Schrödingerova kočka II

rubrika: Populárně naučný koutek


V roce 1801 vyvrátil Thomas Young Newtonovu částicovou teorii světla pokusem, při kterém světlo dopadalo na stínítko se dvěma štěrbinami. Young sledoval interferenční obrazec na dalším stínidle; obrazec se dal správně vysvětlit superpozicí vln. Nyní nás napadne otázka - co když se intenzita světla zeslabí tak, že na dráze je vždy jen jedna 'střela', tedy foton. Jak potom může docházet k interferenci?

Lucifer


Vlny a střely

double-slit.pngPodle Bohra k interferenci dochází, pokud se nikdo nedívá, kterou ze štěrbin foton prošel. Světlo není vlna, ani částice - tyto názvy můžeme objektu přisoudit až po změření jeho vlastností. Podle Schrödingerovy vlnové rovnice světelné fotony procházejí oběma štěrbinami. Přestože foton je jediná částice v tom smyslu, že má určitou hybnost a nedělitelnou energii, jeho poloha je 'rozmazaná' jako vlna, takže má efektivně dvě nezávislé existence, když štěrbinami prochází. Pokud se nesnažíme pozorovat jeho dráhu, pohybuje se zároveň po všech možných drahách.

Můžete si myslet, že to vše je jen jakási hra se slovy, abstraktní myšlenkový experiment, jehož bizarnost zmizí, jakmile jej opravdu provedeme v reálném světě. K Bohrově radosti byste se však přesvědčili, že nemáte pravdu. Dvouštěrbinový experiment se dá také provést s elektrony, i ty vykazují za určitých podmínek vlnové vlastnosti. Experiment, při němž byl na dráze vždy jen jeden elektron, byl proveden až poměrně pozdě, v sedmdesátých letech 20. století. A fungovalo to: přestože byl na dráze jen jeden elektron a tedy by měl podle 'rozumné' úvahy projít vždy jen jednou štěrbinou, série elektronů postupně vysílaných k překážce se dvěma štěrbinami vytvářela na stínidle za ní interferenční vzorek.

Když se ale k uspořádání pokusu přidalo ještě registrační zařízení, jež sledovalo, kterou štěrbinou elektron proletěl, interferenční obrázek zmizel. Jinými slovy, elektron se najednou začal chovat jako částice a ne jako vlna - opět jsme jakoby v říši duchů. To vše se zdá velmi vzdáleno Schrödingerově kočce - mezi elektronem a kočkou je přece jen nějaký rozdíl. Ale následné experimenty demonstrovaly kvantové chování i na objektech složených z více částic. Kvantový dvouštěrbinový experiment byl proveden s fotony, elektrony, atomy i s fullereny - molekulami složenými ze šedesáti atomů uhlíku. Když nebylo sledováno, kterou štěrbinou objekt prolétl, záhadné interferenční efekty nezmizely. Existuje projekt na uskutečnění pokusu s viry, tedy objekty podstatně většími, než jsou fullerenové molekuly.

Není žádný principiální důvod, proč se zastavit na těchto rozměrech - až na neobyčejné experimentální obtíže, jak sledovat interferenci u koček. Jednou ze základních obtíží je, že reálnou kočku vždy vidíme na její dráze. V Schrödingerově myšlenkovém pokusu zůstává komůrka zavřená, nikdo tedy kočku nemůže pozorovat a interference zůstává nenarušená. To vede k zásadní otázce, co je to měření - Bohr se jí vždy vyhýbal. Je to v případě Schrödingerovy kočky otevření komůrky? Nebo až to, když se fotony odrazí od kočky a přinesou nám informaci, zda je mrtvá, či živá? Nebo to, když foton vstoupí do našeho oka? Nebo když se informace dostane k našemu vědomí? Bohrovou odpovědí na tento hlavolam zhruba bylo, že fyzici prostě vědí, kdy měření provedli. Moderní verze Schrödingerova myšlenkového experimentu však vrhly na problém mnoho světla a vysvětlují, proč kočka nemůže být skutečně živá i mrtvá zároveň.

