Опыт шредингера с котом. Применение квантовой механики

«Любой, кто не шокирован квантовой теорией , не понимает её», - так сказал Нильс Бор, основатель квантовой теории.
Основа классической физики - однозначная запрограммированность мира, иначе лапласовский детерминизм, с появлением квантовой механики сменилась вторжением мира неопределенностей и вероятностных событий. И здесь, как нельзя кстати, оказались для физиков-теоретиков мысленные эксперименты. Это были пробные камни, на которых проверялись новейшие идеи.

«Кот Шрёдингера»- это мысленный эксперимент , предложенный Эрвином Шрёдингером, которым он хотел показать неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к системам макроскопическим.

В закрытый ящик помещён кот. В ящике есть механизм, содержащий радиоактивное ядро, и ёмкость с ядовитым газом. Вероятность того, что ядро распадётся за 1 час, составляет 1/2. Если ядро распадается, оно приводит механизм в действие, он открывает ёмкость с газом, и кот умирает. Согласно квантовой механике, если над ядром не производится наблюдение, то его состояние описывается суперпозицией (смешением) двух состояний - распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике, и жив, и мёртв одновременно. Если же ящик открыть, то экспериментатор может увидеть только какое-нибудь одно конкретное состояние - «ядро распалось, кот мёртв» или «ядро не распалось, кот жив».

Когда же система перестаёт существовать как смешение двух состояний и выбирает одно конкретное?

Цель эксперимента - показать, что квантовая механика неполна без некоторых правил, указывающих, при каких условиях происходит коллапс волновой функции (мгновенное изменение квантового состояния объекта, происходящее при измерении), и кот либо становится мёртвым, либо остаётся живым, но перестаёт быть смешением того и другого.

Поскольку ясно, что кот обязательно должен быть либо живым, либо мёртвым (не существует состояния, промежуточного между жизнью и смертью), то означает, что это верно и для атомного ядра. Оно обязательно будет либо распавшимся, либо нераспавшимся.

Статья Шредингера «Текущая ситуация в квантовой механике» с представлением мысленного эксперимента с котом вышла в немецком журнале «Естественные науки» в 1935 году с целью обсуждения ЭПР-парадокса.

Статьи Эйнштейна-Подольского-Розена и Шредингера обозначили странную природу «квантовой запутанности» (термин введен Шредингером), характерной для квантовых состояний, являющихся суперпозицией состояний двух систем (например, двух субатомных частиц).

Толкования квантовой механики

За время существования квантовой механики учеными были выдвинуты разные ее толкования, но наиболее поддерживаемые из всех на сегодня являются «копенгагенская» и «многомировая».

«Копенгагенская интерпретация» - это толкование квантовой механики сформулировали Нильс Бор и Вернер Гейзенберг во время совместной работы в Копенгагене (1927г.). Ученые попытались ответить на вопросы, возникающие вследствие свойственного квантовой механике корпускулярно-волнового дуализма, в частности на вопрос об измерении.

В копенгагенской интерпретации система перестаёт быть смешением состояний и выбирает одно из них в тот момент, когда происходит наблюдение. Эксперимент с котом показывает, что в этой интерпретации природа этого самого наблюдения - измерения - определена недостаточно. Некоторые полагают, что опыт говорит о том, что до тех пор, пока ящик закрыт, система находится в обоих состояниях одновременно, в суперпозиции состояний «распавшееся ядро, мёртвый кот» и «нераспавшееся ядро, живой кот», а когда ящик открывают, то только тогда происходит коллапс волновой функции до одного из вариантов. Другие догадываются, что «наблюдение» происходит, когда частица из ядра попадает в детектор; однако (и это ключевой момент мысленного эксперимента) в копенгагенской интерпретации нет чёткого правила, которое говорит, когда это происходит, и потому эта интерпретация неполна до тех пор, пока такое правило в неё не введено, или не сказано, как его можно ввести. Точное правило таково: случайность появляется в том месте, где в первый раз используется классическое приближение.

Таким образом, мы можем опираться на следующий подход: в макроскопических системах мы не наблюдаем квантовых явлений (кроме явления сверхтекучести и сверхпроводимости); поэтому, если мы накладываем макроскопическую волновую функцию на квантовое состояние, мы из опыта должны заключить, что суперпозиция разрушается. И хотя не совсем ясно, что́ значит, что нечто является «макроскопическим» вообще, про кота точно известно, что он является макроскопическим объектом. Таким образом, копенгагенская интерпретация не считает, что до открытия ящика кот находится в состоянии смешения живого и мёртвого.

В « многомировой интерпретации» квантовой механики, не считающей процесс измерения чем-то особенным, оба состояния кота существуют, но декогерируют, т.е. происходит процесс, при котором квантово-механическая система взаимодействует с окружающей средой и приобретает информацию, имеющуюся в окружающей среде, или иначе, « запутывается» с окружающей средой. И когда наблюдатель открывает ящик, он запутывается с котом и от этого образуются два состояния наблюдателя, соответствующие живому и мёртвому коту, и эти состояния не взаимодействуют друг с другом. Тот же механизм квантовой декогеренции важен и для «совместных» историй. В этой интерпретации только «мёртвый кот» или «живой кот» могут быть в «совместной истории.

