Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Кванттық механикадағы ой эксперименті
Thought experiment in quantum mechanics
Кванттық механикада Шредингердің мысығы – кванттық суперпозицияның ой эксперименті, кейде парадокс ретінде сипатталады. Ой эксперименті барысында, гипотетикалық мысықты бір уақытта тірі де, өлі де деп қарастыруға болады, ол жабық қорапта байқалмайынша, оның тағдыры кездейсоқ субатомдық құбылысқа байланысты болуы мүмкін немесе болмауы мүмкін. Бұл ой экспериментін физик Эрвин Шредингер 1935 жылы Альберт Эйнштейнмен болған әңгімесінде кванттық механиканың Копенгагендік интерпретациясының мәселелерін көрсету үшін ұсынды. Шредингердің бастапқы нұсқасында, мысық, удың құйылған ыдысы және радиоактивті көздері герметикалық жабық қорапқа салынады. Егер ішкі радиацияны бақылайтын құрал (мысалы, Гейгер санауышы) радиоактивтілікті (мысалы, бір атомның ыдырауын) анықтаса, ыдыс сындырылып, у босатылып, мысықты өлтіреді. Копенгагендік интерпретацияға сәйкес, біраз уақыттан кейін мысық бір уақытта тірі де, өлі де болады. Алайда, қорапқа қарағанда, мысықтың тірі немесе өлі екенін көресіз, екеуі де емес. Бұл кванттық суперпозицияның қашан аяқталып, шындық бір немесе басқа мүмкіндікке қалай келетіні туралы сұрақ тудырады. Бастапқыда Копенгагендік интерпретациясына сын ретінде ұсынылған Шредингердің көріне парадоксалды ой эксперименті кванттық механиканың негізгі бөлігіне айналды. Бұл сценарий кванттық механиканың интерпретацияларын, әсіресе өлшеу мәселесін талқылауда жиі кездеседі. Осының нәтижесінде Шредингердің мысығы халық мәдениетінде кең танылды. Эксперименттің мақсаты – мысыққа нақты қолдану емес, атомдардың мінез-құлқының түсінікті мысалы болу. Атомдық деңгейдегі эксперименттер жүргізілді, олардың нәтижесінде өте кішкентай объектілердің суперпозицияда болуы мүмкін екені көрсетілді; бірақ мысық сияқты үлкен объектіні суперпозициялауға елеулі техникалық қиындықтар туындайды. Негізінен, Шредингердің мысық эксперименті кванттық суперпозициялардың қанша уақытқа созылатынын және олар қашан (немесе құлайды ма) деген сұрақтарды қозғайды. Кванттық механиканың математикалық теңдеулеріне қатысты әртүрлі интерпретациялар осы процеске әртүрлі түсіндірмелер береді, бірақ Шредингердің мысығы физикадағы әлі шешілмеген мәселе болып қала береді.
In quantum mechanics, Schrödinger's cat is a thought experiment, sometimes described as a paradox, of quantum superposition. In the thought experiment, a hypothetical cat may be considered simultaneously both alive and dead, while it is unobserved in a closed box, as a result of its fate being linked to a random subatomic event that may or may not occur. This thought experiment was devised by physicist Erwin Schrödinger in 1935 in a discussion with Albert Einstein to illustrate what Schrödinger saw as the problems of the Copenhagen interpretation of quantum mechanics. In Schrödinger's original formulation, a cat, a flask of poison, and a radioactive source are placed in a sealed box. If an internal radiation monitor (e. g. a Geiger counter) detects radioactivity (i. e. a single atom decaying), the flask is shattered, releasing the poison, which kills the cat. The Copenhagen interpretation implies that, after a while, the cat is simultaneously alive and dead. Yet, when one looks in the box, one sees the cat either alive or dead, not both alive and dead. This poses the question of when exactly quantum superposition ends and reality resolves into one possibility or the other. Although originally a critique on the Copenhagen interpretation, Schrödinger's seemingly paradoxical thought experiment became part of the foundation of quantum mechanics. The scenario is often featured in theoretical discussions of the interpretations of quantum mechanics, particularly in situations involving the measurement problem. As a result, Schrödinger's cat has had enduring appeal in popular culture. The experiment is not intended to be actually performed on a cat, but rather as an easily understandable illustration of the behavior of atoms. Experiments at the atomic scale have been carried out, showing that very small objects may exist as superpositions; but superposing an object as large as a cat would pose considerable technical difficulties. Fundamentally, the Schrödinger's cat experiment asks how long quantum superpositions last and when (or whether) they collapse. Different interpretations of the mathematics of quantum mechanics have been proposed that give different explanations for this process, but Schrödinger's cat remains an unsolved problem in physics.
