Каким был кот шредингера

Опубликовано: 13.05.2024

«	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.	»
— Шрёдингер

Кот Шрёдингера — это, пожалуй, один из самых известных персонажей научного мысленного эксперимента. Правда, что это за эксперимент и что призван иллюстрировать кот, мало кто понимает. Кот Шрёдингера? Ну, это такой кот, который сидит в коробке и одновременно и жив, и мёртв… Потому что наука!

Естественно, это, извините за оксюморон, чушь собачья, в которую ни один физик никогда не верил. Что же было на самом деле? Чтобы понять, откуда взялся наш кот, надо вспомнить кое-что из истории квантовой механики.

Содержание

1 Квантовая механика
2 Копенгагенская интерпретация и появление кота
3 Дальнейшие приключения кота
4 См. также
5 Примеры
- 5.1 Фольклор
- 5.2 Литература
- 5.3 Комиксы
  - 5.3.1 Веб-комиксы
- 5.4 Мультсериалы
- 5.5 Аниме
- 5.6 Видеоигры
- 5.7 Настольные игры

Квантовая механика [ править ]

Началось всё с того, что в начале двадцатого века физики обнаружили: микрообъекты (элементарные частицы, а также и частицы поменьше, о которых тогда не знали) ведут себя очень странно — совсем не так, как им положено по классической ньютоновской механике. Например, эксперимент показал, что электрон ведёт себя одновременно как частица и как волна (это называется «корпускулярно-волновой дуализм»).

А ещё обнаружилось, что, наблюдая микрообъекты, наблюдатель неизбежно влияет на них своим наблюдением. Взять, например, фотон. Он умеет всего три вещи — излучаться, лететь со скоростью света и поглощаться. Наблюдать его иначе чем в момент поглощения мы не можем (потому что наблюдение фотона — это и есть поглощение). Соответственно, был сформулирован принцип неопределённости Гейзенберга — уравнение, демонстрирующее, что мы не можем одновременно знать положение и момент импульса частицы с произвольной точностью. Этот принцип хорошо иллюстрируется анекдотом о том, как Гейзенберга остановил полицейский за превышение скорости: «Вы знаете, с какой скоростью вы ехали? — Нет, зато я точно знаю, где сейчас нахожусь!»

Поэтому физики ввели понятие волновой функции. Значение этой функции (точнее, квадрата её модуля) в некоторой точке-состоянии соответствовало вероятности, с какой наше наблюдение застанет частицу в данном состоянии. Иначе говоря, с точки зрения наблюдателя можно считать, что частица одновременно находится в разных состояниях с разной вероятностью. Это называется «суперпозицией состояний».

Модель волновой функции, а также использующее эту функцию уравнение Шрёдингера позволили объяснить некоторые необычные свойства микрообъектов. Но остался вопрос: а как ведёт себя частица на самом деле? Волновая функция ведь описывает результат наших измерений, то есть результат взаимодействия частицы с наблюдателем. А как ведёт себя частица в отсутствие наблюдателя?

Копенгагенская интерпретация и появление кота [ править ]

Именно здесь на сцену выходит наш кот. Эрнест Шрёдингер, один из «зубров» квантовой механики, резко высказался против копенгагенской интерпретации и, чтобы опровергнуть её, придумал мысленный эксперимент — того самого кота.

Итак, есть наглухо закрытая коробка, в которой сидит кот, а также находится радиоактивный атом, который может распасться, а может и нет. Если атом распадётся и специальный детектор это уловит, то в коробке разобьётся ампула с ядовитым газом, и бедный кот помрёт. Если же атом не распадётся, то кот останется в живых.

Штука в том, что наружный мир никак не действует на систему внутри нашей коробки. (Да, в реальности таких коробок не бывает, но на то у нас и мысленный эксперимент.) Мы никак не можем сказать, жив кот в коробке или уже умер. Открыв коробку, мы увидим или труп, или живого и сердитого кота. Но каким был кот до того, как мы открыли коробку? Раз у нас не было никаких способов это проверить, то, наверное, кот, как и частица в копенгагенской интерпретации, находился в суперпозиции двух состояний: был одновременно и жив, и мёртв. Верно?

Разумеется, это чушь (или, как выразился сам Шрёдингер, «бурлеск»), и с котами такого не бывает. В этом и есть суть мысленного эксперимента Шрёдингера: мы знаем, что макрообъекты так себя не ведут, и у нас нет оснований полагать, что так себя ведут микрообъекты.