Teď se nedívej!

fullerene_buckyball.gifCelý problém se týká rozhraní mezi 'klasickým světem' naší běžné zkušenosti a kvantovým světem atomů. O tom, kdy se stávají kvantové efekty důležitými, rozhoduje především délka de Broglieovy vlny příslušející danému objektu. Ta závisí na jeho hybnosti - čím větší hybnost, tím menší vlnová délka - a určuje měřítko, na kterém budou kvantové jevy patrné. Fullerenové atomy užité ve dvouštěrbinovém experimentu mají de Broglieovu vlnovou délku asi 10-12, tedy jednu biliontinu metru. Šířka štěrbiny byla asi půlmilionkrát větší. To je sice značný rozdíl, ale ještě ne takový, aby vlnové jevy zmizely. To je stále v linii Bohrova argumentu, že o naměřených charakteristikách rozhoduje volba měřícího přístroje, a poskytuje to hned dva důvody, proč kočka či osoba nemohou být - na rozdíl od fullerenu - na dvou místech současně.

První je praktický. Kdyby se kočka loudala podél zdi rychlostí dejme tomu pár kilometrů za hodinu, měla by de Broglieovu vlnovou délku kolem 10-28 m. Její kvantově vlnové vlastnosti by se projevily jen na měřítkách těchto rozměrů. Takové zařízení ještě nikdo nepostavil, a proto kvantové vlastnosti kočky nemůžeme pozorovat. Každodenní život je v Bohrově schématu experimentální situace, kdy hmotné objekty vykazují pouze své částicové vlastnosti. Druhý důvod, proč jsme 'klasičtí', souvisí s tím, že vysíláme záření. Cokoli, co má teplotu vyšší než absolutní nula, tj. - 273 ºC, vysílá fotony, balíčky energie, které odnášejí teplo. Experimenty ukazují, že toto záření dovolí vyhledat polohu objektu, takže efektivně odhaluje, kterou štěrbinou prošel. Jinými slovy, při teplotě nad absolutní nulou nemůžeme Schrödingerovu kočku v komůrce plně izolovat, což narušuje předpoklady myšlenkového pokusu, jakmile jej převedeme do situace z reálného světa.

Toto bylo experimentálně ověřeno s fullerenovými molekulami na dvouštěrbině. Čím více byly zahřáté, tím více se narušoval interferenční vzorek. Horké molekuly vysílají fotony, jejichž energie je určena teplotou. Vyšší teploty dávají vyšší energie, což odpovídá kratším vlnovým délkám. A čím kratší jsou vlnové délky emitovaného záření, tím přesněji lze určit polohu molekuly, jež je vyslala. Jinými slovy, teplé těleso poskytuje lepší informaci o tom, kterou štěrbinou prošlo.

K podobnému efektu dochází, když se fullerenová molekula sráží na své dráze ke štěrbinám s molekulami vzduchu. Tyto pokusy se sice provádějí ve vakuu, není-li ale vakuum dostatečně vysoké, lze ze srážek vysledovat polohu fullerenu a znovu to vede k zániku interferenčního obrazce. Opět: když se dá zjistit, kterou štěrbinou fulleren prošel, interference se naruší. V částečném vakuu je chování fullerenů podobné situaci, kdy by byla komůrka se Schrödingerovou kočkou pootevřená. Tím by byla kočka uvedena do jednoho z možných stavů, takže by byla buď živá, nebo mrtvá, ale ne obojí současně.

Měření tedy neznamená, že informace musí proniknout až do vědomí - musí jen uniknout ze zkoumaného systému. Vypadá to, že do jednoho ze stavů živá - mrtvá uvede kočku už jen zpráva o jejím zdravotním stavu, která pronikne na veřejnost. Když se jedná o lidi nebo o kočky, informace nutně unikají proto, že naše těla interagují s okolím nespočetně způsoby: vyzařují teplo, narážejí na okolní molekuly vzduchu. Tím je k dispozici informace o naší poloze a to znamená, že nemůžeme být na dvou místech současně. Toto rozrušování informací nazývají vědci 'dekoherencí'. Není to vůbec jednoduchý pojem - možná ukazuje na samou podstatu vesmíru.