Другими словами, когда ящик открывается, Вселенная расщепляется на две разные вселенные, в одной из которых наблюдатель смотрит на ящик с мёртвым котом, а в другой - наблюдатель смотрит на живого кота.

Парадокс "друга Вигнера"

Парадокс друга Вигнера – это усложнённый эксперимент парадокса «кота Шрёдингера». Лауреат Нобелевской премии, американский физик Юджин Вигнер ввел категорию «друзей». После завершения опыта экспериментатор открывает коробку и видит живого кота. Состояние кота в момент открытия коробки переходит в состояние «ядро не распалось, кот жив». Таким образом, в лаборатории кот признан живым. За пределами лаборатории находится «друг». Друг еще не знает, жив кот или мёртв. Друг признает кота живым только тогда, когда экспериментатор сообщит ему исход эксперимента. Но все остальные «друзья» еще не признали кота живым, и признают только тогда, когда им сообщат результат эксперимента. Таким образом, кота можно признать полностью живым только тогда, когда все люди во Вселенной узнают результат эксперимента. До этого момента в масштабе Большой Вселенной кот остается полуживым и полумёртвым одновременно.

Вышеописанное применяется на практике: в квантовых вычислениях и в квантовой криптографии. По волоконно-оптическому кабелю пересылается световой сигнал, находящийся в суперпозиции двух состояний. Если злоумышленники подключатся к кабелю где-то посередине и сделают там отвод сигнала, чтобы подслушивать передаваемую информацию, то это схлопнет волновую функцию (с точки зрения копенгагенской интерпретации будет произведено наблюдение) и свет перейдёт в одно из состояний. Проведя статистические пробы света на приёмном конце кабеля, можно будет обнаружить, находится ли свет в суперпозиции состояний или над ним уже произведено наблюдение и передача в другой пункт. Это делает возможным создание средств связи, которые исключают незаметный перехват сигнала и подслушивание.

Эксперимент (который в принципе может быть выполнен, хотя работающие системы квантовой криптографии, способные передавать большие объёмы информации, ещё не созданы) также показывает, что «наблюдение» в копенгагенской интерпретации не имеет отношения к сознанию наблюдателя, поскольку в данном случае к изменению статистики на конце кабеля приводит совершенно неодушевлённое ответвление провода.

А в квантовых вычислениях состоянием «шредингеровского кота» называется особое запутанное состояние кубитов, при котором они все находятся в одинаковой суперпозиции всех нулей или единиц.

( «Кубит» - это наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере. Он допускает два собственных состояния, но при этом может находиться и в их суперпозиции. При любом измерении состояния кубита он случайно переходит в одно из своих собственных состояний.)

В реалиях! Малый брат «кота Шрёдингера»

Прошло уже 75 лет с тех пор, как появился «кот Шредингера», но до сих пор некоторые из следствий квантовой физики кажутся расходящимися с нашими обыденными представлениями о веществе и его свойствах. Согласно законам квантовой механики должно быть возможным создание такого состояния «кота», когда он будет одновременно и жив, и мёртв, т.е. будет находиться в состоянии квантовой суперпозиции двух состояний. Однако на практике создание квантовой суперпозиции такого большого количества атомов пока не удаётся. Трудностью является то, что чем больше атомов находиться в суперпозиции, тем менее устойчиво это состояние, поскольку внешние воздействия стремятся его разрушить.

Физикам из Венского университета (публикация в журнале «Nature Communications », 2011г.) впервые в мире удалось продемонстрировать квантовое поведение органической молекулы, состоящей из 430 атомов и находящейся в состоянии квантовой суперпозиции. Полученная экспериментаторами молекула больше похожа на осьминога. Размер молекул составляет порядка 60 ангстрем, а длина волны де Бройля для молекулы составляла всего 1 пикометр. Такой «молекулярный осьминог» оказался способным продемонстрировать свойства, присущие коту Шрёдингера.

Квантовое самоубийство

Квантовое самоубийство - мысленный эксперимент в квантовой механике, который был предложен независимо друг от друга Г. Моравеком и Б. Маршалом, а в 1998 году был расширен космологом Максом Тегмарком. Этот мысленный эксперимент, являясь модификацией мысленного эксперимента с котом Шрёдингера, наглядно показывает разницу между двумя интерпретациями квантовой механики: копенгагенской интерпретацией и многомировой интерпретацией Эверетта.

Фактически эксперимент представляет собой эксперимент с котом Шрёдингера с точки зрения кота.