Споры об интерпретациях квантовой механики (а этих интерпретаций было предложено довольно много) не утихают до сих пор, но нас сейчас интересуют не эти споры, а кот. Что же было с ним дальше?

Дальнейшие приключения кота [ править ]

Дальше с котом Шрёдингера случилось нечто неожиданное. Хотя изначально кот был антипримером, оказалось, что его удобно использовать, наоборот, как пример для объяснения суперпозиции состояний. Разумеется, преподаватели (и, будем надеяться, студенты) понимали, что мёртво-живого кота быть не может; но на таком нарочито абсурдном примере оказалось удобно иллюстрировать, как свойства микрообъектов отличаются от свойств макрообъектов. Ну и кроме того, он прекрасно олицетворял саму абсурдность, непостижимость, непознаваемость физики для тех, кто в ней не разбираются.

А потом… Харизматичный и парадоксальный кот Шрёдингера, как и подобает коту, пошёл гулять сам по себе по мировой культуре. Уже в полном отрыве от спора об интерпретациях квантовой механики (и, увы, часто без особого понимания соответствующей физики) кота поминают или обсуждают во множестве произведений.

См. также [ править ]

Мышь Эйнштейна — ещё один полемический зверёк, связанный с квантовой механикой.

Примеры [ править ]

Фольклор [ править ]

Шредингер искал по всей комнате нагадившего кота. Кот сидел в коробке ни жив ни мертв.

Литература [ править ]

В одном из романов Пратчетта кот Грибо был посажен в коробку и использован как оружие против эльфов. Рассказчик в шутку заметил, что при открывании коробки кот мог оказаться в одном из трёх состояний: живой, мёртвый или «вне себя от ярости». Разумеется, Грибо оказался в третьем состоянии, и эльфам не поздоровилось.
- В книге Пратчетта «Кот без дураков» (The Unadulterated Cat) кот Шрёдингера научился сам схлопывать свою волновую функцию в нужное состояние и таким образом удрал из коробки. Большинство современных котов — его потомки, и именно этим объясняется их способность неожиданно оказываться там, где их, с точки зрения хозяина, быть никак не может.
- А в научно-популярной «Науке Плоского Мира» грамотно и доступно объясняется тот самый мысленный эксперимент Шрёдингера.
Сергей Лукьяненко, «Последний Дозор» — артефакт Инквизиции «Кот Шрёдингера» удобен, чтобы схватить жертву за шею и лишить возможности сопротивляться, поскольку существует на всех слоях Сумрака, а если Иной, которому его надели, попробует воспользоваться магией, Кот просто его обезглавит. Ах да, снять его может лишь тот, кто надел. Однажды под это угораздило попасть самого Антона Городецкого.
- Почему так называется? Никто так и не смог выяснить, живая эта дрянь или нет.
Дэн Симмонс, «Песни Гипериона» — в третьей части Рауль Эндимион рассказывает свою историю от первого лица, заключённый в «кошачьем ящике Шрёдингера». В четвёртой части находит способ оттуда выбраться ( телепортацией).
Кирилл Бенедиктов, «Кот Эдипа» — целых два примера использования сабжа статьи: классический, завязанный на смерти, и второй, весьма необычный, на этот раз связанный с полной противоположностью смерти.
Леонид Каганов, "Роман и Лариса" - объяснение экспермента в версии для лунных губернаторов просто надо читать.

Комиксы [ править ]

Эххо: в четвертом томе в Фурмиль (в которую обычно вселяются духи свеже-покойников) вселился дух запертого в коробке кота. "Ибо кот в коробке и жив, и мертв одновременно."

Веб-комиксы [ править ]

Saturday Morning Breakfast Cereal напоминает, что кот всё-таки был придуман как антипример.

Мультсериалы [ править ]

Рик и Морти — в первой серии второго сезона Рик вместе со своими внуками попадает в измерение хрононеопределенности, заполненное теми самыми котами Шрёдингера.