Informace a realita

Když dnes fyzikové uvažují o záhadě Schrödingerovy kočky, ptají se, zda odtud neplyne, že tím nejzákladnějším elementem reality je informace. Kvantová teorie napovídá, jak jsme koneckonců demonstrovali na nešťastné Schrödingerově kočce, že vesmír je obrovský procesor zpracovávající informace. A má to i možné technické aplikace. Role informací v kvantové teorii nás vede k těm nejambicióznějším technickým projektům - k supervýkonným procesorům zvaným kvantové počítače.

I kdyby však byly kvantové počítače sebevýkonnější, porozumět tomu, jak může být kočka zároveň živá i mrtvá, nám nepomohou. Přijmout to jako součást reality je pro lidskou mysl příliš odpudivé. Wolfgang Pauli nakonec fyziku neopustil a stal se z něj jeden z nejskvělejších fyziků v dějinách vědy, měl však pravdu - fyziku je opravdu těžké uchopit. Niels Bohr jednou řekl: "Ten, koho kvantová teorie nešokovala, ji nepochopil".

Zdroj: Michael Brooks, Velké otázky: Fyzika


komentářů: 15         



Komentáře (15)


Vložení nového příspěvku
Jméno
E-mail  (není povinné)
Název  (není povinné)
Příspěvek 
PlačícíÚžasnýKřičícíMrkajícíNerozhodnýS vyplazeným jazykemPřekvapenýUsmívající seMlčícíJe na prachySmějící seLíbajícíNevinnýZamračenýŠlápnul vedleRozpačitýOspalýAhojZamilovaný
Kontrolní kód_   

« strana 1 »

Lucifer
15
Lucifer * 17.02.2013, 14:24:01
vito, už jsem to tady rozebíral několikrát, třeba tady

http://www.neviditelnycert.cz/blog/filosoficky-koutek/553-kvantova-duse.html

nebo tady

http://www.neviditelnycert.cz/blog/popularne-naucny-koutek/282-formalismus.html

Přítomnost dalšího elementu v blízkosti dvojštěrbiny bude jistě mít nějaký vliv na chování fotonu prolétajícího touto soustavou. Velikost tohoto vlivu bude souviset s tím, jak moc bude tento element s fotonem interagovat, přesněji řečeno, jak moc změní celkovou interakci soustavy s fotonem. Pokud ten další element nebude nějak výrazně modifikovat geometrické uspořádání soustavy v těsné blízkosti dvojštěrbiny, bude ten efekt zanedbatelný.

Když říkáme, že jsme foton u jedné ze dvou štěrbin pozorovali, myslíme tím, že jsme ho museli nějakým způsobem detekovat, třeba že si tam něčím budeme "svítit". Přítomnost elektronu u té či oné štěrbiny tedy zaznamenáme pouze, že náš detektor s tím fotonem bude výrazně interagovat. Tahle interakce pak vymaže předchozí stav fotonu, který byl dán geometrickým uspořádáním dvojštěrbinové soustavy. V této chvíli foton neprolétl soustavou, ale jednoznačně vylétá z jedné nebo druhé štěrbiny. Znamená to, že předchozí pravděpodobnost, že proletí tou či onou štěrbinou, se změnila na jistotu, že prolétává právě touhle nebo onou štěrbinou. Místo abychom vypouštěli fotony na dvojštěrbinu, vypouštíme je z té či oné štěrbiny a bez ohledu na to, jak je budeme střídat, na stínítku se už nevytvoří interferenční obrazec.

Pouhá přítomnost čehokoli v soustavě, která změní interakci soustavy s fotonem, má na chování fotonu nějaký vliv, přímá detekce fotonu v jedné ze dvou štěrbin má však vliv zásadní. V každém případě to ale neznamená, že by se jeho chování měnilo mezi částicový a vlnovým, pouze výsledek interakce se soustavou se bude lišit. V jednom případě se to dá popsat jako průchod vlny dvojštěrbinou, ve druhém případě to vypadá, jako když z jedné či druhé štěrbiny vylétávají "kuličky". V obou případech se však jedná stále o tentýž foton, ovšem v různém stavu. Částicová a vlnová povaha jsou pouze naše modely, přičemž jednou funguje ten, podruhé onen. Vlna a částice jsou pouze naše makroskopické představy. Jak "vypadá" foton ve skutečnosti, si představit nedokážeme. Umíme však s popsat jeho chování s pomocí kvantové fyziky, přičemž ten popis bude mít vždycky nějaký pravděpodobnostní charakter. Makroskopický výsledek pak v případě dvojštěrbiny bude vypadat jako "vlnový" nebo "částicový" obrazec na stínítku, anebo bude směsí obojího. Jeden kvantově mechanický postup nám osvětlí oba případy. Při použití klasické fyziky bude fungovat buď vlnový, nebo částicový model.

Doufám, že jsem to v té rychlosti nenapsal příliš zmateně. Usmívající se

14 Vi to nekdo?
vita (neregistrovaný) * 17.02.2013, 11:16:46
Mam par otazek na ktere jsem dosud nikde nenasel odpoved. Jedna z nich je tato:
1. K zahadnemu chovani fotonovych castic dochazelo i tehdy, kdyz detektory jejich pohybu nebyly zapojene? Nebo kdyz je nikdo nevyhodnocoval? Jde mi o to zda zmena chovani fotonu byla zpusobena opravdu faktem pozorovani, a nebo pouhou pritomnosti dodatecnych elementu v merici soustave...
Neni pouha pritomnost detektoru pricinou, ktera interreaguje s fotonem a tim zmeni jeho chovani z casticoveho na vlnovou?

honza
13
honza * 06.10.2012, 17:26:23
a ještě k "problémům" s měřením .... lidé žijí jednak ve vjemech, jednak v pojmech ... vjemy jsou ale dvojího druhu ... fysické, které fungují napřímo, jednak ty psychické, v rovině "duše", tedy vjemy, zapříčiněné do světa puštěnými emocemi a pojmy, které si vytvořili jiní lidé o zlomek vteřiny dříve (abstrahuji teď od známé věci, že čas je fikce, používám běžný model světa, slovo čas obsahující) ... máme tedy tady vjemy a vjemy .... to ale člověku nestačí, tak nejsme zařízeni ... na základě vjemů si tvoříme pojmy ... a reagujeme na ně ... tedy žijeme ve světě vjemů, které jsou reakcí na svět vytvořený z pojmů, které si tvoříme na základě vjemů ... bohužel každý vytvořený pojem má nevratné důsledky na svět, který se snažíme nezúčastněně vnímat ...

h
12
h 04.10.2012, 12:49:48
bavíme se v podstatě o tom, že nekonečně velká informace má nenulovou hmotnost ...
což není trivialita (tato moudrost byla na mnoho tisíc let ztracena či opomíjena, oživena až v dvacátém století) a má to dalekosáhlé důsledky ...

Lucifer
11
Lucifer * 04.10.2012, 12:18:59
1/0

My jsme se tady nehádali, pouze polemizovali. Realita je taková, jaká je. Jak ji vidíme my, je také realita, realita našeho vnímání. Mimo realitu jsou pouze ti, kteří se tváří, že vidí něco jiného, než co skuečně vidí, protože jim to kupříkladu nepasuje do jejich "mystického" modelu, protože to nesouhlasí s jejich fundamentálně vybudovanou teorií. V se ve skutečnosti obouval do něčeho, co jsem se mu vlastně ani nepokoušel vyvracet. Vzhledem k tomu, že odkaz u komentáře [3] už z důvodu přechodu NČ na nový server nefunguje, tak ho tady zopakuji. V poznámkách na konci příspěvku je nastíněn můj názor.

http://www.neviditelnycert.cz/blog/popularne-naucny-koutek/666-mohu-jedinym-pohledem-zmenit-vesmir-ii.html

Ve svém oboru se bez pokory nemohu obejít Úžasný

10 0
1/0 (neregistrovaný) 04.10.2012, 10:56:14
Realita je zvláštni pojem =D ktery opet vznikl jen v nasi hlave cili je zcela zkreslena podobne jako u rybicek v kulatem akvariu =) a presto i ony mohou formulovat vědecké zákon,kterými se řidi pohyb vně akvária. U nich by ovsem přimočarý pohyb vypadal zakřivený .I tak mohou ale formulovat zakony ktere by byli universalně platné a umožnili jim předpovidat,jak se budou objekty mimo nádobu pohybovat. Tyto zákonitosti by byli však složitějši než ty naše. nechpu tedy moc vasi debatu o realite =D misto tohoto jste mohli delat plodnějši věci... Pokora by vám možná trochu urovnala myšlenky a možná by jste i za tu dobu něco dokazali =D ale myslim že by bylo komické sledovat 2 rybky jak se hadaji v akvarku o zakonitostech způsobem jako vy Nevinný