В предложенном эксперименте на участника направлено ружьё, которое стреляет или не стреляет в зависимости от распада какого-либо радиоактивного атома. Вероятность, что в результате эксперимента ружьё выстрелит и участник умрёт, составляет 50 %. Если копенгагенская интерпретация верна, то ружьё в конечном итоге выстрелит, и участник умрёт.
Если же верна многомировая интерпретация Эверетта, то в результате каждого проведенного эксперимента вселенная расщепляется на две вселенных, в одной из которых участник остается жив, а в другой погибает. В мирах, где участник умирает, он перестает существовать. Напротив, с точки зрения неумершего участника, эксперимент будет продолжаться, не приводя к исчезновению участника. Это происходит потому, что в любом ответвлении участник способен наблюдать результат эксперимента лишь в том мире, в котором он выживает. И если многомировая интерпретация верна, то участник может заметить, что он никогда не погибнет в ходе эксперимента.

Участник никогда не сможет рассказать об этих результатах, так как с точки зрения стороннего наблюдателя, вероятность исхода эксперимента будет одинаковой и в многомировой, и в копенгагенской интерпретациях.

Квантовое бессмертие

Квантовое бессмертие - мысленный эксперимент, вытекающий из мысленного эксперимента с квантовым самоубийством и утверждающий, что согласно многомировой интерпретации квантовой механики существа, имеющие способность к самосознанию, бессмертны.

Представим, что участник эксперимента взрывает ядерную бомбу вблизи себя. Практически во всех параллельных Вселенных ядерный взрыв уничтожит участника. Но, несмотря на это, должно существовать небольшое множество альтернативных Вселенных, в которых участник каким-либо образом выживает (то есть Вселенных, в которых возможно развитие потенциального сценария спасения). Идея квантового бессмертия состоит в том, что участник остаётся в живых, и тем самым способен воспринимать окружающую реальность, по меньшей мере в одной из Вселенных в множестве, пусть даже количество таких вселенных чрезвычайно мало в сравнении с количеством всех возможных Вселенных. Таким образом, со временем участник обнаружит, что он может жить вечно. Некоторые параллели с этим умозаключением могут быть найдены в концепции антропного принципа.

Другой пример вытекает из идеи квантового самоубийства. В этом мысленном эксперименте участник направляет на себя ружьё, которое может либо выстрелить, либо нет в зависимости от результата распада какого-либо радиоактивного атома. Вероятность, что в результате эксперимента ружьё выстрелит и участник умрёт, составляет 50 %. Если Копенгагенская интерпретация верна, то ружьё в конечном итоге выстрелит, и участник умрёт.

Если же верна многомировая интерпретация Эверетта, то в результате каждого проведённого эксперимента вселенная расщепляется на две вселенных, в одной из которых участник остается жив, а в другой погибает. В мирах, где участник умирает, он перестает существовать. Напротив, с точки зрения не умершего участника, эксперимент будет продолжаться, не приводя к исчезновению участника, так как после каждого расщепления вселенных он будет способен осознавать себя только в тех вселенных, где он выжил. Таким образом, если многомировая интерпретация Эверетта верна, то участник может заметить, что он никогда не погибнет в ходе эксперимента, тем самым «доказывая» свое бессмертие, по крайней мере с его точки зрения.

Сторонники квантового бессмертия указывают на то, что эта теория не противоречит никаким известным законам физики (эта позиция далека от единодушного признания в научном мире). В своих рассуждениях они опираются на следующие два спорных допущения:
- верна многомировая интерпретация Эверетта, а не Копенгагенская интерпретация, так как последняя отрицает существование параллельных вселенных;
- все возможные сценарии, в которых в ходе эксперимента участник может умереть, содержат по крайней мере малое подмножество сценариев, где участник остаётся в живых.

Возможным аргументом против теории квантового бессмертия может быть то, что второе допущение не обязательно следует из многомировой интерпретации Эверетта, и оно может вступать в противоречие с законами физики, которые, как считается, распространяются на все возможные реальности. Многомировая интерпретация квантовой физики необязательно предполагает, что «всё возможно». Она лишь указывает на то, что в определённый момент времени вселенная может разделиться на некоторое число других, каждая из которых будет соответствовать одному из множества всех возможных исходов. К примеру, считается, что второе начало термодинамики справедливо для всех вероятных вселенных. Это означает, что теоретически существование этого закона препятствует образованию параллельных вселенных, где он нарушался бы. Следствием этого может быть достижение с точки зрения экспериментатора такого состояния реальности, где его дальнейшее выживание становится невозможным, так как это потребовало бы нарушения закона физики, который, по высказанному ранее допущению справедлив для всех возможных реальностей.