Аниме [ править ]

Hellsing — прапорщик Эрвин Шрёдингер, котомальчик, перманентно находящийся в такой суперпозиции и сам решающий, в каком варианте ему существовать дальше. Выражается это в возможности присутствовать где угодно (не просто телепортация, он с такой же лёгкостью пролезает в чужие глюки) и игнорировать собственную смерть. Кроме того, из-за слишком смазливой внешности фанатами был окрещён «трапом Шрёдингера», пол которого невозможно определить, пока не снимешь с него штаны.
- Шрёдингер смог убить Алукарда, отрезав себе голову и упав в поток крови, поглощаемой вампиром. Поскольку Шрёдингер существует, пока осознаёт себя, с его смертью он исчез вместе с Алукардом. Не помогло - вампир потратил годы, убивая в себе все собранные души. но одну сохранил - душу Шрёдингера. И теперь Алукард сам находится в такой суперпозиции.

Видеоигры [ править ]

Наверняка вы не раз слышали, что существует такой феномен, как «Кот Шредингера». Но если вы не физик, то, скорее всего, лишь отдаленно представляете себе, что это за кот и зачем он нужен.

«Кот Шредингера» – так называется знаменитый мысленный эксперимент знаменитого австрийского физика-теоретика Эрвина Шредингера, который также является лауреатом Нобелевской премии. С помощью этого вымышленного опыта ученый хотел показать неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим системам.

В данной статье дана попытка объяснить простыми словами суть теории Шредингера про кота и квантовую механику, так чтобы это было доступно человеку, не имеющему высшего технического образования. В статье также будут представлены различные интерпретации эксперимента, в том числе и из сериала «Теория большого взрыва».

Описание эксперимента

Оригинальная статья Эрвина Шредингера вышла в свет в 1935 году. В ней эксперимент был описан с использованием приема сравнение или даже олицетворение:

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.

Есть ящик и кот. В ящике имеется механизм, содержащий радиоактивное атомное ядро и ёмкость с ядовитым газом. Параметры эксперимента подобраны так, что вероятность распада ядра за 1 час составляет 50%. Если ядро распадается, открывается ёмкость с газом и кот погибает. Если распада ядра не происходит — кот остается жив-здоров.
Закрываем кота в ящик, ждём час и задаёмся вопросом: жив ли кот или мертв?
Квантовая же механика как бы говорит нам, что атомное ядро (а следовательно и кот) находится во всех возможных состояниях одновременно (см. квантовая суперпозиция). До того как мы открыли ящик, система «кот—ядро» находится в состоянии «ядро распалось, кот мёртв» с вероятностью 50% и в состоянии «ядро не распалось, кот жив» с вероятностью 50%. Получается, что кот, сидящий в ящике, и жив, и мёртв одновременно.
Согласно современной копенгагенской интерпретации, кот-таки жив/мёртв без всяких промежуточных состояний. А выбор состояния распада ядра происходит не в момент открытия ящика, а ещё когда ядро попадает в детектор. Потому что редукция волновой функции системы «кот—детектор-ядро» не связана с человеком-наблюдателем ящика, а связана с детектором-наблюдателем ядра.

Объяснение простыми словами

Согласно квантовой механике, если над ядром атома не производится наблюдение, то его состояние описывается смешением двух состояний — распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике и олицетворяющий ядро атома, 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, промежуточного между жизнью и смертью), то это будет аналогично и для атомного ядра. Оно обязательно должно быть либо распавшимся, либо нераспавшимся (Википедия).

Видео из «Теории большого взрыва»

Еще одной наиболее свежей интерпретацией мысленного эксперимента Шредингера является рассказ Шелдона Купера, героя сериала «Теория большого взрыва» («Big Bang Theory»), который он произнес для менее образованной соседки Пенни. Суть рассказа Шелдона заключается в том, что концепция кота Шредингера может быть применена в отношениях между людьми. Для того чтобы понять, что происходит между мужчиной и женщиной, какие отношения между ними: хорошие или плохие, – нужно просто открыть ящик. А до этого отношения являются одновременно и хорошими, и плохими.

Ниже приведен видеофрагмент этого диалога «Теории большого взрыва» между Шелдоном и Пении.

Остался ли кот живым в результате эксперимента?

Для тех, кто невнимательно читал статью, но все равно переживает за кота — хорошие новости: не переживайте, по нашим данным, в результате мысленного эксперимента сумасшедшего австрийского физика

НИ ОДИН КОТ НЕ ПОСТРАДАЛ

Отзывы и комментарии

Если у вас есть чем поделиться относительного понимания парадокса Шредингера, можете написать об этом ниже.

