каком состоянии кот. Но даже и в этом случае собственно кот находится в строго определённом состоянии. То есть, независимо от наблюдателя или жив или сдох или его там вообще не было. Но никакой неопределенности! Всё строго определено, просто наблюдатель об этом не знает.
Поэтому описанный подобным образом опыт или некорректно сформулирован или некорректно интерпретирован. Сам опыт неверный в таком описании. Речь о квантовой физике тут не идёт.
Даже если мы уменьшим кота до размеров микро-мира, то сам опыт всё равно некорректен. Ибо кот сам по себе, как показометр, снимает неопределённость. Частица может быть в неопределенном состоянии (и об этом можно спорить) а кот - нет. Кот всегда в строго определённом состоянии.
Т.е. тут дело не в истинности или нет квантовой физики, а в некорректности самого опыта. В таком описании такой опыт ничего не доказывает и ничего не опровергает, ибо он некорректен.
Я понял о чём вы. Но кот Шрёдингера - не более чем наглядная абстракция, призванная всего-лишь проиллюстрировать неопределённое состояние частицы до тех пор, пока с ней не провзаимодействует наблюдатель. Это же не реальный кошак. Не надо всё воспринимать так буквально.
Где-то годах в 80-х прошлого века проскакивала инфа о том, что провели опыт по торможению, насколько помню, единичного электрона с целью выяснить направление его спина. Тормознули при помощи температуры и лазерного импульса. Эта сволочь - раздвоилась и продемонстрировала одновременно оба варианта. После прекращения воздействия опять сложился в единичную частицу. С тех пор, правда, ничего об этом опыте больше не встречал. А вы про кота, который в единственном состоянии.
Нет, я не про кота. Я про опыт в целом. Постановка опыта в таком виде ничего не доказывает, потому что он не корректен. Это как Кавендиш искал связь между магнитным полем и электрическим током и не нашёл её. Не потому, что этой связи нет, не потому что теория верна или не верна. А потому, что опыт в постановке Кавендиша был некорректный. Опыт в постановке Кавендиша ничего не доказывал. Ни pro ни contra.
Короче, кота жалко
хотелось бы прочесть нормальный разбор теории (ПОКА не нашел), но вот очень напоминает мысленный эксперимент Уиллера с отложенным состоянием выбора, предложенный в 1970-х. Который таки поставили в 2007, и результаты подтвердили теорию, даже улучшили ее в одном моменте. Получалось, что о нарушении у частицы суперпозиции она "знала" заранее.
Что-то мне подсказывает, хотя я могу сильно ошибаться, ибо я от сахи, что вот есть небольшая неточность, если Боба и Элис заменить на частицы (ну это же их интерпретация), то вопрос нафига несвязанным частицам обмениваться информацией, действуют обособленно в суперпозициях своих...вопросов дофига, в статье ни черта, много букаф по истории гребанного кота, которого уже заездили все, кому не лень, а по теме невнятных пара фраз.
Можно подробней для тупых?
Подробного описания тоже пока не нашёл. А там, где взял, ссылки на источник не было. Но как я понял, здесь рассматривается вариант, когда 2 наблюдателя, участвуя в одном эксперименте, получают разноречивую информацию. Если применить к тому коту, то при открытии коробки у них кот и вправду получается и жив, и мёртв одновременно. Для одного наблюдателя жив, а для другого - мёртв. Откуда и делает выводы одна из школ, что либо положения квантовой физики не применимы к сложным системам, либо вся квантовая физика - полное фуфло. Вторые предполагают возможность ошибки при интерпретации состояния, полученного принимающей (вычисляющей) стороной (Бобом). О том, видимо, и спорят.
К первоисточнику прошел, поискал, не нашел развернутой инфы тоже.
Блин, бро, правда не понимаю, откуда парадокс берут с информацией о квантовом состоянии. Даже в принципе неопределенности Гейзенберга говорится, что с равной долей вероятности можно узнать или местоположение, или импульс. Находишь вероятность одного, второе - не определить. Т.е. суперпозиция нарушается. Могу ошибаться, видел один раз статью в 2014г, тоже не шибко развернутую о том, что нашли квантовые следы частиц, не находящихся в суперпозиции. Т.е. грубо, есть два потока связанных частиц. В первом Леха, Коля, Петя, во втором - Леха1, Коля1, Петя1. Леха травит анекдот, Коля ржет, Петя падает со смеху. Во втором потоке Лехи1 нет, но Коля1 ржет, Петя1 падает со смеху.
И вот тут то я и не догоняю. Конечно, я не претендую на ума палату, но хочется правды, если котов отбросить, как может взаимодействие (система же квантовая) быть ложным или нарушение суперпозиции, если оно даже в эксперименте Уиллера дает эффект "определенного в будущем" (не люблю эту трактовку, но для простоты). Да и судя по квантовым следам, суперпозиция довольно равновесное состояние...короче, я негодую, инфы нет, спасибо за наводку.
У меня тоже очень мало инфы по этому поводу. Да и то, что встречалось к самой физике отнести трудно. Больше - к околофизическим сплетням. Весь сыр-бор, как и с Гейзенбергом, и в этом случае крутится вокруг "эффекта наблюдателя". А точнее вокруг того, что само присутствие наблюдателя и, главное, его настрой, вносит "помеху" в результат эксперимента. Результат начинает зависеть от от того, что хочет или надеется получить наблюдатель. Это засекли годах в 30-х прошлого века и касалось именно ядерной физики. Если условно наблюдатель 1 - как с тем котом, получаем "классическую" картинку суперпозиции. А если их больше и у каждого своя хочка? Получаем - бардак, как в приведённом тобой примере. Ненаучно - да. Потому говорить на эту тему не любят. Однако об этом эффекте знают и, как видишь, даже исследовать как-то пытаются. Остаётся предположить, что есть какое-то взаимодействие, пока науке неизвестное, вокруг которого они все ползают, но есть страх открыто признать его существование. Очень уж много менять надо будет в мировоззрении и естествознании. По-другому объяснить наверное не смогу.
спасибо, мне пока этого хватит. Буду планомерно ковырять теперь статьи, знаю теперь в какую сторону.
Я ничего не понял