Например, при взрыве ядерной бомбы, описанном выше, достаточно трудно описать правдоподобный сценарий, не нарушающий основных биологических принципов, в котором участник останется в живых. Живые клетки просто-напросто не могут существовать при температурах, достигаемых в центре ядерного взрыва. Для того чтобы теория квантового бессмертия осталась справедливой, необходимо, чтобы либо произошла осечка (и тем самым не произошло ядерного взрыва), либо случилось какое-либо событие, которое основывалось бы на пока неоткрытых или недоказанных законах физики. Другим аргументом против обсуждаемой теории может служить наличие у всех существ естественной биологической смерти, которую невозможно избежать ни в одной из параллельных Вселенных (по крайней мере, на данном этапе развития науки)

С другой стороны, второе начало термодинамики является статистическим законом, и ничему не противоречит возникновение флуктуации (например, появление области с условиями, подходящими для жизни наблюдателя во вселенной, в целом достигшей состояния тепловой смерти; или в принципе возможное движение всех частиц, возникших в результате ядерного взрыва, таким образом, что каждая из них пролетит мимо наблюдателя), хотя такая флуктуация возникнет лишь в крайне малой части из всех возможных исходов. Аргумент, относящийся к неизбежности биологической смерти, также может быть опровергнут на основании вероятностных соображений. Для каждого живого организма в данный момент времени существует ненулевая вероятность, что он останется жив в течение следующей секунды. Таким образом, вероятность того, что он останется жив в течение следующего миллиарда лет, также отлична от нуля (поскольку является произведением большого числа ненулевых сомножителей), хотя и очень мала.

В идее квантового бессмертия проблемно то, что согласно ей самосознающее существо будет «вынуждено» переживать чрезвычайно маловероятные события, которые будут возникать в ситуациях, при которых участник, казалось бы, должен погибнуть. Даже несмотря на то, что во многих параллельных вселенных участник умирает, те немногие вселенные, которые участник способен субъективно воспринимать, будут развиваться по крайне маловероятному сценарию. Это в свою очередь может в некотором роде вызвать нарушение принципа причинности, природа которого в квантовой физике еще недостаточно ясна.

Хотя идея квантового бессмертия вытекает большей частью из эксперимента с «квантовым самоубийством», Тегмарк утверждает, что при любых нормальных условиях всякое мыслящее существо перед смертью проходит через этап (от нескольких секунд до нескольких лет)уменьшения уровня самосознания, никак не связанный с квантовой механикой, и у участника нет никакой возможности для продолжительного существования посредством перехода из одного мира в другой, дающий ему возможность выжить.

Здесь сознающий себя разумный наблюдатель лишь в относительно малом числе возможных состояний, при которых он сохраняет самосознание, продолжает оставаться в, так сказать, «здоровом теле». Возможность того, что наблюдатель, сохранив сознание, останется искалеченным, значительно больше, чем если он останется цел и невредим. Любая система (в том числе живой организм) имеет гораздо больше возможностей функционировать неправильно, чем оставаться в идеальной форме. Эргодическая гипотеза Больцмана требует, чтобы бессмертный наблюдатель рано или поздно прошёл все состояния, совместимые с сохранением сознания, в том числе и те, в которых он будет ощущать непереносимые страдания, - и таких состояний будет значительно больше, чем состояний оптимального функционирования организма. Таким образом, как считает философ Дэвид Льюис, нам следовало бы надеяться, что многомировая интерпретация неверна.

Недавно вышедшая на известном научном портале "ПостНаука" авторская статья Эмиля Ахмедова о причинах возникновения знаменитого парадокса, а также о том, чем он не является.

Физик Эмиль Ахмедов о вероятностной интерпретации, замкнутых квантовых системах и формулировке парадокса.

На мой взгляд, наиболее и психологически, и философски, и во многих других отношениях сложной частью квантовой механики является ее вероятностная интерпретация. С вероятностной интерпретацией спорили многие люди. Например, Эйнштейн, наряду с Подольским и Розеном, придумал парадокс, опровергающий вероятностную интерпретацию.

Помимо них с вероятностной интерпретацией квантовой механики спорил также и Шредингер. В качестве логического противоречия вероятностной интерпретации квантовой механики Шредингер придумал так называемый парадокс кота Шредингера. Он может по-разному формулироваться, например так: скажем, у вас есть коробка, в которой сидит кот, и к этой коробке подсоединен баллон со смертельным газом. К включателю этого баллона, который впускает или не впускает смертельный газ, подключен какой-то прибор, работающий следующим образом: есть поляризующее стекло, и если проходящий фотон нужной поляризации, то баллон включается, газ поступает к коту; если фотон не той поляризации, то баллон не включается, ключ не включается, баллон не впускает газ к коту.

Допустим, фотон циркулярно поляризован, а прибор реагирует на линейную поляризацию. Это может быть не понятно, но это не очень важно. С какой-то вероятностью фотон будет поляризован одним образом, с какой-то вероятностью - другим. Шредингер говорил: получается такая ситуация, что в какой-то момент, пока мы не открыли крышку и не посмотрели, мертв кот или жив (а система замкнута), кот с какой-то вероятностью будет живым и с какой-то вероятностью будет мертвым. Может быть, я небрежно формулирую парадокс, но в итоге получается странная ситуация, что кот не жив и не мертв. Так формулируется парадокс.