Наверняка каждый из читающих эту статью хоть раз в жизни, но слышал словосочетание «кот Шрёдингера». Кое-кто, возможно, даже пытался выяснить, что оно означает, но, скорее всего, объяснение показалось слишком сложным. Это и немудрено, ведь для объяснения этого термина нужно с головой погрузиться в квантовую физику. Попробуем же сделать это как можно проще!

Начнем с того, что «кот Шрёдингера» – это мысленный эксперимент, придуманный австрийским физиком-теоретиком и лауреатом Нобелевской премии Эрвином Шрёдингером. Эксперимент заключается в следующем.

Представим себе, что внутри стальной непроницаемой камеры находится небольшое количество радиоактивного вещества и счетчик Гейгера, позволяющий замерять уровень радиоактивности. Количество вещества настолько малое, что в течение одного часа распасться с 50-процентной вероятностью может лишь один атом (или, соответственно, не распасться).

Если атом распадается, то счетчик Гейгера реагирует на распад, срабатывает реле, и специальный механизм разбивает ампулу с синильной кислотой.

Мы помещаем в эту камеру кота и закрываем ее ровно на час. Что произойдет с котом? Очевидно, что если атом распадется, то кот погибнет, а если нет – останется жив. Узнать это мы можем, только открыв камеру. При закрытой же камере вероятность того и иного исхода для кота составляет 50%. То есть, состояние кота соответствует состоянию ядра .

Согласно квантовой механике, если мы не производим наблюдение над ядром, то оно пребывает в состоянии квантовой суперпозиции – то есть, является одновременно и целым, и распавшимся. Но если состояние кота полностью соответствует состоянию ядра, то получается, что кот является одновременно живым и мертвым .

И из этого состояния неопределенности кота можем вывести только мы, открыв дверь камеры через час после начала опыта.

Говорят, что Шрёдингер придумал свой знаменитый мысленный эксперимент в 1935 году специально для того, чтобы доступно объяснить принципы квантовой механики. Но сам Шрёдингер (как и Эйнштейн) был ярым противником существовавшей на тот момент интерпретации квантовой физики и этим опытом хотел показать ее недостатки – во всяком случае, что касается перехода от микроскопическим к макроскопическим системам.

Еще раз подытожим результаты эксперимента:

Состояние кота (жив/мертв) прямо связано с состоянием ядра атома (не распалось/распалось);
Если, согласно положениям квантовой механики, ядро в изолированной системе может одновременно находится в двух взаимоисключающих состояниях, то это же верно и для кота, который является одновременно и живым, и мертвым;
Истинное состояние можно определить только после того, как наблюдатель начнет взаимодействовать с изолированной системой, то есть, откроет дверь камеры;
Логика подсказывает нам, что кот не может находится в двух взаимоисключающих состояниях одновременно , но квантовая механика утверждает именно это .

Шрёдингер хотел донести абсурдность ситуации, показывая нам, что кот становится живым или мертвым только в момент открытия дверцы, а не в тот момент, когда срабатывает (или не срабатывает) смертельный механизм. Он вовсе не протестовал против принципа суперпозиции и неопределенности, а был против только относительно того, что именно наблюдатель выводит систему из состояния суперпозиции.

Мастерок.жж.рф

Хочу все знать

Кот Шредингера простыми словами

masterok May 29th, 2018

Много кто слышал это выражение, но возможно не все понимают даже упрощенный его смысл. Давайте попробуем разобраться без сложных теорий и формул.

Оригинальная статья Эрвина Шредингера вышла в свет 1935 году. Вот цитата:

Есть ящик и кот. В ящике имеется механизм, содержащий радиоактивное атомное ядро и ёмкость с ядовитым газом. Параметры эксперимента подобраны так, что вероятность распада ядра за 1 час составляет 50%. Если ядро распадается, открывается ёмкость с газом и кот погибает. Если распада ядра не происходит — кот остается жив-здоров.
Закрываем кота в ящик, ждём час и задаёмся вопросом: жив ли кот или мертв?
Квантовая же механика как бы говорит нам, что атомное ядро (а следовательно и кот) находится во всех возможных состояниях одновременно (см. квантовая суперпозиция). До того как мы открыли ящик, система «кот—ядро» находится в состоянии «ядро распалось, кот мёртв» с вероятностью 50% и в состоянии «ядро не распалось, кот жив» с вероятностью 50%. Получается, что кот, сидящий в ящике, и жив, и мёртв одновременно.
Согласно современной копенгагенской интерпретации, кот-таки жив/мёртв без всяких промежуточных состояний. А выбор состояния распада ядра происходит не в момент открытия ящика, а ещё когда ядро попадает в детектор. Потому что редукция волновой функции системы «кот—детектор-ядро» не связана с человеком-наблюдателем ящика, а связана с детектором-наблюдателем ядра.

