Не все читают книги о великих изобретениях человечества. Но точно все, кто смотрел сериал «Теория большого взрыва», слышали о таком феномене как "Кот Шредингера". Поскольку он имеет отношение к квантовой механике, то человеку без технического образования достаточно сложно понять его смысл. Попробуем разобраться, что же означает понятие "Кот Шредингера" простыми словами.
Содержание:
Краткая историческая справка
Эрвин Шредингер – известный физик, один из создателей теории квантовой механики. Отличительной чертой его научной деятельности была так называемая вторичность. Он редко брался первым за исследование чего-либо.
В основном Шредингер писал отзывы на чье-либо изобретение или научное достижение, критиковал автора или же приступал к дальнейшим разработкам чужих изысканий и открытий. Хотя он и был по характеру индивидуалистом, но не мог не опираться на чужие идеи и мысли, которые он брал за основу в своих исследованиях. Несмотря на это, он внес огромный вклад в развитие квантовой механики, во многом благодаря своей загадки о «Коте Шредингера».
К достижениям Шредингера в науке относятся:
- создание концепции волновой механики (за это в 1933 году получил Нобелевскую премию);
- ввел в научный оборот термин «объектность описания» – обосновал возможность научных теорий без непосредственного участия субъекта исследования (стороннего наблюдателя) описывать окружающую реальность;
- развивал теорию относительности;
- изучал термодинамические процессы и нелинейную электродинамику Борна;
- предпринимал попытки создания единой теории поля.
Понятие "Кот Шредингера"
"Кот Шредингера" – знаменитая загадка теории Шредингера, мысленный эксперимент, проведенный австрийским физиком-теоретиком, с помощью которого удалось продемонстрировать неполноту квантовой механики при переходе от микросистем к макросистемам. Вся эта теория базируется на критике ученым достижений квантовой механики.
Прежде чем переходить к описанию эксперимента, необходимо дать определение основным понятиям, которые в ней используются. Основной постулат знаменитого феномена гласит, что до тех пор, пока за системой никто не наблюдает, она находится в положении суперпозиции – одновременно в двух или более состояниях, которые исключают взаимное существование. Сам Шредингер дал следующее определение суперпозиции – это квантовая способность (в роли кванта может быть и электрон, и фотон, и ядро атома) находиться сразу в нескольких состояниях или нескольких точках пространства одновременно, пока за системой никто не наблюдает. Квант – это микроскопический объект микросреды.
Описание эксперимента
Статья в оригинале, в которой Шредингер объясняет свой эксперимент, была опубликована в 1935 году. Для описания эксперимента использовался метод сравнения и даже олицетворения.
Понять точно, что имел в виду Шредингер, изучая эту статью, очень сложно. Попытаюсь описать суть эксперимента простыми словами.
Садим кота в ящик с механизмом, который содержит радиоактивное атомное ядро, и емкостью, наполненной ядовитым газом. Эксперимент проводится с точно подобранными параметрами вероятности распада атомного ядра – 50% за 1 час. При распаде ядра происходит утечка газа из емкости, что приводит к смерти кота. Если же этого не происходит, с котом ничего не случается, он живой и здоровый.
Проходит час, и мы хотим получить ответ на вопрос: умер кот или остался жив? Согласно выдвинутой теории Шредингера ядро атома, как и кот, находятся в ящике в нескольких состояниях одновременно (определение суперпозиции). До момента открытия ящика микросистема, в которой находятся ядро атома и кот, с вероятностью 50% - имеют состояние «ядро распалось, кот умер», и с такой же вероятностью имеют состояние «ядро не распалось, кот жив». Это подтверждает гипотезу о том, что кот, который сидит в ящике, одновременно и жив, и мертв, то есть находится сразу в нескольких состояниях в один и тот же момент времени. Получается, что кот, сидящий в ящике, и жив, и мёртв одновременно.
Говоря простым языком, феномен «Кота Шредингера» объясняет возможность того факта, что с точки зрения квантовой механики, кот одновременно и жив, и мертв , что в реальности невозможно. На этой основе можно сделать вывод о наличии существенных изъянов в теории квантовой механики.
Если не наблюдать за ядром атома в микросистеме, то происходит смешивание двух состояний – распавшегося и нераспавшегося ядра. При открытии ящика экспериментатор может наблюдать только одно какое-нибудь конкретное состояние. Поскольку кот олицетворяет ядро атома, то он тоже будет только в одном состоянии – или жив, или мертв.
Разгадка парадокса – копенгагенская интерпретация
Ученые из Копенгагена разгадали загадку «Кота Шредингера». Современная копенгагенская интерпретация состоит в том, что кот жив/мертв без всяких промежуточных состояний, потому что ядро распадается или не распадается не при открытии ящика, а еще раньше – когда ядро направляется в детектор. Объяснение этому следующее: редукция волновой функции микросистемы «кот-детектор-ядро» не имеет никакой связи с человеком, наблюдающим за ящиком, а связана с детектором-наблюдателем ядра.
Данная интерпретация феномена Кота Шредингера отрицает возможность нахождения кота до открытия ящика в состоянии суперпозиции – в состоянии живого/мёртвого кота одновременно. Кот в макросистеме всегда находится лишь в каком-то одном состоянии.
Важно! Эксперимент Шредингера показал, что микрообъект и макрообъект ведут себя в системах в соответствии с разными законами – законами квантовой физики и законами физики в ее классическом понимании соответственно.