Шығуы және мотивациясы
Шредингер 1935 жылы Эйнштейн, Подольский және Розен авторларының есімдерімен аталған EPR мақаласын талқылау мақсатымен ой экспериментін жасады. EPR мақаласы кванттық суперпозициялардың күтпеген сипатын көрсетті, онда екі бөлшектің кванттық жүйесі ажыраспайды. Копенгагендік интерпретацияны (1935 жылғы басым доктрина) сынға алу ниетімен жасалған Шредингердің мысық ой эксперименті, кванттық механиканың қазіргі интерпретациялары үшін маңызды өлшемшара болып табылады және олардың артықшылықтары мен кемшіліктерін түсіндіруге және салыстыруға қолданылуы мүмкін.
Schrödinger intended his thought experiment as a discussion of the EPR article—named after its authors Einstein, Podolsky, and Rosen—in 1935. The EPR article highlighted the counterintuitive nature of quantum superpositions, in which a quantum system for two particles does not separate Intended as a critique of the Copenhagen interpretation (the prevailing orthodoxy in 1935), the Schrödinger's cat thought experiment remains a touchstone for modern interpretations of quantum mechanics and can be used to illustrate and compare their strengths and weaknesses.
Түсіндірме
Шредингердің өмірінен бері кванттық механиканың басқа да түсіндірмелері ұсынылды, олар Шредингердің мысығының суперпозициялары қанша уақытқа созылады және олар қашан (немесе бола ма) күйрейді деген сұрақтарға басқаша жауап береді.
Since Schrödinger's time, other interpretations of quantum mechanics have been proposed that give different answers to the questions posed by Schrödinger's cat of how long superpositions last and when (or whether) they collapse.
Копенгаген аудармасы
Кванттық механиканың кең таралған түсінігі – Копенгаген түсіндірмесі. Копенгагендік түсіндірмеде жүйе күйлердің суперпозициясы болуын тоқтатып, байқау жасалғанда бір немесе екінші күйге енеді. Бұл ой эксперименті өлшеудің немесе байқаудың мәні осы түсіндірмеде нақты анықталмағанын көрсетеді. Копенгагендік түсіндірмеде қорап жабық болғанда мысықтың күйі туралы ешқандай түсінік берілмейді. Жүйенің толқындық функциясының сипаттамасы "бұзылған ядро/өлген мысық" және "бұзылмаған ядро/тірі мысық" күйлерінің суперпозициясынан тұрады. Тек қорап ашылып, байқалғанда ғана мысық туралы мәлімдеме жасауға болады. Бұл потенциалды шексіз тізбек соңғы құрылғыны саналы бақылаушымен алмастырылса тоқтатылуы мүмкін. Бұл мәселені шешті, себебі жеке сананың көбеймейтіні айтылды. Нейман толқындық функциясының оң жағындағы мүшелердің біріне (мысалы, тірі мысық немесе өлген мысық) құлау үшін саналы бақылаушының қажеттігін көрсетті. Бұл түсіндіруді кейіннен Юджин Вигнер қабылдады, бірақ одан кейін "Вигнердің досы" деп аталатын ой эксперименті арқылы одан бас тартты. Вигнер досының қорапты ашып, мысықты ешкімге хабарламай байқағанын болжады. Вигнердің саналы перспективасы бойынша, досы енді толқындық функцияның бөлігі болып табылады және тірі мысықты да, өлген мысықты да көрген. Үшінші тұлғаның саналы перспективасы бойынша, Вигнер досынан нәтижені білгеннен кейін өзі толқындық функцияның бөлігіне айналады. Бұл процесті шексіз жалғастыруға болады. Роджер Карпентер мен А. Дж. Андерсонның нақты экспериментін талдауы, өлшеудің өзі (мысалы, Гейгер санағышы арқылы) кез келген адам нәтиже туралы білгенге дейін кванттық толқындық функцияның құлауына жеткілікті екенін көрсетті. Аппарат нәтижеге байланысты екі түстің біреуін көрсетеді. Адам бақылаушы көрсетілген түсті көреді, бірақ бұл түс қандай нәтижені білдіретінін саналы түрде білмейді. Аппаратты орнатқан екінші адам түс туралы хабардар болады және нәтиже туралы саналы түрде біледі, содан кейін қорап ашылып, нәтиже сәйкес келеді ме екені тексеріледі.