Ниже приведен видеофрагмент этого диалога «Теории большого взрыва» между Шелдоном и Пении.

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 экспериментальные подтверждения 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. Хобсонотмечает, что решение парадоксов квантовой механики, хотя бы теоретические, совершенно необходимы для её глубинного понимания.

Подробнее о работе физика можно почитать в его статье, которая была опубликована в журнале Physical Review A.

А вот совсем недавно ТЕОРЕТИКИ ОБЪЯСНИЛИ, КАК ГРАВИТАЦИЯ УБИВАЕТ КОТА ШРЁДИНГЕРА, но это уже сложнее …

Как правило, физики объясняют феномен того, что суперпозиция возможна в мире частиц, но невозможна с котами или другими макрообъектами, помехами от окружающей среды. Когда квантовый объект проходит сквозь поле или взаимодействует со случайными частицами, он тут же принимает всего одно состояние — как если бы его измерили. Именно так и разрушается суперпозиция, как полагали учёные.

Но даже если каким-либо образом стало возможным изолировать макрообъект, находящийся в состоянии суперпозиции, от взаимодействий с другими частицами и полями, то он всё равно рано или поздно принял бы одно-единственное состояние. По крайней мере, это верно для процессов, протекающих на поверхности Земли.

«Где-то в межзвёздном пространстве, может быть, кот и имел бы шанс сохранить квантовую когерентность, но на Земле или вблизи любой планеты это крайне маловероятно. И причина тому — гравитация», — поясняет ведущий автор нового исследования Игорь Пиковский (Igor Pikovski) из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики.

Пиковский и его коллеги из Венского университета утверждают, что гравитация оказывает разрушительное воздействие на квантовые суперпозиции макрообъектов, и потому мы не наблюдаем подобных явлений в макромире. Базовая концепция новой гипотезы, к слову, кратко изложена в художественном фильме «Интерстеллар».

Эйнштейновская общая теория относительности гласит, что чрезвычайно массивный объект будет искривлять вблизи себя пространство-время. Рассматривая ситуацию на более мелком уровне, можно сказать, что для молекулы, помещённой у поверхности Земли, время будет идти несколько медленнее, чем для той, что находится на орбите нашей планеты.

Из-за влияния гравитации на пространство-время молекула, попавшая под это влияние, испытает отклонение в своём положении. А это, в свою очередь, должно повлиять и на её внутреннюю энергию — колебания частиц в молекуле, которые изменяются с течением времени. Если молекулу ввести в состояние квантовой суперпозиции двух локаций, то соотношение между положением и внутренней энергией вскоре заставило бы молекулу «выбрать» только одну из двух позиций в пространстве.

«В большинстве случаев явление декогеренции связано с внешним влиянием, но в данном случае внутреннее колебание частиц взаимодействует с движением самой молекулы», — поясняет Пиковский.

Этот эффект пока что никто не наблюдал, поскольку другие источники декогеренции, такие как магнитные поля, тепловое излучение и вибрации, как правило, гораздо сильнее, и вызывают разрушение квантовых систем задолго до того, как это сделает гравитация. Но экспериментаторы стремятся проверить высказанную гипотезу.

Маркус Арндт (Markus Arndt), физик-экспериментатор из Венского университета, проводит опыты по наблюдению квантовой суперпозиции у макроскопических объектов. Он посылает небольшие молекулы в интерферометр, фактически предоставляя частице «выбор», какой дорогой пойти. С точки зрения классической механики молекула может пройти только одним путём, но квантовая молекула может пройти сразу двумя путями, интерферируя сама с собой и создавая характерный волнообразный рисунок.

Подобная установка также может быть использована для проверки способности гравитации разрушать квантовые системы. Для этого необходимо будет сравнить вертикальный и горизонтальный интерферометры: в первом суперпозиция должна будет вскоре исчезнуть из-за растяжения времени на разных «высотах» пути, тогда как во втором квантовая суперпозиция может и сохраниться.