9
V (neregistrovaný) 05.12.2011, 20:27:04
"V částečném vakuu je chování fullerenů podobné situaci, kdy by byla komůrka se Schrödingerovou kočkou pootevřená. Tím by byla kočka uvedena do jednoho z možných stavů, takže by byla buď živá, nebo mrtvá, ale ne obojí současně."

Napriklad kdo rozhodl, ze ekvivalentem casticoveho spinu +1/-1 u kocky ma byt mrtva/ziva kocka??

Tady v tom Schrodingerove experimentu je na nas pachan logicky podvod, neco jako kdyz kouzelnik s hbitymi prsty nebo 'hbitou psychologii' (dovede odvest nasi pozornost) dela veci ktere nepostrehneme. Kouzelnictvi s logikou v tom Schrodingerovo pokusu je sice neumyslne, rekl bych nevedome, co se autora toho pokusu tyka, ale i tak jde o kouzelnicky kousek.

Neni divu, ze cele generace tenhle pokus diskutovaly bez vysledku a jedine co z neho kdy vyplynulo byl nekonecny proud mysticismu a vedu to nikam dal neposunulo.

Aby nedoslo k mylce, mluvim tu jen o te Schrodingerove kocce - diskuze o te kocce loudajici se podel zdi je oproti tomu platna a plodna (ovsem az na ty nic nerikajici vyvody co se informaci tyka).
-------------------
Abych se jeste vratil k te citovane pasazi - proc si k pokusu vybrat zrovna zivy objekt, vyzadujici atmosferu pro sve fungovani, proc ne treba porcelanovy hrnicek, nebo prkenko na porcovani masa? Protoze pak Watsone bysme nemeli tak lehce definovany protikladny stav jakou zivy/mrtvy u ziveho predmetu (apropo proc nezacit ten experiment s mrtvou kockou, kdyz se ma udajne jednat o symetricky stav, podobne jako spin nahoru nebo dolu u castic?.

A domniva se tu snad nekdo, ze hrnicek umisteny do temer perfektniho vakua, napriklad do meziplanetarniho, ci mezi-galaktickeho prostoru, existuje ve stavu nejake protikladne existence (v superpozici dvou ci vice stavu) dokud neni jeho skutecna existence (jednoho z tech stavu) navozena merenim, ci nahodnym zasahem meziplanetarne se toulajici castici?

Vazne si nekdo mysli, ze kdyby nebylo dekoherence kvuliva atmosfere, ze by se po svete potulovaly superpozice zivomrtvych kocek!? Kocek, ktere by na spatreni s padesati procentni pravdepodobnosti bud padly mrtve, nebo zustaly zive? -;)

No reknete, neni to vazne prca?

Lucifer
8
Lucifer 05.12.2011, 19:53:45
Schrödingerova kočka je, milý V, pouze takový obrazový fyzikální symbol, do něhož je obrazově zakomponována základní kvantově mechanická myšlenka. Naše oči nejsou schopny spatřit cokoli na kvantové úrovni, ale náš mozek je schopen tomu nějak porozumět a názorně si to vyobrazit. Ať se vám to líbí nebo ne, jedno je podstatné: kvantová fyzika na tomto zobrazujícím pozadí dokázala vyprodukovat technologické zázraky, které skutečně fungují a bez nichž si už dnes skoro nikdo nedovede představit svůj běžný život.

7 Co se te kocky tyka
V (neregistrovaný) 05.12.2011, 19:34:48
tak tam je velky rozdil mezi Schrodingerovou kockou a tou kockou 'loudající se podél zdi'.

Ta Schrodingerova fungovala jen jako 'extenze' kvantoveho efektu do naseho makroskopickeho sveta, kdezto ta kocka loudajici se podel zdi je kocka brana jako kvantovy objekt jako takovy - jako ty fullerenove atomy. Rekl bych, ze je v tom velky rozdil.