На мой взгляд, этот парадокс имеет совершенно четкое и ясное объяснение. Возможно, это моя личная точка зрения, но попробую объяснить. Основным свойством квантовой механики является следующее: если описывать замкнутую систему, то квантовая механика - это не что иное, как волновая механика, механика волн. Это значит, что она описывается дифференциальными уравнениями, решениями которых являются волны. Там, где есть волны и дифференциальные уравнения, есть и матрицы и так далее. Это два эквивалентных описания: матричное описание и волновое описание. Матричное описание принадлежит Гейзенбергу, волновое - Шредингеру, но описывают они одну и ту же ситуацию.

Важно следующее: пока система является замкнутой, она описывается волновым уравнением, и то, что происходит с этой волной, описывается при помощи какого-то волнового уравнения. Вся вероятностная интерпретация квантовой механики возникает после того, как систему размыкают - на нее воздействуют снаружи каким-то большим классическим, то есть неквантовым, объектом. В момент воздействия она перестает уже описываться этим волновым уравнением. Возникает так называемая редукция волновой функции и вероятностная интерпретация. До момента размыкания система эволюционирует в соответствии с волновым уравнением.

Теперь нужно сделать несколько замечаний по поводу того, чем отличается большая классическая система от маленькой квантовой. Вообще говоря, и большую классическую систему можно описывать при помощи волнового уравнения, хотя это описание, как правило, трудно предоставить, а реально оно совершенно не нужно. Эти системы математически различаются действием. Так называемый объект есть в квантовой механике, в теории поля. Для классической большой системы действие огромное, а для квантовой маленькой системы действие маленькое. Более того, и градиент этого действия - скорость изменения этого действия во времени и пространстве - для большой классической системы огромный, а для маленькой квантовой - маленький. Это основное различие двух систем. Из-за того что действие очень большое для классической системы, ее удобнее описывать не какими-то волновыми уравнениями, а просто классическими законами вроде закона Ньютона и так далее. Например, по этой причине Луна вокруг Земли вращается не как электрон вокруг ядра атома, а по определенной, четко заданной орбите, по классической орбите, траектории. В то время как электрон, являясь маленькой квантовой системой, внутри атома вокруг ядра движется как стоячая волна, его движение описывается стоячей волной, и в этом различие двух ситуаций.

Измерение в квантовой механике - это когда вы большой классической системой воздействуете на маленькую квантовую. После этого происходит редукция волновой функции. На мой взгляд, присутствие баллона или кота в парадоксе Шредингера - это то же самое, что и наличие большой классической системы, которая измеряет поляризацию фотона. Соответственно, измерение происходит не в тот момент, когда мы открываем крышку ящика и смотрим, жив кот или мертв, а в тот момент, когда происходит взаимодействие фотона с поляризационным стеклом. Таким образом, в этот момент происходит редукция волновой функции фотона, баллон оказывается в совершенно определенном состоянии: либо он открывается, либо он не открывается, и кот умирает или не умирает. Всё. Никаких «вероятностных котов», что он с какой-то вероятностью жив, с какой-то вероятностью мертв, нет. Когда я говорил о том, что у парадокса кота Шредингера есть много разных формулировок, я лишь говорил, что есть много разных способов придумать тот прибор, который умерщвляет или оставляет живым кота. По сути формулировка парадокса не меняется.

Я слышал и о других попытках объяснения этого парадокса при помощи множественности миров и так далее. На мой взгляд, все эти объяснения не выдерживают критики. То, что я объяснил в течение этого ролика словами, можно облечь в математическую форму и проверить верность этого утверждения. Еще раз подчеркиваю, что, на мой взгляд, измерение и редукция волновой функции маленькой квантовой системы происходит в момент взаимодействия с большой классической системой. Такой большой классической системой является кот вместе с прибором, умерщвляющим его, а не человек, который открывает коробку с котом и смотрит, жив кот или нет. То есть измерение происходит в момент взаимодействия этой системы с квантовой частицей, а не в момент проверки кота. Подобные парадоксы, на мой взгляд, находят объяснения из применения теорий и здравого смысла.

Суть самого эксперимента

В оригинальной статье Шрёдингера эксперимент описан так:

Можно построить и случаи, в которых довольно бурлеска. Некий кот заперт в стальной камере вместе со следующей адской машиной (которая должна быть защищена от прямого вмешательства кота): внутри счётчика Гейгера находится крохотное количество радиоактивного вещества, столь небольшое, что в течение часа может распасться только один атом, но с такой же вероятностью может и не распасться; если же это случится, считывающая трубка разряжается и срабатывает реле, спускающее молот, который разбивает колбочку с синильной кислотой. Если на час предоставить всю эту систему самой себе, то можно сказать, что кот будет жив по истечении этого времени, коль скоро распада атома не произойдёт. Первый же распад атома отравил бы кота. Пси-функция системы в целом будет выражать это, смешивая в себе или размазывая живого и мёртвого кота (простите за выражение) в равных долях. Типичным в подобных случаях является то, что неопределённость, первоначально ограниченная атомным миром, преобразуется в макроскопическую неопределённость, которая может быть устранена путём прямого наблюдения. Это мешает нам наивно принять «модель размытия» как отражающую действительность. Само по себе это не означает ничего неясного или противоречивого. Есть разница между нечётким или расфокусированным фото и снимком облаков или тумана. Согласно квантовой механике, если над ядром не производится наблюдение, то его состояние описывается суперпозицией (смешением) двух состояний - распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике, и жив, и мёртв одновременно. Если же ящик открыть, то экспериментатор может увидеть только какое-нибудь одно конкретное состояние - «ядро распалось, кот мёртв» или «ядро не распалось, кот жив». Вопрос стоит так: когда система перестаёт существовать как смешение двух состояний и выбирает одно конкретное? Цель эксперимента - показать, что квантовая механика неполна без некоторых правил, которые указывают, при каких условиях происходит коллапс волновой функции, и кот либо становится мёртвым, либо остаётся живым, но перестаёт быть смешением того и другого.