Юрий Гордеев
Программист, гейм-девелопер, дизайнер, художник

«Кот Шредингера» — это мысленный эксперимент, предложенный одним из пионеров квантовой физики, чтобы показать, насколько странно квантовые эффекты выглядят применительно к макроскопическим системам.

Постараюсь объяснить действительно простыми словами: господа физики, не взыщите. Фраза «грубо говоря» подразумевается далее перед каждым предложением.

В очень, очень мелких масштабах мир состоит из вещей, ведущих себя весьма необычно. Одна из наиболее странных характеристик таких объектов — способность находиться в двух взаимоисключающих состояниях одновременно.

Что с интуитивной точки зрения еще более необычно (кто-то даже скажет, жутковато) — акт целенаправленного наблюдения устраняет эту неопределенность, и объект, только что находившийся в двух противоречивых состояниях одновременно, предстает перед наблюдателем лишь в одном из них, как ни в чем не бывало, смотрит в сторонку и невинно посвистывает.

На субатомном уровне все к этим выходкам уже давно привыкли. Существует математический аппарат, описывающий эти процессы, и знания о них нашли самые разные применения: например, в компьютерах и криптографии.

На макроскопическом же уровне эти эффекты не наблюдаются: привычные нам объекты всегда находятся в единственном конкретном состоянии.

А теперь мысленный эксперимент. Берем кота и сажаем его в ящик. Туда же помещаем колбу с ядовитым газом, радиоактивный атом и счетчик Гейгера. Радиоактивный атом может распасться в любой момент, а может не распасться. Если он распадется, счетчик засечет радиацию, нехитрый механизм разобьет колбу с газом, и наш кот погибнет. Если нет — кот останется жив.

Закрываем ящик. С этого момента с точки зрения квантовой механики наш атом находится в состоянии неопределенности — он распался с вероятностью 50% и не распался с вероятностью 50%. До того, как мы откроем ящик и заглянем туда (произведем наблюдение), он будет находиться в обоих состояниях сразу. А поскольку судьба кота напрямую зависит от состояния этого атома, выходит, что кот тоже буквально жив и мертв одновременно (». размазывая живого и мёртвого кота (простите за выражение) в равных долях…» — пишет автор эксперимента). Именно так эту ситуацию описала бы квантовая теория.

Шредингер едва ли догадывался, какого шуму наделает его идея. Разумеется, сам эксперимент даже в оригинале описан чрезвычайно грубо и без претензии на научную аккуратность: автор хотел донести до коллег идею о том, что теорию необходимо дополнить более четкими определениями таких процессов, как «наблюдение», чтобы исключить сценарии с котами в ящиках из ее юрисдикции.

Идею кота использовали даже для того, чтобы «доказать» существование Бога как сверхразума, непрерывным своим наблюдением делающего возможным само наше существование. В действительности же «наблюдение» не требует наличия сознательного наблюдателя, что лишает квантовые эффекты некоторой доли мистики. Но даже при этом квантовая физика остается на сегодня фронтом науки с множеством необъясненных явлений и их интерпретаций.

Иван Болдин
кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, выпускник МФТИ

Поведение объектов микромира (элементарных частиц, атомов, молекул) существенно отличается от поведения объектов, с которыми нам обычно приходится иметь дело. Например, электрон может пролетать одновременно через два пространственно удаленных места или находится одновременно на нескольких орбитах в атоме. Чтобы описать эти явления была создана теория — квантовая физика. По этой теории, например, частицы могут быть размазаны в пространстве, но если вы захотите определить, где же частица все-таки находится, то вы всегда обнаружите в каком-то месте всю частицу целиком, то есть она как бы схлопнется из своего размазанного состояния в какое-то определенное место. То есть считается, что пока вы не измерили положение частицы, она вообще не имеет положения, и физика только может предсказать, с какой вероятностью в каком месте вы можете обнаружить частицу.

Эрвин Шредингер, один из создателей квантовой физики, задался вопросом: а что, если в зависимости от от результата измерения состояния какой-нибудь микрочастицы происходит или не происходит какое-нибудь событие. Например, это можно было бы реализовать следующим образом: берется радиоактивный атом с периодом полураспада, скажем, час. Атом можно поместить в непрозрачный ящик, поставить туда устройство, которое при попадании на него продуктов радиоактивного распада атома разбивает ампулу с ядовитым газом, и посадить в этот ящик кота. Тогда вы извне не увидите, распался атом или нет, то есть по квантовой теории он одновременно распался и не распался, а кот, стало быть, одновременно жив и мертв. Такого кота стали называть котом Шредингера.