A commonly held interpretation of quantum mechanics is the Copenhagen interpretation. In the Copenhagen interpretation, a system stops being a superposition of states and becomes either one or the other when an observation takes place. This thought experiment makes apparent the fact that the nature of measurement, or observation, is not well defined in this interpretation. In the Copenhagen interpretation simply provides no explanation for the nature of the cat while the box is closed. The wavefunction description of the system consists of a superposition of the states "decayed nucleus/dead cat" and "undecayed nucleus/living cat". Only when the box is opened and observed can we make a statement about the cat. This potentially infinite chain could be broken if the last device is replaced by a conscious observer. This solved the problem because it was claimed that an individual's consciousness cannot be multiple. Neumann asserted that a conscious observer is necessary for collapse to one or the other (e. g., either a live cat or a dead cat) of the terms on the right hand side of a wave function. This interpretation was later adopted by Eugene Wigner, who then rejected the interpretation in a thought experiment known as Wigner's friend. Wigner supposed that a friend opened the box and observed the cat without telling anyone. From Wigner's conscious perspective, the friend is now part of the wave function and has seen a live cat and seen a dead cat. To a third person's conscious perspective, Wigner himself becomes part of the wave function once Wigner learns the outcome from the friend. This could be extended indefinitely. Analysis of an actual experiment by Roger Carpenter and A. J. Anderson found that measurement alone (for example by a Geiger counter) is sufficient to collapse a quantum wave function before any human knows of the result. The apparatus indicates one of two colors depending on the outcome. The human observer sees which color is indicated, but they don't consciously know which outcome the color represents. A second human, the one who set up the apparatus, is told of the color and becomes conscious of the outcome, and the box is opened to check if the outcome matches.
Бордың түсіндірмесі
Копенгагендік интерпретациямен байланысты басты ғалымдардың бірі Нильс Бор, толқын функциясының субъективті бақылаушының әсерінен күйреуіне немесе өлшеуге тәуелсіз интерпретация ұсынды; керісінше, "қайта бармайтын" немесе іс жүзінде қайта бармайтын процесс кванттық когеренттіліктің жойылуына себеп болады, осы арқылы "байқау" немесе "өлшеу" классикалық сипатқа ие болады. Осылайша, Шредингердің мысығы қорап ашылғанға дейін көп бұрын өлі немесе тірі күйде болуы мүмкін.
One of the main scientists associated with the Copenhagen interpretation, Niels Bohr, offered an interpretation that is independent of a subjective observer induced collapse of the wave function, or of measurement; instead, an "irreversible" or effectively irreversible process causes the decay of quantum coherence, which imparts the classical behavior of "observation" or "measurement". Thus, Schrödinger's cat would be either dead or alive long before the box is observed.