Но науки, изучающей явления при переходе от макросистемы к микросистеме, не существует. Эрвин Шредингер загорелся идеей проведения такого эксперимента именно с той целью, чтобы доказать слабость и неполноту общей теории физики. Его самым сокровенным желанием было продемонстрировать на конкретном опыте, что каждая наука выполняет свои задачи: классическая физика изучает макрообъекты, квантовая физика – микрообъекты. Есть потребность в разработке научных знаний для описания процесса перехода от больших к маленьким объектам в системах.
Сразу простому обывателю очень сложно понять сущность данного парадокса. Ведь в сознании каждого человека есть убежденность в том, что любой объект материального мира в данный момент времени может находиться только в какой-то одной точке.
Но теорию Шредингера можно применять только к микрообъектам, кот – же объект макромира.
Самой свежей интерпретацией парадокса «Кота Шредингера» является применение его в сериале «Теория большого взрыва», в котором главный герой Шелдон Купер объяснил его сущность для менее образованной Пенни. Купер перенес этот феномен в область человеческих отношений. Чтобы понять, хорошие или плохие отношения между людьми противоположного пола, просто нужно открыть ящик. А до этого момента любые отношения являются одновременно и хорошими, и плохими.
Кот Шредингера - это знаменитый мыслительный эксперимент. Его поставил прославленный Нобелевский лауреат в области физики - австрийский ученый Эрвин Рудольф Йозеф Александр Шредингер.
Суть эксперимента заключалась в следующем. В закрытую камеру (ящик) был помещен кот. Ящик оборудован механизмом, который содержит радиоактивное ядро и ядовитый газ. Параметры подобраны так, что вероятность распада ядра за один час составляет ровно пятьдесят процентов. Если ядро распадется, то механизм придет в действие и откроется емкость с ядовитым газом. Следовательно, кот Шредингера умрет.
Согласно законам если не наблюдать за ядром, то его состояния будут описываться по двух основных состояний - ядра распавшегося и не распавшегося. И тут возникает парадокс: кот Шредингера, который сидит в ящике, может быть и мертв, и жив одновременно. Но вот если ящик открыть, то экспериментатор увидит только одно конкретное состояние. Либо «ядро распалось, и кот мертв», либо «ядро не распалось, и кот Шредингера жив».
По логике вещей, на выходе мы будем иметь одно из двух: либо живого кота, либо мертвого. Но вот в потенциале животное находится в обоих состояниях сразу. Шредингер пытался таким образом доказать свое мнение об ограниченности квантовой механики.
По копенгагенской интерпретации и этого эксперимента в частности, кот в одной из своих потенциальных фаз (мертв-жив) приобретает эти свойства исключительно после того, как в процесс будет вмешиваться сторонний наблюдатель. Но вот пока этого наблюдателя нет (тут подразумевается наличие конкретной личности, которая обладает достоинствами в виде ясности зрения и сознания), кот будет в подвешенном состоянии «между жизнью и смертью».
Знаменитая древняя притча о том, что кот гуляет сам по себе, приобретает в контексте данного эксперимента новые, интересные оттенки.
По Эверетта, которая заметно отличается от классической копенгагенской, процесс наблюдения не считается чем-то особенным. Оба состояния, в которых может быть кот Шредингера, в этой интерпретации могут существовать. Но они декогерируют друг с другом. Это значит, что единство данных состояний будет нарушено как раз таки вследствие взаимодействия с внешним миром. Именно наблюдатель, который открывает ящик, и вносит разлад в состояния кота.
Есть мнение, что решающее слово в этом вопросе нужно оставить за таким существом, как кот Шредингера. Смысл такого мнения - принятие факта, заключающегося в том, что во всем данном эксперименте именно животное является единственным абсолютно компетентным наблюдателем. Например, ученые Макс Тегмарк, Бруно Маршал и Ганс Моравен представили модификацию вышеприведенного эксперимента, где основной точкой зрения и является мнение кота. В этом случае кот Шредингера, несомненно, выживает, потому что наблюдать результаты может только выживший кот. А вот ученый Надав Кац опубликовал свои результаты, в которых он смог «вернуть» состояние частицы обратно после изменения ее состояния. Таким образом, шансы на выживание у кота заметно возрастают.
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.
Энциклопедичный YouTube
-
1 / 5
Фактически Хокинг и многие другие физики придерживаются мнения, что «Копенгагенская школа» интерпретации квантовой механики подчёркивает роль наблюдателя безосновательно. Окончательного единства среди физиков по этому вопросу всё ещё не достигнуто.
Распараллеливание миров в каждый момент времени соответствует подлинному недетерминированному автомату в отличие от вероятностного, когда на каждом шаге выбирается один из возможных путей в зависимости от их вероятности.
Парадокс Вигнера
Это усложнённый вариант эксперимента Шрёдингера. Юджин Вигнер ввёл категорию «друзей». После завершения опыта экспериментатор открывает коробку и видит живого кота. Вектор состояния 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 ещё не знает, жив кот или мёртв. Друг признает кота живым только тогда, когда экспериментатор сообщит ему исход эксперимента. Но все остальные друзья ещё не признали кота живым, и признают только тогда, когда им сообщат результат эксперимента. Таким образом, кота можно признать полностью живым (или полностью мёртвым) только тогда, когда все люди во вселенной узнают результат эксперимента. До этого момента в масштабе Большой Вселенной кот, согласно Вигнеру, остаётся живым и мёртвым одновременно .
Практическое применение
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.
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