Поскольку ясно, что кот обязательно должен быть либо живым, либо мёртвым (не существует состояния, сочетающего жизнь и смерть), то это будет аналогично и для атомного ядра. Оно обязательно должно быть либо распавшимся, либо нераспавшимся.

Оригинальная статья вышла в 1935 году. Целью статьи было обсуждение парадокса Эйнштейна - Подольского - Розена (ЭПР), опубликованного Эйнштейном, Подольским и Розеном ранее в том же году

Кот Шрёдингера – самый загадочный из всех котиков, котов, кошек, котеек, которых так обожает человечество. Вирусные видео «с котиками» разлетаются по Всемирной паутине с миллионами ежедневных просмотров, а изображения милых котят на рекламных билбордах способны заставить нас купить любой товар. На поприще популяризации науки тоже есть свои усатые-полосатые герои. Точнее, один - кот Шрёдингера. Наверняка вы о нем слышали, даже если не занимаетесь вопросами квантовой механики. Так почему почти сотню лет знаменитый кот не дает покоя физикам и лирикам, а также становится одним из наиболее любопытных объектов современной массовой культуры?

Кот Шрёдингера как метафора

Как это парадоксально ни звучит, но австрийский физик-теоретик и обладатель Нобелевской премии Эрвин Шрёдингер является «отцом» самого таинственного кота, а не хозяином. Ведь кот Шрёдингера - это мысленный эксперимент, теоретический парадокс и действительно потрясающая метафора для описания квантовой суперпозиции.

А был ли котик?

Вопрос «А был ли у Шрёдингера кот?» до сих пор остается открытым. Хотя, если верить ряду источников, в одном из ранних изданий Physics Today есть фотография ученого с его домашним котом Мильтоном. С другой стороны, в оригинальном тексте статьи 1935 г., где Эрвин Шрёдингер описал свой гипотетический эксперимент, и вовсе значится не кот, а кошка (die Katze). Почему главным персонажем своей концепции физик выбрал именно представителя кошачьих? Как же кошка превратилась в кота? Этим вопросам, похоже, суждено остаться риторическими.

Кот Шрёдингера мертв с вероятностью 50%

Однако если источником вдохновения для исследователя все-таки послужил его личный питомец, то, видимо, поводом к этому стала разбитая котом ваза или испорченные обои. Потому как главное, что кот Шрёдингера делает в ходе эксперимента, так это находится запертым в стальном ящике и… умирает. Правда, с вероятностью в 50%. А точнее, кроме бедного животного внутрь бокса помещен специальный механизм, содержащий радиоактивное ядро и емкость с ядовитым газом. Если ядро распадается, то механизм срабатывает, и от выпущенного газа кот погибает. Если не срабатывает - живет. Но узнать его судьбу может только наблюдатель, открывший ящик. До тех пор кот одновременно жив и мертв.

Без кота квантовая механика не та

Вся эта парадоксальная на первый взгляд ситуация наглядно иллюстрирует одно из положений квантовой механики. Согласно ему, атомное ядро находится одновременно во всех возможных состояниях: распада и не распада. Если над атомом не производится наблюдение, то его состояние описывается смешением этих двух характеристик. Поэтому кот, читай - ядро атома, и жив, и мертв. А это попросту невозможно. Значит, квантовой механике недостает некоторых правил, определяющих условия, при которых судьба кота однозначно ясна.

Кот Шрёдингра: разновидности

Не удивительно, что смысл происходящего с мифическим котом в стальной коробке имеет несколько интерпретаций.

• копенгагенская разновидность

Есть копенгагенская интерпретация квантовой механики, авторами которой являются Нильс Бор и Вернер Гейзенберг. Согласно ей, кот остается и в том, и в другом состоянии вне зависимости от наблюдателя. Ведь решающий момент происходит не тогда, когда открывается ящик, а когда срабатывает механизм. То есть условно животное уже давно погибло от газа, а ящик все еще заперт. Иными словами, в копенгагенской интерпретации нет никакого «мертвого-живого» состояния, потому как оно определяется детектором, реагирующим на распад ядра.