Көп әлемдер түсіндірмесі
1957 жылы Хью Эверетт кванттық механиканың көп әлемдер түсіндірмесін жасады, ол байқауды ерекше процесс ретінде бөліп көрсетпейді. Көп әлемдер түсіндірмесінде, мысықтың тірі және өлі күйлері қорап ашылғаннан кейін де сақталады, бірақ бір-бірінен ықшамдалады. Яғни, қорап ашылғанда, бақылаушы және мүмкін өлі мысық, өлі мысықты көретін бақылаушы және тірі мысықты көретін бақылаушы болып екіге бөлінеді. Бірақ өлі және тірі күйлер ықшамдалғандықтан, олардың арасында ешқандай байланыс немесе өзара әрекеттесу болмайды. Қорапты ашқанда бақылаушы мысықпен байланысады, сондықтан мысықтың тірі немесе өлі болуына сәйкес "бақылаушы күйлері" пайда болады; әрбір бақылаушы күйі мысықпен байланысқандықтан, мысықтың күйін байқау және мысықтың күйі бір-бірімен сәйкес келеді. Кванттық ықшамдану әртүрлі нәтижелердің бір-бірімен өзара әрекеттеспеуін қамтамасыз етеді. Декогеренттілік, әдетте, бірнеше күйді бір уақытта байқауға мүмкіндік бермейді деп есептеледі. Космолог Макс Тегмарк Шредингердің мысық экспериментінің кванттық өзін-өзі өлтіру машинасы деп аталатын түрін ұсынды. Ол Шредингердің мысық экспериментін мысықтың көзқарасынан қарастырады және осы тәсілді қолдану арқылы Копенгагендік түсіндірме мен көп әлемдерді ажыратуға болатынын айтады.
In 1957, Hugh Everett formulated the many worlds interpretation of quantum mechanics, which does not single out observation as a special process. In the many worlds interpretation, both alive and dead states of the cat persist after the box is opened, but are decoherent from each other. In other words, when the box is opened, the observer and the possibly dead cat split into an observer looking at a box with a dead cat and an observer looking at a box with a live cat. But since the dead and alive states are decoherent, there is no communication or interaction between them. When opening the box, the observer becomes entangled with the cat, so "observer states" corresponding to the cat's being alive and dead are formed; each observer state is entangled, or linked, with the cat so that the observation of the cat's state and the cat's state correspond with each other. Quantum decoherence ensures that the different outcomes have no interaction with each other. Decoherence is generally considered to prevent simultaneous observation of multiple states. A variant of the Schrödinger's cat experiment, known as the quantum suicide machine, has been proposed by cosmologist Max Tegmark. It examines the Schrödinger's cat experiment from the point of view of the cat, and argues that by using this approach, one may be able to distinguish between the Copenhagen interpretation and many worlds.
Топтық аударма
Ансамбльдік интерпретация суперпозициялардың үлкен статистикалық ансамбльдің ішкі жиынтықтары ғана екенін көрсетеді. Кванттық күй векторы жеке мысық эксперименттеріне емес, тек көптеген бірдей дайындалған мысық эксперименттерінің статистикасына ғана қатысты. Осы интерпретацияны қолдайтындар бұл Шредингердің мысық парадоксын тривиальды мәселе немесе мәселе емес деп есептейді. Бұл түсінік кванттық механикадағы жеке физикалық жүйенің оған қандай да бір деңгейде сәйкес келетін математикалық сипаттамасы бар деген ойды жоққа шығаруға бағытталған.
The ensemble interpretation states that superpositions are nothing but subensembles of a larger statistical ensemble. The state vector would not apply to individual cat experiments, but only to the statistics of many similarly prepared cat experiments. Proponents of this interpretation state that this makes the Schrödinger's cat paradox a trivial matter, or a non issue. This interpretation serves to discard the idea that a single physical system in quantum mechanics has a mathematical description that corresponds to it in any way.
Қарым-қатынастық түсіндіру
Реляциялық түсіндіру адам-экспериментатор, мысық және аппарат, сондай-ақ тірі және тірі емес жүйелер арасында ешқандай негізгі айырмашылық жасамайды; барлығы бірдей толқындық функцияның эволюция ережелерімен басқарылатын кванттық жүйелер болып табылады және барлығын "байқаушылар" деп қарастыруға болады. Бірақ реляциялық түсіндіру әртүрлі байқаушылардың жүйе туралы қолда бар ақпаратқа байланысты оқиғалардың бір сериясы туралы әртүрлі есеп беруіне мүмкіндік береді. Мысықты аппаратты байқаушы деп қарастыруға болады; ал эксперимент жүргізуші қораптағы жүйенің (мысық пен аппарат) тағы бір байқаушысы болып саналады. Қорап ашылғанға дейін мысық тірі немесе өлі болғандықтан, аппараттың күйі туралы ақпаратқа ие (атом ыдырады немесе ыдырамайды); бірақ эксперимент жүргізуші қораптың ішіндегілердің күйі туралы ақпаратқа ие емес. Осылайша, екі байқаушы бір уақытта жағдайды әртүрлі түсіндіреді: мысық үшін аппараттың толқындық функциясы "құлаған" сияқты көрінеді; ал эксперимент жүргізуші үшін қораптың ішіндегілер суперпозицияда болып көрінеді. Қорап ашылғанша және екі байқаушының да не болғаны туралы бірдей ақпарат алғанша, екі жүйе күйі бірдей нақты нәтижеге "құлайды", яғни тірі немесе өлі мысыққа.