Schrodingerova kocka je a vzdy byla jen lihen pusteho mysticismu, k nicemu jinemu ten priklad nikdy neslouzil, kdezto ta diskuze o kocce coby makroskopicka atomova soustava loudajici se podel zdi je platna vedecka diskuze. Bohuzel to tu neni takto vubec rozlisene.

Lucifer
6
Lucifer 05.12.2011, 19:29:12
Mám takový nezbytný pocit, milý V, že se vám podařilo velmi excelentně uniknout z reality. Velmi by se mi líbilo, kdyby se na Čertovi mohl objevit nějaký hutný příspěvek z vašeho excelentního úniku.

A propos, vážně už netuším, jak vám tu realitu ještě přiblížit, ale vězte, že já v ní velmi zakořeněně žiji a stupidní slovíčkaření ze své přírodní podstaty totálně ignoruji.

Přeji hezkou cestu do naprosté izolace.

http://lucifer.bloguje.cz/img/neviditelny_certik.gif

5 tam melo byt 'pozorovatelich'
V (neregistrovaný) 05.12.2011, 19:18:31
nikoli 'pozorovatelych', ve druhem odstavci.

4 Uniknuti
V (neregistrovaný) 05.12.2011, 19:14:55
jak ho tu pouzivate je jen takove slovickareni abyste podporil svoji oblibenou informacni teorii.


Muzeme cely experiment uzavrit jako izolovany system (ze ktereho nic relevantniho k tomuto experimentu neunikne) do nejake krabice a pokud tam dojde detekci nejakeho detektoru k lokalizaci castice letici k dvojite skvire, tak interference zmizi. Vsechny ty reci o pozorovatelych, vedomi, uniku, informacich atd atd je jen krasodussky mysticismus.

-----------

"...ptají se, zda odtud neplyne, že tím nejzákladnějším elementem reality je informace."
---
Realita od sameho sveho nazvu je 'realna', cili pekne Cesky opravdova. Informace je abstraktni pojem vznikly v lidske mysli a existuje jen v ni, tedy neni 'opravdovy' v existencialnim smyslu.

Vsechny tyhle reci o informacich slouzi jen k pohrbeni vedy a nicemu jinemu. Slouzi jako unikova cesticka tem, kteri jako vedci selhali (jsou vedecky impotentni a vi to, nebo to aspon tusi) a v techto mystickych vseobjimajicich recech nalezaji novou seberealizaci, zdani uspechu. Ale stejne jako vsechny ty vychodni mysticismy to nikam nikdy nepovede, je to slepa ulicka, dukladne nevedecka dluzno dodat.

Poustevnik porostly mechem a spinou muze napriklad stokrat rikat, "ja, ci my to uz davno rikali, ze vsechno vychazi z jedne podstaty", ale unika mu, ze ty jeho vedomosti byly a jsou nepouzitelne, zatimco vedci ziji v modernich bytech s toaletami atd., a vypousti rakety k planetam atd., zatimco ti tak moudri vychodni mudrci co vsechnu moudrost spolkli a vsechno davno vedeli sedi a budou sedet na svych hovnech v mechovych jeskynich. Takova je hruba realita, neni to jen informace.

Lucifer
3
Lucifer 05.12.2011, 09:57:06
Kupříkladu tady (viz Poznámky)

http://lucifer.bloguje.cz/908241-mohu-jedinym-pohledem-zmenit-vesmir-ii.php

Lucifer
2
Lucifer 05.12.2011, 00:59:44
[1] A tím pádem unikne.

V, ale o tomhle jsem už tady podrobně referoval i z vlastní ruky. Najděte si to. Dobrou noc.

První ovečka, druhá ovečka, třetí ovečka...

http://lucifer.bloguje.cz/img/neviditelny_certik.gif

1
V (neregistrovaný) 05.12.2011, 00:50:31
"Měření tedy neznamená, že informace musí proniknout až do vědomí – musí jen uniknout ze zkoumaného systému."

Nemusi vubec 'uniknout', staci ze dojde k jakekoli 'interferenci' s okolim (ktere zapricini ze se nase castice lokalizuje) a interference na detektoru, o ktere je tu rec, zmizi.

«     1     »