• разновидность Эверетта

Существует также многомировое толкование, или интерпретация Эверетта. Она трактует опыт с котом Шрёдингера как два отдельно существующих мира, расщепление на которые происходит в тот момент, когда открывается ящик. В одной вселенной кот жив-здоров, в другой он не пережил эксперимент.

• «квантовое самоубийство»

Так или иначе поочередно бедного кота Шрёдингера «перемучало» немало ученых-физиков. Одни, например, предлагали рассматривать ситуацию с котом с точки зрения самого животного - ведь он-то лучше всех физиков мира знает, мертв он или жив. Действительно, не поспоришь. Этот подход получил название «квантового самоубийства» и гипотетически позволяет проверить, какая из указанных интерпретаций верна.

Каждый может вывести свою разновидность

Если посмотреть на современную физическую науку, то можно с уверенностью сказать, что на страницах исследований многострадальный котик Шрёдингера живее всех живых. Периодически ученые предлагают свои решения этого известного парадокса, а также развивают концепцию в рамках весьма интересных разработок.

• «вторая коробка»

Например, в прошлом году исследователи из Йельского университета «дали» коту Шрёдингера вторую коробку для его смертельных пряток. На основе этого подхода ученые попробовали смоделировать систему, необходимую для работы квантового компьютера. Ведь, как известно, одна из главных сложностей в создании этого вида машины заключается в необходимости корректировать ошибки. И, как оказалось, привлечение котиков Шрёдингера - перспективный способ управления избыточной квантовой информацией.

• «микрокошка»

А буквально пару недель назад международной команде ученых, возглавляемой российскими специалистами в области квантовой оптики, удалось «развести» микроскопических шрёдингеровских кошек для того, чтобы продвинуться в поисках границы между квантовым и классическим мирами. Так кот Шрёдингера помогает физикам развивать квантовые технологии коммуникации и криптографии.

Кот Шрёдингера – звезда поп-культуры

Africa Studio / shutterstock.com

Если из своей злополучной коробки кот никак не может сбежать, то выбраться за пределы научных концепций и страниц исследований ему удалось. Да еще как!

Персонаж загадочного кота с нелегкой судьбой с завидным постоянством появляется в произведениях массовой культуры. Так, кот Шрёдингера фигурирует в книгах Терри Пратчетта, Фредрика Пола, Дугласа Адамса и других всемирно известных писателей. Конечно же, не обошлось без упоминания кота в популярных телепроектах, таких как «Теория большого взрыва» и «Доктор Кто». Не говоря о том, что образ кота Шрёдингера постоянно встречается в видеоиграх и текстах песен. А интернет-портал ThinkGeek уже заработал целое состояние на продаже футболок, где на одной стороне помещена надпись: «Кот Шрёдингера жив», а на другой - «Кот Шрёдингера мертв».

У котов получается лучше

Согласитесь, можно наблюдать удивительную вещь: самый известный научный кот - это всего лишь визуализированная модель для проверки гипотезы. Однако участие в ней хвостатого любимца придало эксперименту значительную долю поэтичности и шарма. А может быть, просто дело в том, что котики все делают лучше? Вполне возможно.

И помните: в результате эксперимента Шрёдингера ни один котик не пострадал.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

Все мы слышали про знаменитого кота Шредингера, но знаем ли мы, что это за кот такой на самом деле? Давайте разберемся и попытаемся рассказать о знаменитом коте Шредингера простыми словами.

Кот Шредингера – это эксперимент, проведенный Эрвином Шредингером, одним из отцов-основателей квантовой механики. Причем это не обычный физический эксперимент, а мысленный .

Надо признать, что Эрвин Шредингер был человеком с очень богатым воображением.

Итак, что у нас есть в качестве воображаемой основы для проведения эксперимента? Есть кот, помещенный в коробку. В коробке также находится счетчик Гейгера с некоторым очень маленьким количеством радиоактивного вещества. Количество вещества таково, что вероятность распада и нераспада одного атома в течение часа – одинакова. Если атом распадется, запустится специальный механизм, который разобьёт колбу с синильной кислотой, и бедный кот умрет. Если же распада не произойдет, то кот продолжит тихонько сидеть себе в коробке и мечтать о сосисках.

В чем же суть кота Шредингера? Зачем вообще было придумывать такой сюрреалистический опыт?

Согласно результатам эксперимента мы узнаем, жив кот или нет, только когда открываем коробку. С точки зрения квантовой механики кот одновременно (как и атом вещества) находится сразу в двух состояниях – и жив, и мертв одновременно. Это и есть знаменитый парадокс кота Шредингера.

Естественно, такого быть не может. Эрвин Шредингер поставил этот мысленный эксперимент, чтобы показать несовершенство квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим.

Приведем формулировку самого Шредингера:

Можно построить и случаи, в которых довольно бурлеска. Пусть какой-нибудь кот заперт в стальной камере вместе со следующей дьявольской машиной (которая должна быть независимо от вмешательства кота): внутри счётчика Гейгера находится крохотное количество радиоактивного вещества - столь небольшое, что в течение часа может распасться только один атом, но с такой же вероятностью может и не распасться; если же это случится, считывающая трубка разряжается и срабатывает реле, спускающее молот, который разбивает колбочку с синильной кислотой.

Если на час предоставить всю эту систему самой себе, то можно сказать, что кот будет жив по истечении этого времени, коль скоро распада атома не произойдёт. Первый же распад атома отравил бы кота. Пси-функция системы в целом будет выражать это, смешивая в себе или размазывая живого и мёртвого кота (простите за выражение) в равных долях. Типичным в подобных случаях является то, что неопределённость, первоначально ограниченная атомным миром, преобразуется в макроскопическую неопределённость, которая может быть устранена путём прямого наблюдения. Это мешает нам наивно принять «модель размытия» как отражающую действительность. Само по себе это не означает ничего неясного или противоречивого. Есть разница между нечётким или расфокусированным фото и снимком облаков или тумана.

Определенно положительным моментом в данном эксперименте является тот факт, что не одно животное в его ходе не пострадало.

Напоследок, для закрепления материала предлагаем Вам посмотреть видео из старого доброго сериала «Теория Большого Взрыва».

А если у Вас вдруг остались вопросы или преподаватель задал задачку по квантовой механике, обращайтесь к . Вместе мы решим все вопросы гораздо быстрее!

В 1935 году великий физик, нобелевский лауреат и основоположник квантовой механики Эрвин Шрёдингер сформулировал свой знаменитый парадокс.

Учёный предположил, что если взять некого кота и поместить его в стальную непрозрачную коробку с "адской машиной", то через час он будет жив и мёртв одновременно. Механизм в коробке выглядит следующим образом: внутри счётчика Гейгера находится микроскопическое количество радиоактивного вещества, способного распасться за час лишь на один атом; при этом оно с той же вероятностью может и не распасться. Если распад всё же произойдёт, то сработает рычажный механизм и молоток разобьёт сосуд с синильной кислотой и кот погибнет; если распада не будет, то сосуд останется цел, а кот — жив и здоров.

Если бы речь шла не о коте и коробке, а о мире субатомных частиц, то учёные бы сказали, что кот и жив и мёртв одновременно, однако в макромире такое умозаключение некорректно. Так почему же мы оперируем такими понятиями, когда речь идёт о более мелких частицах материи?

Иллюстрация Шрёдингера является наилучшим примером для описания главного парадокса квантовой физики: согласно её законам, частицы, такие как электроны, фотоны и даже атомы существуют в двух состояниях одновременно ("живых" и "мёртвых", если вспоминать многострадального кота). Эти состояния называются суперпозициями .

Американский физик Арт Хобсон (Art Hobson) из университета Арканзаса (Arkansas State University) предложил своё решение данного парадокса.

"Измерения в квантовой физике базируются на работе неких макроскопических устройств, таких как счётчик Гейгера, при помощи которых определяется квантовое состояние микроскопических систем — атомов, фотонов и электронов. Квантовая теория подразумевает, что если вы подсоедините микроскопическую систему (частицу) к некому макроскопическому устройству, различающему два разных состояния системы, то прибор (счётчик Гейгера, например) перейдёт в состояние квантовой запутанности и тоже окажется одновременно в двух суперпозициях. Однако невозможно наблюдать это явление непосредственно, что делает его неприемлемым", — рассказывает физик.

Хобсон говорит, что в парадоксе Шрёдингера кот играет роль макроскопического прибора, счётчика Гейгера, подсоединённого к радиоактивному ядру, для определения состояния распада или "нераспада" этого ядра. В таком случае, живой кот будет индикатором "нераспада", а мёртвый кот — показателем распада. Но согласно квантовой теории, кот, так же как и ядро, должен пребывать в двух суперпозициях жизни и смерти.

Вместо этого, по словам физика, квантовое состояние кота должно быть запутанным с состоянием атома, что означает что они пребывают в "нелокальной связи" друг с другом. То есть, если состояние одного из запутанных объектов внезапно сменится на противоположное, то состояние его пары точно также поменяется, на каком бы расстоянии друг от друга они ни находились. При этом Хобсон ссылается на этой квантовой теории.

"Самое интересное в теории квантовой запутанности — это то, что смена состояния обеих частиц происходит мгновенно: никакой свет или электромагнитный сигнал не успел бы передать информацию от одной системы к другой. Таким образом, можно сказать, что это один объект, разделённый на две части пространством, и неважно, как велико расстояние между ними", — поясняет Хобсон.

Кот Шрёдингера больше не живой и мёртвый одновременно. Он мёртв, если произойдёт распад, и жив, если распад так и не случится.

Добавим, что похожие варианты решения этого парадокса были предложены ещё тремя группами учёных за последние тридцать лет, однако они не были восприняты всерьёз и так и остались незамеченными в широких научных кругах. Хобсон отмечает , что решение парадоксов квантовой механики, хотя бы теоретические, совершенно необходимы для её глубинного понимания.