The relational interpretation makes no fundamental distinction between the human experimenter, the cat, and the apparatus or between animate and inanimate systems; all are quantum systems governed by the same rules of wavefunction evolution, and all may be considered "observers". But the relational interpretation allows that different observers can give different accounts of the same series of events, depending on the information they have about the system. The cat can be considered an observer of the apparatus; meanwhile, the experimenter can be considered another observer of the system in the box (the cat plus the apparatus). Before the box is opened, the cat, by nature of its being alive or dead, has information about the state of the apparatus (the atom has either decayed or not decayed); but the experimenter does not have information about the state of the box contents. In this way, the two observers simultaneously have different accounts of the situation: To the cat, the wavefunction of the apparatus has appeared to "collapse"; to the experimenter, the contents of the box appear to be in superposition. Not until the box is opened, and both observers have the same information about what happened, do both system states appear to "collapse" into the same definite result, a cat that is either alive or dead.
Транзакциялық аударма
Транзакциялық интерпретация бойынша, аппарат уақыт бойынша артқа қарай озық толқын шығарады, ол уақыт бойынша алға қарай шығарылған толқынмен бірігіп, тұрған толқынды құрайды. Толқындар физикалық жағынан нақты деп есептеледі, ал аппарат "байқаушы" ретінде қарастырылады. Транзакциялық интерпретацияда толқындық функцияның күйреуі "уақыттан тыс" болып келеді және көз және аппарат арасындағы толық транзакция бойымен жүзеге асады. Мысық ешқашан суперпозицияда болмайды. Керісінше, мысық кез келген уақытта тек бір күйде болады, тәжірибеші қорапқа қашан қараса да. Транзакциялық интерпретация осы кванттық парадоксқа шешім табады.
In the transactional interpretation the apparatus emits an advanced wave backward in time, which combined with the wave that the source emits forward in time, forms a standing wave. The waves are seen as physically real, and the apparatus is considered an "observer". In the transactional interpretation, the collapse of the wavefunction is "atemporal" and occurs along the whole transaction between the source and the apparatus. The cat is never in superposition. Rather the cat is only in one state at any particular time, regardless of when the human experimenter looks in the box. The transactional interpretation resolves this quantum paradox.
Объективті құлдырау теориясы
Объективті құлдырау теорияларына сәйкес, суперпозициялар белгілі бір объективті физикалық шекте (уақыт, масса, температура, қайтымсыздық және т.б.) жеткен кезде өздігінен жойылады (сыртқы байқауға қарамастан). Сондықтан, мысық қорап ашылмас бұрын нақты бір күйге түсуі керек. Бұл шамамен "мысық өзін-өзі бақылайды" немесе "орта мысықты бақылайды" деп түсіндірілуі мүмкін. Объективті құлдырау теориялары стандартты кванттық механиканы өзгертуді қажет етеді, бұл уақыт өтуі процесінде суперпозициялардың жойылуына мүмкіндік береді. Бұл теорияларды тәжірибеде мезоскопиялық суперпозициялық күйлер жасау арқылы тексеруге болады. Мысалы, энергиялық мысық күйлері кванттық гравитациямен байланысты энергиялық декогеренция модельдерін анықтау үшін дәл құрал ретінде ұсынылған.
According to objective collapse theories, superpositions are destroyed spontaneously (irrespective of external observation) when some objective physical threshold (of time, mass, temperature, irreversibility, etc.) is reached. Thus, the cat would be expected to have settled into a definite state long before the box is opened. This could loosely be phrased as "the cat observes itself" or "the environment observes the cat". Objective collapse theories require a modification of standard quantum mechanics to allow superpositions to be destroyed by the process of time evolution. These theories could ideally be tested by creating mesoscopic superposition states in the experiment. For instance, energy cat states has been proposed as a precise detector of the quantum gravity related energy decoherence models.
Қолданбалар мен сынақтар
Сипатталған эксперимент – таза теориялық тәжірибе, ал ұсынылған машинаның құрылғаны белгісіз. Дегенмен, ұқсас принциптерді қолданатын сәтті эксперименттер жүргізілді, мысалы, салыстырмалы түрде үлкен (кванттық физика стандарттары бойынша) объектілердің суперпозициялары. Бұл эксперименттер мысық өлшемдегі объектіні суперпозицияға қоюға болатынын көрсетпейді, бірақ "мысық күйлерінің" белгілі жоғарғы шегі олармен жоғарылатылды. Көп жағдайда, бұл күй тіпті абсолютті нөлге дейін салқындатылғанда да қысқа өмір сүреді. Фотондармен "мысық күйіне" қол жеткізілді. Бериллий ионы суперпозицияланған күйде тұрақталды. Кванттық интерференциялық құрылғы ("SQUID") қатыстырылған эксперимент ой-эксперимент тақырыбымен байланысты: "Суперпозиция күйі бір бағытта ағып жатқан миллиард электронға және екінші бағытта ағып жатқан миллиард электронға сәйкес келмейді. Суперөткізгіш электрондар бірдей қозғалады. SQUID-тегі барлық суперөткізгіш электрондар Шредингердің мысық күйінде болғанда, бір мезгілде контурдың екі бағытында да ағып өтеді". Пьезоэлектрлік "тюнинг-форк" құрастырылды, оны дірілдегі және дірілдемеген күйлердің суперпозициясына орналастыруға болады. Резонатор шамамен 10 триллион атомнан тұрады. Грипп вирусына қатысты эксперимент ұсынылды. Бактерия мен электромеханикалық осцилляторға қатысты эксперимент ұсынылды. Кванттық есептеуде "мысық күйі" термині кейде GHZ күйін білдіреді, онда бірнеше кубит барлығы 0 және барлығы 1 болатын тең суперпозицияда болады; мысалы, кем дегенде бір ұсыныс бойынша, мысықтың күйін оны байқамас бұрын анықтау мүмкін.
The experiment as described is a purely theoretical one, and the machine proposed is not known to have been constructed. However, successful experiments involving similar principles, e. g. superpositions of relatively large (by the standards of quantum physics) objects have been performed. These experiments do not show that a cat sized object can be superposed, but the known upper limit on "cat states" has been pushed upwards by them. In many cases the state is short lived, even when cooled to near absolute zero. A "cat state" has been achieved with photons. A beryllium ion has been trapped in a superposed state. An experiment involving a superconducting quantum interference device ("SQUID") has been linked to the theme of the thought experiment: "The superposition state does not correspond to a billion electrons flowing one way and a billion others flowing the other way. Superconducting electrons move en masse. All the superconducting electrons in the SQUID flow both ways around the loop at once when they are in the Schrödinger's cat state." A piezoelectric "tuning fork" has been constructed, which can be placed into a superposition of vibrating and non vibrating states. The resonator comprises about 10 trillion atoms. An experiment involving a flu virus has been proposed. An experiment involving a bacterium and an electromechanical oscillator has been proposed. In quantum computing the phrase "cat state" sometimes refers to the GHZ state, wherein several qubits are in an equal superposition of all being 0 and all being 1; e. g.,
According to at least one proposal, it may be possible to determine the state of the cat before observing it.
Ұзартулар
2020 жылдың тамызында физиктер Шредингердің мысығы және Вигнердің досы парадокстарымен байланысты кванттық механиканың интерпретацияларын зерттеген еңбектерді ұсынды, олар шындық туралы бұрыннан қалыптасқан түсініктерге күдік тудыратын қорытындыларға әкелді.
In August 2020, physicists presented studies involving interpretations of quantum mechanics that are related to the Schrödinger's cat and Wigner's friend paradoxes, resulting in conclusions that challenge seemingly established assumptions about reality.