Может показаться удивительным, что кот может быть одновременно жив и мертв, хотя формально здесь нет противоречия и это не является опровержением квантовой теории. Однако могут возникнуть вопросы, например: кто может осуществить схлопывание атома из размазанного в определенное состояние, а кто при такой попытке сам переходит в размазанное состояние? Как протекает этот процесс схлопывания? Или как же получается, что тот, кто осуществляет схлопывание, сам не подчиняется законам квантовой физики? Имеют ли эти вопросы смысл, и, если да, то каковы на них ответы — до сих пор неясно.

George Panin
окончил РХТУ им. Д.И. Менделеева, главный специалист исследовательского департамента (маркетинговые исследования)

Как объяснил нам Гейзенберг, из-за принципа неопределенности описание объектов квантового микромира носит иной характер, нежели привычное описание объектов ньютоновского макромира. Вместо пространственных координат и скорости, которыми мы привыкли описывать механическое движение, например шара по бильярдному столу, в квантовой механике объекты описываются так называемой волновой функцией. Гребень «волны» соответствует максимальной вероятности нахождения частицы в пространстве в момент измерения. Движение такой волны описывается уравнением Шрёдингера, которое и говорит нам о том, как изменяется со временем состояние квантовой системы.

Теперь про кота. Всем известно, что коты любят прятаться в коробках (thequestion.ru). Эрвин Шредингер тоже был в курсе. Более того, с чисто нордическим изуверством он использовал эту особенность в знаменитом мысленном эксперименте. Суть его заключалась в том, что в коробке с адской машиной заперт кот. Машина через реле подсоединена к квантовой системе, например, радиоактивно распадающемуся веществу. Вероятность распада известна и составляет 50%. Адская машина срабатывает когда квантовое состояние системы меняется (происходит распад) и котик погибает полностью. Если предоставить систему «Котик-коробка-адская машина-кванты» самой себе на один час и вспомнить, что состояние квантовой системы описывается в терминах вероятности, то становится понятным, что узнать жив котик или нет, в данный момент времени, наверняка не получится, так же, как не выйдет точно предсказать падение монеты орлом или решкой заранее. Парадокс очень прост: волновая функция, описывающая квантовую систему, смешивает в себе два состояния кота — он жив и мертв одновременно, так же как связанный электрон с равной вероятностью может находится в любом месте пространства, равноудаленного от атомного ядра. Если мы не открываем коробку, мы не знаем точно, как там котик. Не произведя наблюдения (читай измерения) над атомным ядром мы можем описать его состояние только суперпозицией (смешением) двух состояний: распавшегося и нераспавшегося ядра. Кот, находящийся в ядерной зависимости, и жив и мертв одновременно. Вопрос стоит так: когда система перестаёт существовать как смешение двух состояний и выбирает одно конкретное?

Копенгагенская интерпретация эксперимента говорит нам о том, что система перестаёт быть смешением состояний и выбирает одно из них в тот момент, когда происходит наблюдение, оно же измерение (коробка открывается). То есть сам факт измерения меняет физическую реальность, приводя к коллапсу волновой функции (котик либо становится мёртвым, либо остаётся живым, но перестаёт быть смешением того и другого)! Вдумайтесь, эксперимент и измерения, ему сопутствующие, меняют реальность вокруг нас. Лично мне этот факт выносит мозг гораздо сильнее алкоголя. Небезызвестный Стив Хокинг тоже тяжело переживает этот парадокс, повторяя, что когда он слышит про кота Шредингера, его рука тянется к браунингу. Острота реакции выдающегося физика-теоретика связанна с тем, что по его мнению, роль наблюдателя в коллапсе волновой функции (сваливанию её к одному из двух вероятностных) состояний сильно преувеличена.

Конечно, когда профессор Эрвин в далеком 1935 г. задумывал свое кото-измывательство это был остроумный способ показать несовершенство квантовой механики. В самом деле, кот не может быть жив и мертв одновременно. В результате одной из интерпретаций эксперимента стала очевидность противоречия законов макро-мира (например, второго закона термодинамики — кот либо жив, либо мертв) и микро-мира (кот жив и мертв 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.

Читайте также: