Котката на Шрьодингер. Различни интерпретации на квантовата неопределеност

Едва ли има някой, който да не е чувал за котката на Шрьодингер. Този прочут мем изразява един от най-важните парадокси на квантовата механика, а тълкуването му определя основните концепции на съвременната физика.

В книгата си "Вещици в чужбина" Тери Пратчет споменава, че ако затвориш котка в кутия, то в тази ситуация котката е:

• или мъртва
• или жива
• или дяволски много ядосана.

Това е положението според класическата физика, но в квантовата механика не е точно така. Квантовият свят, светът на микрочастиците се отличава с неопределеност, а котката може да е "магически" едновременно в няколко състояния. И е невъзможно да конкретизираш в какво точно състояние е. Когато се опиташ да измериш някоя характеристика на една частичка (да кажем положението й), друг неин параметър става безкрайно неопределен (напр. скоростта й). 

Това състояние на нещата е непоносимо за някои физици като Айнщайн, който в спора си с Нилс Бор заявява прочутата фраза относно хазартните наклонности на Бог ("Бог не играе на зарове!"). Според Айнщайн не може да има такава неопределеност, просто ние не знаем достатъчно, за да я определим. Трябва да има "скрити променливи". Шрьодингер, който също е смятал така, е измислил парадокса с котката не заради някаква необяснима жестокост към животните, а за да докаже, че тази неопределеност може да се пренесе в света на големите обекти (като котките) , а "неопределени" котки не се наблюдават.

Това, което отговарят опонентите на Айнщайн, начело в Бор е, че актът на наблюдението унищожава неопределеността (вълновата й функция "колапсира") и котката, а и всички големи обекти престават да са неопределени. И това тълкуване си има своите неудобства - необходимостта от "наблюдател", който много лесно може да се превърне в "Наблюдател", а от там до възможността целият ни видим свят да е под окото на едно митично същество, което държи нашата Вселена в рамките на определеността, е една крачка.

Така или иначе това са били концепциите в началото на миналия век относно връзките и същността на микро- и макросвета. Например, хипотезата на Хю Еверет за паралелните светове, която ни измъква от кошмарната неопределеност без нуждата от наблюдател. Но тя пък е невъзможно да се тества. От времето на Айнщайн насам са се появили и други тълкувания, които са логични, възможни и дори евентуално могат да се проверят.

Да си в няколко състояния едновременно. Какво е суперпозиция

Според класическата физика, изследваният обект може да се намира в едно от множество възможни състояния. Той не може да бъде в няколко състояния едновременно, т.е. не може да има някакъв смисъл сумата от възможни състояния. Ако в момента съм в стаята, то не мога да съм и в коридора. Състоянието, при което съм едновременно и в стаята, и в коридора, е безсмислено. А също така, не мога да изляза от стаята едновременно през вратата и да скоча през прозореца - или ще мина през вратата, или ще скоча през прозореца. Това напълно отговаря на житейския ни опит и на "здравия ни разум".

В квантовата механика, обаче, тази ситуация е само една от възможните. Такива състояния на системата, когато е възможен един или друг вариант, в квантовата механика се наричат ​​смесени. Тези състояния не може да се опишат с помощта на вълнова функция заради неизвестен компонент, което се дължи на взаимодействието им с околната среда. Те се описват от т. н. матрица на плътност. В този случай, може да говорим само за вероятност на различни резултати от експерименталните измервания. 

Наслагането на няколко състояния едновременно в квантовата физика става без никакво взаимно влияние. Например, експериментално е доказано, че една частица може едновременно да премине през два процепа в непрозрачен екран - т.н. опит на Юнг. Частицата, преминаваща през първия процеп - това е едно състояние, същата частица, преминаваща през втория процеп - друго състояние. Еспериментът показва, че се наблюдава сума от тези състояния, т.е. една частица преминава и през двата процепа. Това се нарича суперпозиция от състояния. Това е суперпозиция на алтернативни, взаимно изключващи се от класическа гледна точка, състояния, които не могат да бъдат реализирани в класическата физика.

Когато една котка е ни жива, ни мъртва

Шрьодингер ходеше из стаята, търсейки своето беляджийче-коте, което седеше в кутията ни живо, ни мъртво. (Луркморие)

Възможно ли е да се наблюдава суперпозиция от състояния не само в микрокосмоса, но също така и в макрокосмоса, в нашето ежедневие? Котката на Шрьодингер е прочут мем в квантовата физика. Това е мисловен експеримент, представен от Ервин Шрьодингер, за да покаже, че пренасянето на понятия от квантовата механика в макросистемите, например обекти с размерите на котка дава неочаквани проблеми.

Същност на опита

Как е описал експеримента самият Шрьодингер:

Илюстрация: fleetingstates

Може да се изградят случаи, които са по-скоро бурлеска. Някаква котка е заключена в стоманена камера, заедно със следната адска машина (която трябва да бъдат защитена от директната намеса на котката): в гайгеров брояч има малко количество радиоактивен материал, толкова малко, че за един час може да се разпадне само един атом, но със същата вероятност може и да не се разпадне, но ако това се случи, отчитащата тръба се разтоварва и сработва реле, задействащо чук, който разбива колба на циановодородна киселина. Ако не се намесваме в системата за един час, можем да кажем, че котката ще е жива през това време, докато не се случи разпадането на атома. Първият разпад на атома, ще отрови котката. Пси-функцията на цялата система изразява това чрез смесване или размазване на жива и мъртва котка (извинете ме за израза) в равни части. Типично в подобни случаи е това, че несигурността първоначално ограничена в атомния свят, се превръща в макроскопска неопределеност, която може да бъде решена чрез пряко наблюдение. Това ни пречи наивно да приемем "моделът размазване" като отражение на реалността. Само по себе си, това не означава нищо неясно или противоречиво. Има разлика между размита или разфокусирана снимка и снимка на облаци или мъгла. - E. Schrödinger: «Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik» («Днешното състояние на квантовата механика»), 1935

Статията на Шрьодингер е била посветена на парадокса на АПР, публикуван от Айнщайн, Подолски и Розен по-рано същата година, като част от спора между Бор и Айнщайн. Също като Айнщайн, Шрьодингер е противник на квантовата механика, така, както я разбира Бор - с несигурност, вероятности и квантови флуктуации. Експериментът с "Котката" е замислен за да покаже: за всеки макрообект (в случая котка) може да се създаде такава ситуация, когато състоянието му да се определя еднозначно от микроскопичен обект, а ако не съществува определеност на микро ниво, то няма да я има и на макро ниво. Това очевидно противоречи на интуитивно очевидното, според Шрьодингер обстоятелство, че имаме право да изискаме от науката надеждни предсказания поне за макро обекти.

Математически

Математически, свойствата на суперпозицията от състояния е пряко свързана със специална форма на линейно диференциално уравнение, което показва поведението на частица в квантовата теория. Когато тази частица взаимодейства с други частици (например с макро обект) или с прибор за измерване или със своята среда, уравнението става нелинейно, което означава, че няма повече суперпозиция, а "колапс" на частицата до определено състояние.

Често резултатът от експеримента се представя по следния начин: След определения период, равен на полуразпада, атомът може да се е разпаднал или да не е с еднаква вероятност и тогава ще е в суперпозиция от две състояния: като използваме означенията на Дирак, състоянието на атома е:

От суперпозицията на двете състоянияна атома: на разпаднало се ядро и неразпаднало се ядро, се определя съдбата на котката, състоянието на котката може да се изрази като сплетено състояние от мъртва и жива котка:

Привидният парадокс произтича от факта, че в квантовата механика не е възможно да се описват класически обекти, защото се използва вероятностна представа, като една частица може да бъде едновременно във всички възможни позиции.

Процесът на наблюдение, обаче, необратимо променя системата, тъй като веднъж наблюдавана в една позиция, това детерминира местоположението на частицата (т.е., там има вероятност 1) и следователно вече няма да бъде е в суперпозиция.

Трябва да се отбележи, че описанието в уравнението в случая на котката |C>, посочено по-горе, не е вярно. Уравнението на Шрьодингер се отнася до "вълновата функция на цялата система ", а не само тази на котката. Всъщност, квантовата теория казва, че системата "атом + котка" се описва от сплетено състояние:

В уравнението на Шрьодингер не се поставят никакви ограничения по отношение на приложимостта му към електрон, а не, да речем, към една футболна топка. В същото време, при футболната топка никога не са били наблюдавани по същество квантови състояния. Проблемът на Шрьодингеровата котка всъщност се състои в необходимостта да се обясни защо. Но в края на краищата обаче, този пример не опровергава квантовата механика, а само подчертава странностите й.

Скрити променливи

Това тълкуване е на групата около Айнщайн и се основава на предположението, че всички обичайни версии на квантовата механика са непълни и че съществува някакъв основополагащ слой на реалността, който съдържа допълнителна информация за света. Тази допълнителна информация е под формата на скрити променливи. Ако физиците знаят стойностите на тези скрити променливи, те биха могли да предвидят точните резултати на конкретните измервания, а не само вероятностните. В случая биха знаели точното състояние на котката преди да се отвори капака.

Интерпретацията със скритите променливи може да се илюстрира с едно тесте от карти за игра, подредени от измамник-картоиграч. Той знае точно последователността в тестето, а несведущите комарджии си мислят, че шансът им да вземат конкретна карта е 1 на 52. Въпросът е, ако използваме прочутият израз на Айнщайн, дали Господ играе с белязани зарове.

Копенхагенската интерпретация

Копенхагенската интерпретация е тълкуване на квантовата механика, формулирано от Нилс Бор и Хайзенберг по време на съвместната им работа в Копенхаген около 1927г.

Основни моменти в нея са:

• Прогнозите на квантовата механика имат вероятностен характер по принцип и това не е защото нашето знание е ограничено, защото не знаем стойностите на някакви скрити променливи. Резултатите от измерванията в квантовата механика са принципно недетерминирани, т.е. неопределими.
• Физиката се занимава само с резултатите от измерванията, а не какво се случило преди това, въпроси като "къде беше частицата преди да регистрирам местоположението й?" 'е безсмислен.
• Измерването предизвиква срив, "колапс на вълновата функция". Процесът на измерване случайно избира една от възможностите, позволени от вълновата функция на даденото състояние, а вълновата функция мигновено се променя, за да отрази този избор.

^{Илюстрация: smashinglists, превод Наука ОFFNews}

Според Копенхагенската интерпретация, системата престава да бъде в суперпозиция от състоянията: «разпаднало се ядро, мъртва котка» и «не-разпаднало се ядро, жива котка», и избира едно от тях, когато е налице наблюдение.

Обвиненията за непълнота на Копенхагенската интерпретация са, че са необходими правила, които да определят условията, при които се случва колапса на вълновата функция и котката престава да бъде смес от двете състояния - дали когато кутията бъде отворена или когато ядрото попадне в детектора. Нилс Бор, основен поддръжник на Копенхагенската интерпретация, няма проблем с тази "непълнота", за него актът на измерване, чрез гайгеровия брояч, например, е достатъчен, за да колапсира вълновата функция, преди всякакво съзнателно наблюдение на измерването. Изборът на състоянието на разпадащото се ядро става не в момента на отварянето на кутията, а още когато ядрото попадне в детектора, защото редукцията, колапсът на вълновата функция на системата "котка-детектор на ядрото" не е свързана с човека, наблюдаващ кутията, а е свързана с детектора, който "наблюдава" ядрото.

Теория на декохерентността

Редица теоретици твърдят, че състоянието на квантова суперпозиция може да се поддържа при липса на взаимодействие с околната среда. За да се разберем това, да си припомним някои понятия от системите.

В ежедневието си, имаме работа предимно с отворени системи - например - имаме даден обект, да речем камък и околната му среда - пясък, ние-наблюдателите и цялата останала част от Вселената около камъка. Очевидно е, че околната среда може да взаимодейства с нашия обект и така да влияе на неговото състояние. Освен това, средата може, по някакъв начин, да записва информация за обекта, а той, от своя страна, също така, под някаква форма да записва информация за състоянието на околната среда.

Нашата вселена е пример за затворена система. Извън нея, по дефиниция, няма нищо, което би могло да й окаже влияние и няма нищо, което да може да записва информация за нейното състояние. Под запис, имаме в предвид всяка промяна във външната подсистема под влияние от взаимодействието й с избраната. Подобни затворени системи могат да бъдат създадени и в лабораторни условия, като се елиминира влиянието на околната среда върху тях и да се гарантира, че състоянието на системата няма да се отрази на състоянието на околната среда.

Вплетени състояния могат да възникнат в система, която се състои от няколко взаимодействащи си подсистеми. Например, ако един електрон се сблъсква с един атом, тогава възниква сплетено състояние, при което състоянието на електрона е свързано (корелирано) със състоянието на атома. Сплетените състояния са необходими, за да се опише цялата система, образувана от всички някога взаимодействали помежду си части.

Илюстрация: universe-review.ca

Предполага се, че взаимодействието между квантовата система в суперпозиция и средата, в която е вградена системата води до "колапс" или разпад с течение на времето в едно или друго състояние. Това е така, защото в огромната съвкупност от атоми е невъзможно за квантовите вълни при наслагването им, да се припокрият достатъчно, което да им позволи да се комбинират в състояние, известно като "последователност", с други думи, те не се интерферират една с друга повече, както е показано на схемата. Теорията за декохерентността твърди, че наслагването на състояния в една система е възможно само, ако в околната среда не се записва информация, достатъчна за разделяне на компонентите на суперпозицията. С други думи, важно е състоянието на нашата система да не е твърде сплетено със състоянието на околната среда.

Този проблем беше поставен в ясна математическа форма първо от Файнман през 1963 година. В резултат на внимателното й изследване, беше установено, че взаимодействието с околната среда унищожава квантовата суперпозиция, като по този начин я превръща от квантова система в класическа, толкова по-бързо, колкото е по-голяма масата на системата. Затова в макросвета е възможно да се говори за определеност на координатите и скоростите на обектите.

За такъв обект като котката или дори една молекула е вече достатъчна, дори много слаба неизолираност за да се унищожат напълно квантовите ефекти. Унищожаването на квантовата суперпозиция в случая на котката може да се постигне, например, поради разсейване от атоми и молекули в котката от въздуха, който диша.

Всички изолирани системи, независимо от техния размер, тегло и т.н., са квантови и строго се подчиняват на принципа на суперпозиция, но ако си взаимодействат с околната среда, т.е. са отворени системи, настъпва колапс на вълновата функция.

Декохерентността се проявява независимо от присъствието на наблюдател. Така че няма парадокс: котката е в точно определено състояние, преди да се отвори кутията.

Пенроуз. Обективна редукция на състоянието

Роджър Пенроуз смята, че суперпозицията се разрушава не само под влиянието на външната среда, но от само себе си, естествено. За възможността за такъв хипотетичен феномен говори и Ричард Файнман като го нарича "обективна редукция на състоянието"

Илюстрация "квантова гравитация": astrophysics.pro

Според Пенроуз, обективната редукция на състоянието на една частица може да се случи под влиянието на гравитацията на самата частица. Той предполага, че когато частицата е в суперпозиция от състояния, пространствено-времевият континуум, изкривяван от гравитацията на тази частица (според теорията на относителността на Айнщайн), също е в суперпозиция, тоест, ние всъщност имаме не едно изкривено време-пространство, а две. По този начин се получава, че частицата е едновременно на две места. Освен това, на всяко от състоянията от частицата съответства своя собствена стойност на гравитационната енергия по отношение с околните обекти, така че възниква неопределеност по отношение енергийното състояние на цялата система.

Според принципа на неопределеност на Хайзенберг, като се предполага значителна степен на неопределеност по отношение енергията на системата, неопределеността на енергията може да съществува само за кратък период от време.

От тази позиция, Пенроуз заключава, че всички суперпозиция по дефиниция са нестабилни и тяхното съществуване е ограничено до определен период от време. При това, колкото е по-голям обектът в състояние на суперпозиция, толкова са по-големи енергийните разлики между отделните им състояния и следователно колкото е по-голяма енергийната неопределеност и толкова по-бързо един обект преминава от суперпозиция в определено състояние.

По изчисления на Пенроуз суперпозицията на обект, съизмерим с размера и масата на протон, може да продължи милиони години, а обекти с размерите на котка - милионна част от секундата.

Схема на Пенроуз, Penrose, R. (1994). Shadows of the Mind; An Approach to the Missing Science of Consciousness. Oxford University Press, Oxford.: Източник: journal of cosmology

Четирите пространствено-времеви измерения се представят в двуизмерен пространствено-времеви лист, позицията на масата може да бъде представена като кривина на този лист, в съответствие с общата теория на относителността. Отгоре: Две различни позиции на масата като алтернативни пространствено-времеви криви. Долу: бифуркацията на пространство-време е изобразена като обединение ("залепени заедно версии") на две алтернативни пространствено-времеви истории, които са описани в горната част на фигурата. Следователно квантовата суперпозиция на едновременни алтернативни позиции може да се разглежда като разделяне на основната геометрия на пространство-времето.

Екпериментът FELIX

Пенроуз е решил експериментално да докаже идеята си, като по този начин да помири Айнщайн и Хайзенберг и да слее относителността и квантовата механика в единна научна система, наречена  "квантова гравитация" - един проблем и мечта на физиката вече 70г.

Вместо котка, Пенроуз използва микроскопичен кристал от 10-15 атома, който се облъчва с лазерни лъчи от кохерентни фотони. На теория фотонът, който е в състояние на суперпозиция, се сблъскват с кристала и леко отмествайки го, също го поставя в състояние на суперпозиция. Остава само да се измери времето, през което кристалът ще бъде в суперпозиция чрез система от огледала и датчици. Според стандартния квантов модел, суперпозицията ще продължи толкова дълго, докогато не й подейства външната среда - в експеримента на Шрьодингер - докато наблюдателят не отвари капака на кутията с котката. Пенроуз очаква суперпозицията на кристал от 15 атоми трябва да бъде унищожена по естествен път или "обективно да се редуцира" за 0,1 секунди.

Практическото решение на техническите проблеми около този експеримент е той да се проведе в космоса на две платформи. В памет на котката на Шрьодингер, Пенроуз решил да нарече експерименталното съоръжение е котешкото име Феликс (FELIX: Free-orbit Experiment with Laser-Interferometry X-rays).

Схема на експеримента FELIX. Илюстрация: Università di Salerno

Експериментът е рискован. "Може да бъда опроверган от експеримента, но не бих се отказал точно от него", признава Пенроуз. "Но това е същността на науката!" С други думи, хипотезата на Пенроуз е проверяема, фашифицируема, т.е. издържа на критерия на Попър за научност.

Позитивистки подход

Много физици позитивисти, представени от Вернер Хайзенберг и Стивън Хокинг, смятат, че вълновата функция не описва реалността в себе си, а само това, което знаем за нея (този подход съвпада с философията на Имануел Кант, на "нещо в себе си", независимо от нашето възприятие). С други думи, квантовите закони са полезни само за изчисляване и предсказване на резултатите от експериментите, но не описват реалността. В този случай, насложените състояния на котката не са "истински" състояния и няма нужда да се философства за тях.

Затова Стивън Хокинг възкликнал веднъж:

Когато чуя на котка на Шрьодингер, ръката ми посяга към пистолета!

Според Хокинг и много други физици, Копенхагенската интерпретация на квантовата механика подчертава ролята на наблюдателя без основание. По същия начин, "колапсът на вълновата функция" няма реалност, а просто описва промяната на знания, които имаме на системата. При този подход, парадоксът е отстранен.

Интерпретация на Еверет за паралелните светове

През 1957г. в сериозното списание по физика "REVIEWS OF MODERN PHYSICS" американският физик Хю Еверет (Hugh Everett III) предлага логично безупречен изход, без никакъв колапс като всяко състояние от суперпозицията остава реално, но в различни светове.

Вселената просто да се разцепва на две, като в едната котката на Шрьодингер е жива, а в другата - мъртва. Този подход позволява да се опишат поотделно две едновременни състояния и дава реалност, две напълно паралелни вселени, които вероятно не могат да общуват помежду си, след като се разделят.

Илюстрация: wikipedia

Теорията на Хю Еверет твърди, че на всеки компонент в суперпозицията съответства отделен свят. Всеки свят има своя квантова система и свой наблюдател. Процесът за измерване е процес на "разцепване" на световете и всеки път, когато се случва квантово събитие, паралелните вселени се размножават и разклоняват. Това означава, че съществуват безброй всякакви Вселени. Ако някаква вселена е прекалено странна, това я прави само по-малко вероятна, но все пак тя ще съществува.

Бихме могли да разгледаме експеримента с двата процепа на Юнг от гледна точка на две различни реалности, в едната от които електронът минава в процеп 1, а в другата, преминава през процеп 2. Когато нашият свят е рекомбинация на двете възможности, двата свята се сливат, за да се превърнат в един отново, произвеждайки интерференция между двата свята. Когато погледнем, за да видим през кой процеп минава електронът, ние правим единия свят реален, докато другият изчезва и така няма интерференция.

Тази теория не се произнася по въпроса дали става дублиране на реалността (много светове) или дублиране на наблюдатели на една и съща реалност, тъй като тези две възможности не се различават функционално.

Доказано е, че това тълкуване води до точно същите прогнози за резултатите като другите интерпретации. Въпреки своята сложност, нарушаване на принципа на Окам и съмнения за нейната фалшифицируемост, тази теория печели подкрепата на много физици, на които не им допада квантовата неопределеност и искат квантовите закони да са точни и пълни.

Теорията на Еверет - надежда за пътуване във времето

Машина на времето от филма "The Time Machine" ©1995 by Rick Halloc.Снимка: snowcrest

Неочаквано, наскоро на теорията на Еверет е вдъхнат нов живот. Екип от оксфордски учени под ръководството на Дейвид Дойч (David Deutsch) прави математическо проучване ("Quantum Theory of Probability and Decisions", 1999), с което смятат, че са доказали теорията за паралелните светове на Еверет.Теорията за паралелните вселени ще избегне основният проблем с идеята за пътуване във времето, предложена за първи път от Курт Гьодел през 1949 г.

Тази идея разпалва въображението на мнозина, но е изправена пред множество противоречия. Примерът с парадокса на убийството на собствения дядо засилва аргументите на скептиците. Ако съществуват обаче паралелни вселени, вече има решение за тези проблеми. Д-р Дойч твърди, че пътуването във времето ще предизвиква промени в различните клонове на реалността. Той добавя, че всеки ще може да отиде в друга вселена, но има още много работа, преди да се осъществи тази мечта.

Теорията на пилотните вълни

Теорията на пилотните вълни е квантова механика със "скрити променливи" ( такава е и интрепретацията на Айнщайн ). Идеята, че пилотните вълни могат да обяснят някои особености на микрочастиците датира от първите дни на квантовата механика. Френският физик Луи дьо Бройл представя най-ранната версия на теорията на пилотните вълни на Солвеевата конференция през 1927 г. в Брюксел, на която започва знаменития спор между Бор и Айнщайн

Илюстрация: math.mit.edu

На тази конференция дьо Бройл призовава колегите си да разгледат вълновите функции като резултат от няколко вълни, които могат или да се проявяват във вид на реални частици или да съществуват сами по себе си като т.н. празни вълни, представени от вълнови функции разпространяващи се в пространството и времето, но не пренасящи енергия или импулс. Наричат ги още призрачни вълни (или "Gespensterfelder" ).

В квантовите системи едновременно се наблюдава и вълновата компонента, и "частицовата" компонента на обекта, но при това няма никаква неопределеност за това, какво всъщност е обекта- вълна или частица или загадъчния колапс на вълновата функция на Копенфагенската интерпретация..

Квантовото състояние се определя от две уравнения: едното описва реална, физическа вълна, а другото описва траекторията на реална, конкретна частица за променливите в това вълново уравнение, сякаш частицата се задвижва от вълната (пилотната вълна).

Илюстрация: quantamagazine

Например, да разгледаме експеримента с двата процепа:  В концепцията на дьо Бройл за пилотната вълна, всеки електрон минава през един от двата процепа, но се влияе от пилотна вълна, която се разделя и преминава през двата процепа. Подобно на плавей в течение, частицата се притегля на места, където се припокриват двата вълнови фронта и не отива там, където те взаимно се гасят.

Дьо Бройл не може да предскаже точното място, където се намира самата частица - също както версията на събитията на Бор, теорията на пилотната вълна прогнозира само статистическото разпределение на резултатите (светлите и тъмни ивици) - но двамата учени тълкуват този недостатък по различен начин - Бор твърди, че частиците имат неопределени траектории, а дьо Бройл твърди, че това е така, защото не може да се измери първоначалната позиция на всяка частица достатъчно добре, за да се определи точно пътя ѝ.

Теорията на пилотната вълна е детерминирана: Бъдещето се развива динамично от миналото, така че, ако точното състояние на всички частици във Вселената са известни в даден миг, техните състояния при всички бъдещи моменти могат да бъдат изчислени.

Но за дълго време детерминистиния подход, губи позиции. Физикът Дейвид Бом  възкресява теорията на пилотната вълна  в модифицирана форма през 1952 г. По-късно, ирландският физик Джон Стюарт Бел представя една теорема, която много физици днес тълкуват като невъзможност на скритите променливи. Но Бел подкрепя теорията на пилотната вълна. През 1986 г. той пише, че теорията на пилотната вълна "толкова естествено и просто разрешава дилемата вълна-частица по такъв ясен и обикновен начин, затова е голяма загадка за мен, че толкова често се пренебрегва."

Пренебрегването продължава. Един век по-късно вероятностната формулировка на квантовата механика е вече стандарт. Старата, детерминирана алтернатива не се споменава в повечето учебници

Пилотните вълни на макро ниво

Системата се състои от течност (силиконово масло), върху която се прилагат акустични трептения с толкова нисък интензитет, че не се образуват вълни на повърхността на водата.

При падане на малки капчици от същата течност върху повърхността скритите вълни се появяват и те започват да контролират движението на частиците. Вълните на повърхността играят ролята на пилотни вълни.

Наскоро теорията на пилотната вълна отново предизвика интерес:

Проучване на поведението на подскачащи капчици течност показва, че концепцията на пилотната вълна е рано да се отхвърли най-малко за някои макроскопични системи.

Подробности са дадени в статия на американски учени от Масачузетския технологичен институт и експерти от Датския технологичен университет в списание Physics of Fluids, както и накратко се описва в EurekAlert с позоваване на Американския институт по физика.

Траекториите на капчица в кръгова ограда, оцветени в различен цвят в зависимост от скоростта. Обърнете внимание на връзката между позиция и скорост, което води в вълноподобни статистики. Илюстрация: math.mit.edu

Чрез промяна на честотата и амплитудата на колебанията, физиците открили, че капчиците могат да се държат по различен начин: в един случай, те скачат с честота, половината от честотата на трептенето на течността, в друг се редуват къси и дълги скокове, а в трети - подскачанията са хаотични.

Например капките изглежда могат да "тунелират" през бариери , да обикалят в тандем в стабилни "сплетени състояния" и имат свойства, аналогични на квантовия спин и електромагнитното отблъскване. Когато се ограничават в кръгли области, наречени corrals (заграждения), те образуват концентрични пръстени, аналогични на  стоящите вълни, генерирани от електроните в квантовата заграждения. Те дори се "анихилират" с подводни мехурчета, в ефект, напомнящ на взаимното унищожение на материя и антиматерия.

Учените продължават да разследват подобни системи за да разберат по какво си приличат с квантовите системи и дали това не e един по-успешен модел, описващ квантовите системи в сравнение с Копенхагенския.

Обобщение

В своя брой от 22-28 януари, 2011г, списание "NewScientist " помества статия за различните интерпретации на квантовата механика и актуалното им състояние. В таблицата по-долу са включени само най-популярните от тях и перспективните.  

През 2004 г., били направени дузина опити за да се определи размитата граница между класическия и квантовия свят. Физици и химици от Австрия, Германия, Швейцария и САЩ успяха да докажат, квантовото поведение на молекули, състоящи се от стотици атоми. Физиците са показали, че дори и молекулни комплекси с повече от хиляда вътрешни степени на свобода могат да бъдат получени в квантово състояние и добре да се изолират от околната среда, за да се избегне декохерентността.

За първи път се наблюдават вълни на дьо Бройл и интерференция на толкова големи обекти - използвани са снопове от фулерени C₆₀ , а тези молекули, заради сложността си, вече може да се считат едва ли не за макрообекти. Но интерференчната картина изчезва, ако фулерените се нагряват с лазерен нагревател (до около 2700^о С) или се сблъскат с газ (изтичане във вакуумната камера на експеримента). Никой не е окончателен отговор за това как удрящите се фотони или молекули превключват между квантовото и класическото поведение. Едно от обясненията е, че взаимодействието води до несигурност в позицията на фулерените и размива интерференчната картина. Друг аргумент твърди, че изчезването на квантовите свойства е причинено от вплитането между фотони, молекули, фулерени, както и с останалата част на света зад стената на камерата.

Илюстрация: nature	Схема: ESA/Brahim Lamine
Някои от тези молекули, напомнят на октопод, а според PhysOrg.com, изследователите са се шегували, че техните фулерени били "по-малкият брат на котката на Шрьодингер".

Доклад от 2007 г. показва, че квантовите ефекти се срещат при обекти, големи колкото фулерени, но не и вируси. Границата изглежда се намира на около 10 пМ .

Последно: Котката на Шрьодингер може да отърве кожата!

Надав Кац (Nadav Katz) от Калифорнийския университет в Санта-Барбара и колегите му са  публикували през 2008г. резултатите си от един вълнуващ, но напълно лабораторен опит.

Учените са успели да "върнат" квантово състояние на частиците обратно! При това, след измерването на самото състояние. Всъщност, това означава, че ​​може да се спаси живота на нещастната котка на Шрьодингер, независимо от условията на колапса на вълновата функция. Дали е жива или мъртва - няма значение. Винаги можем да се върне обратно.

Според теорията за декохерентността, колапсът на вълновата функция не настъпва мигновено. Д-р Кац и неговата група решили да подтвърдят тази възможността да се забави редукцията експериментално като измервали промяната на квантовото състояние на свръхпроводим фазов кюбит.

Нека си спомним за принципа на неопределеността на Хайзенберг: всеки квантов обект се характеризира с координатата Х и импулса P, които не могат едновременно да се измерят точно. Тези променливи се наричат в ​​квантовата механика спрегнати и коя от тях ще изберем за да характеризира квантовото състояние на нашата система е въпрос на удобство. Кюбитът е система, в която броят на частиците е аналогичен на импулса, а фазовата променлива (енергийното състояние) - на координатата. Фазовият кюбит е реализиран за първи път в лабораторията на университета в Делфт (Technische Universiteit Delft) преди няколко години и оттогава е изследван подробно.Квантовият бит или кюбит е най-малкият елемент за съхраняване на информация в квантов компютър.

Илюстрация: nwo.nl

Кюбитът може да има две енергийни състояния - високо и ниско. Американските учени са разработили така схемата му, че да може да бъде в което и да е от тези състояния, което означава по същество да се поддържа в състояние на суперпозиция. Това съответства на състоянието на котката на Шрьодингер - "нито мъртва, нито жива".

Всеки опит да се измери директно енергията би била по класическите представи да се застави кюбита да бъде в едно от двете състояния, т.е. да се предизвика колапс на вълновата функция. Но в този експеримент, те са успели да го избегнат!

"'Номерът е, че може да се измери енергията по един хитър начин косвено" - обяснява ръководителят на изследването.

Американците решили да използват тунелния ефект, когато микрочастица може да премине в другото състояние, а нейната енергия с по-малко от определената бариера, изисквана от законите на класическата физика. По време на експеримента варирали с "височината" на бариерата, така че на устройството да му е трудно да промени фазата (магнитния поток). За да започне прехода от едно ниво на друго, облъчвали установката с микровълнов импулс - "премествайки" на високоенергийния кюбит до по-ниско ниво, както и обратно.

Тъй като момента на фазовия скок се фиксирал от апаратурата - той се придружава от сигнала за колебания на магнитното поле), учените са можели да измерят косвено енергийния състоянието на кюбита. "Това означава, че ние сме в състояние да измерим колапса, като се избягва влиянието на ефекта на наблюдателя" - казва д-р Кац.

Ако се опростят резултатите, това е приблизително еквивалентно на това да отворим капака на кутията и да се уверим, че котката е жива и да затворим капака като я върнем към първоначалното й неопределено състояние.

Отзивите са единодушни - експериментът е определен като "пробив", който може да доведе до преразглеждане на цялата ни система на възприятие на "класическата" реалност: Това откритие може и значително да се улесни разработването на квантовите компютри.

"Сега не можем дори да се кажем, че измерванията формират реалността - защото можем да елиминираме ефектът на измерването и да започнем отново. Квантовият свят стана по-крехък, а реалността е още по-загадъчна" - обобщава Максимилиан Шлосхауър  (Maximilian Schlosshauer) от университета в Мелбърн.

Шеги и закачки с най-прочутата котка

Картинки

Котката на Шрьодингер в такова положение, което е благоприятно за много шеги. Често се представя като призрак (игра на думи с Живите мъртви). Тъй като никога не е била наблюдавана, физиците са изготвили съответната обява: "WANTED!". Някои влагат нов смисъл на поговорката " любопитството уби котката ".

Знаци по Шрьодингер. Може би натам е заминала котката.	"Загубен, последно видян в кутия 1935г.	"Може би да, а може би не, съдържа живо животно"
"Търси се"	"Котката на Шрьодингер може да се намира едновременно в няколко различни състояния"	Гугъл почита Котката.
RSPCA - организация за хуманно отношение към животните
Лайк по Шрьодингерски		Аз оцелях! Майната ти, Шрьодингер!
Икона на нейно свето великомъченичество Котана Шрьодингерова	Много е вероятно котката на Шрьодингер да липсва заради кучето на Павлов	Котката на Шрьодингер оцеля. .. и е много ядосана.

Литература

Котаракът преминава през редица научно-фантастични романи като на Робърт Хайнлайн "Котката, която минава през стени" (The Cat Who Walks Through Walls, 1985), Фредерик Пол "Нашествието на квантовите котки" (The coming of the quantum cats, 1986 ) и много други.

Но писателят, който най-дълбоко е вникнал в сложната котешка природа и съответно квантовата такава е:

Тери Пратчет

В книгата си Вещици в чужбина (Witches Abroad) Тери Пратчет споменава, че ако затвориш котка в кутия, то в тази ситуация котката е :

1. или мъртва
2. или жива
3. или дяволски много ядосана.

В Последният герой (The Last Hero), слугата на Смъртта, Албърт, обяснява, че с вдигането на капака ще се определи дали котката е жива или мъртва. Ето пасажа:

А ето какво мърмори стария магьосник Муструм Ридкъли, Архиканцлер на Невидимия университет в Анкх-Морпорк от романа "Господари и господарки":

А в "Автентичната котка" е описан специалния вид котки - "Котките на Шрьодингер":

Източници:

When gravity meets quantum mechanics: Nonunitary Newtonian Gravity at work in an optomechanical system, Adele Naddeo, Dipartimento di Fisica “E. R. Caianiello”, Università di Salerno and
CNISM, Unità di Ricerca di Salerno
Роджер Пенроуз, Абнер Шимони, Нэнси Картрайт, Стивен Хокинг Большое, малое и человеческий разум
A boost for quantum reality, Eugenie Samuel Reich
Neuroscience, Quantum Space-Time Geometry and Orch OR Theory, Roger Penrose, PhD, OM, FRS 1 , and Stuart Hameroff, MD 2
The Many Worlds Theory Today,  Peter Byrne
Mathematical Proof Of Parallel Universes
Chat de Schrödinger
Molecules, universe-review.ca
Paradosso del gatto di Schrödinger
Кот Шрёдингера, lurkmore
Измерение, декогерентность и шредингеровская кошка, Валентин Юрьевич Ирхин; Михаил Иосифович Кацнельсон;
Космический ящик для Шредингеровского кота, Алексрома
Езикът на квантовата механика, Йордан Георгиев
Физика на невъзможното, Мичио Каку
Миф об особой роли сознания наблюдателя в квантовой механике, А.И. Липкин
Учёные создали крошечных собратьев кота Шрёдингера
Quantum interference of large organic molecules, Stefan Gerlich, Sandra Eibenberger, Mathias Tomandl, Stefan Nimmrichter, Klaus Hornberger, Paul J. Fagan, Jens Tüxen, Marcel Mayor & Markus Arndt
Реинкарнация кота Шрёдингера стала возможной, Алексей Косарев
Reincarnation can save Schrödinger’s cat, Zeeya Merali
Uncollapsing of a quantum state in a superconducting phase qubit, Nadav Katz (Dated: June 22, 2008)
Have We Been Interpreting Quantum Mechanics Wrong This Whole Time?, Natalie Wolchover, Quanta Magazine

Още по темата

17/05/2015

Животът

Докинс: Ние сме граждани на "Средния свят"

07/05/2015

Технологии

IBM прави пробив в квантовите компютри

02/05/2015

Физика

Хуан Малдасена: Илюзията гравитация

23/04/2022

Новини

На 23 април е роден "бащата на квантовата механика" - Макс Планк