Кот шредингера простыми словами суть эксперимента. Теория Шредингера: описание, особенности, эксперименты и применение
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%
Designua / shutterstock.comОднако 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 .
«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.
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 (). 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.
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.
Что такое кот шредингера, шредингер кот, все о коте шредингера, парадокс кота шредингера, опыт шредингера с котом, кот в коробке, ни живой ни мертвый кот, жив ли кот шредингера, эксперимент с котом
Это кот, который и жив и мёртв одновременно. Таким неблагополучным состоянием он обязан Нобелевскому лауреату по физике, австрийскому учёному Эрвину Рудольфу Йозефу Александру Шрёдингеру.
Разделы:
Суть эксперимента / парадокса
Кот находится в закрытом ящике, где имеется механизм, содержащий радиоактивное ядро и ёмкость с ядовитым газом. Характеристики опыта подобраны так, что возможность того, что ядро распадётся за 1 час, составляет 50%. Если ядро распадается, оно приводит механизм в действие, открывается ёмкость с газом, и кот погибает. Согласно квантовой механике, если над ядром не делается наблюдения, то его состояние описывается суперпозицией (смешением) двух состояний - распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике, и жив, и мёртв сразу.
Стоит открыть ящик - и экспериментатор должен увидеть только какое-нибудь одно состояние - «ядро распалось, кот мёртв» либо «ядро не распалось, кот жив». Но пока в процессе нет наблюдателя, злополучная зверушка остаётся «мёртвоживой».
Маргинали
- Беда не приходит одна
Под сомнением не только здоровье хвостатого обитателя ящика, но и его гендерная принадлежность: в оригинале эксперимента кот Шрёдингера был таки кошкой (die Katze). - «Мёртвоживых» котов нет
Важно помнить, что опыт Шрёдингера не призван доказать существование «мёртвоживых» котов (и, вопреки высказыванию во второй части игры «Portal», не был придуман как оправдание для убийства котов). Очевидно, что кот обязательно должен быть или живым, или мёртвым, поскольку промежуточного состояния не существует.
Опыт показывает, что квантовая механика не способна описать поведение макросистем (к каковым относится кот): она неполна без неких правил, которые указывают, когда система выбирает одно конкретное состояние, при каких условиях происходит коллапс волновой функции и кот или остаётся живым, или становится мёртвым, но перестаёт быть смешением того и другого.
Автор полагает, что решающее слово следовало бы оставить за котом, который, пусть и не смысля ни бельмеса в квантовой механике, уж точно лучше всех осведомлён о своём состоянии. Однако его компетентность как наблюдателя, очевидно, вызывает у учёных сомнения. Исключение представляют Ганс Моравек, Бруно Маршал и Макс Тегмарк, предложившие модификацию шрёдингерского эксперимента, известную как «квантовое самоубийство» , и представлющую собой эксперимент с котом с точки зрения кота. Учёные преследовали цель показать разницу между копенгагенской и многомировой интерпретациями квантовой механики. В случае, если многомировая интерпретация верна, кот, к радости сочувствующих, становится Цоем всегда остаётся жив, поскольку наблюдать результат эксперимента участник способен лишь в том мире, в котором выживает.
- Надав Кац из Калифорнийского университета и его коллеги опубликовали результаты лабораторного опыта, в котором им удалось «вернуть» квантовое состояние частицы обратно, причём после измерения этого состояния. Таким образом, можно сохранить жизнь коту вне зависимости от условий коллапса волновой функции. Неважно, жив он, или мёртв: всегда можно отыграть обратно [ссылка] .
- 03.06.2011г. РИА «Новости» сообщило, что китайские физики смогли создать восьмифотонного «кота Шрёдингера» [ссылка] , что должно способствовать разработке будущих квантовых компьютеров
Образ в культуре
Пожалуй, никто не сделал больше для популяризации квантовой механики, чем бедолага-кот. Даже самые далёкие от этой сложной области знания люди, взволнованные судьбой вероятно страдающей зверушки, пытаются разобраться в тонкостях эксперимента, надеясь, что не всё так плохо. Кот вдохновляет деятелей искусства и массовой культуры.
Упомянем же основные его заслуги:
- Боже мой, похоже я сбил кота!
- Он умер?
- Не могу сказать точно. Шрёдингер ходил по комнате в поисках нагадившего котёнка, а тот сидел в коробке ни жив ни мертв. Разное: Коту Шрёдингера уделяют внимание художники, пытаясь средствами живописи и графики передать неоднозначность его положения. Также изображения этой зверушки можно увидеть на футболках и на кружках . Террористов, о которых точно не известно, живы они или убиты, иногда называют «террористами Шрёдингера». Из известных личностей в таком состоянии пребывали, к примеру, Ясир Арафат, когда находился в состоянии комы перед смертью, а также Осама Бен Ладен. Согласно Абсурдопедии, кот в мешке - это упрощенная версия эксперимента с котом Шрёдингера [ссылка] . Стивен Хокинг перефразировал ставшую крылатой фразу Ганса Йоста «Когда я слышу о культуре, я хватаюсь за пистолет» так: «Когда я слышу про кота Шрёдингера, моя рука тянется за ружьём!». Объясняестя это тем, что, как и многие другие физики, Хокинг придерживается мнения, что «Копенгагенская школа» интерпретации квантовой механики подчёркивает роль наблюдателя безосновательно. В связи с открытием кафедры теологии МИФИ в сети получила распространение такая картинка:
Это словосочетание – кот Шрёдингера – слышали многие. И некоторые любители котов и кошек спрашивают: «А где купить себе такого кота?» А нигде его не купишь, потому что его не существует! Он не существует как животное, зато прекрасно себя чувствует как мысленный эксперимент или парадокс, придуманный в свое время Шрёдингером.
Немного о самом Шрёдингере
Эрвин Рудольф Йозеф Александр Шрёдингер был в свое время не только выдающимся ученым, Нобелевским лауреатом, но и настоящим «отцом квантовой механики». В атомной физике базовым понятием считается его уравнение, которое так и называется – «уравнение Шрёдингера». Но не оно принесло популярность выдающемуся физику! А его мысленный эксперимент, который выявил парадокс в отношении квантовой физики.
Этот эксперимент Шрёдингера стал таким откровением, что о нем знают не только физики, но и простые обыватели. По крайней мере, хотя бы по названию! А сам этот эксперимент был доказательством несостоятельности интерпретации законов квантовой механики, представленной в Копенгагене в 1927-ом году Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом. Эта интерпретация строилась на ответе двух ученых на вопрос о корпоскулярно – волновом дуализме, который свойственен квантовой механике. Эта интерпретация дает основания полагать, что смешение системы прекращается именно в момент наблюдения – она просто выбирает какое-то конкретное, одно состояние.
Суть эксперимента, или тот самый парадокс Шрёдингера
Что же это такое – кот Шредингера, как можно понимать этот опыт? «Действующими лицами» в этом эксперименте являются живая кошка и радиоактивные атомы. Вот достаточно простое объяснение этому эксперименту:
- У нас есть ящик, в этом ящике будет сидеть кошка (или кот – без разницы), а еще там будет находиться специальный механизм. Этот механизм состоит из емкости с достаточно ядовитым газом и атомного ядра. Причем это ядро имеет период распада за один час с вероятностью 50%, то есть равную в сторону «за» или «против». В момент распада запускается механизм, который открывает эту емкость с ядом в виде газа. То есть, ядро все-таки распалось – котик умер от отравления. Ядро осталось целым – котик здоров и весел.
- Кошка (или же кот) заперт в этом ящике и сидит там ровно один час.
- Сама квантовая же механика вроде сообщает нам, что как сам наш кот, так и ядро атома, находятся одновременно в обоих состояниях (это суперпозиция). Пока мы еще не открыли злосчастный ящик, вероятность ситуации «наш котик жив» или «наш котик, к сожалению, умер» находится в соответствии 50% на 50%. То есть наш кот, который сидит в этом ящике, одновременно и мертвый и живой!
- Причем промежуточного состояния между жив – мертв в данной ситуации нет! И она совершенно не зависит от наблюдателя, а только от ядра!
То есть, если уж совсем просто – наблюдения над ядром и котом нет. И именно поэтому их состояние можно описать двояко – ядро распалось и котик мертв, ядро не распалось и котик жив. Одновременно, без проверки, котик и мертв и жив, потому что ядро и распалось и не распалось. И только при контроле через час можно с уверенностью «поставить диагноз». А до истечения этого часа и ядро и наш котик находится сразу в двух фазах – и положительной, и отрицательной! В этом и есть парадокс! Потому что нельзя быть одновременно и мертвым и живым – противоречит всем законам. Но до проверки через час сказать, в каком точно состоянии находится это ядро, а, следовательно, и наша кошка, просто невозможно. Любое утверждение будет ложным!
И вот при помощи этого эксперимента явственно видно, что таки квантовая механика носит в себе очень существенные и парадоксальные изъяны. Пресловутый кот Шрёдингера это ясно доказал. Ведь быть в одно и то же время и живым, и мертвым, невозможно, а именно это и происходит с подачи этой самой квантовой механики! Опыт показывает, что такой парадокс просто немыслим по опередению здравого смысла. А это значит, и вся квантовая механика парадоксальна и требует дополнений в виде правил, только они смогут указать на условия, при наличии которых будет существовать только один вариант.
Интерпретации эксперимента Шрёдингера
Начнем с того, что хоть название, существующее сегодня, говорит об этом эксперименте «Кот Шредингера», в оригинальном варианте эксперимента была-таки кошка! И существуют на сегодняшний день данный опыт имеет несколько интерпретаций
Копенгагенская интерпретация
Именно она утверждает, что до того момента, когда откроется ящик, наш несчастный кот пребывает в «смешанном» состоянии – то есть он одновременно и мертвый, и живой. Парадокс? Несомненно! И только в тот момент, когда мы открыли ящика Шрёдингера, происходит тот самый волновой коллапс, который все «расставляет по своим местам». Но в этой интерпретации не существует четкого правила, которое освещает момент попадания атома ядра в детектор.
Интерпретация Эверетта, которая называется многомировая
Здесь само наблюдение не является особенным или нужным. По этой интерпретации оба состояния кота могут существовать до воздействия с окружающей средой. И только тогда, когда ящик Шрёдингера открыт, остается одно верное состояние!
Интерпретация самого кота
Конечно, кот ничего не смыслит в квантовой механике, но вот в оценке своего состояния он смыслит однозначно. Именно об этом утверждали Макс Тегмарк, Ганс Моравек и Бруно Маршал! Если судить внутренним взглядом самого кота, то он всегда останется живым. А все потому, что мертвые не смогут оценить своего состояния, а если после открытия ящика Шрёдингера этот кот оценивает, то он явно не мертвый! Да и сам этот парадокс они назвали не чем иным, как «квантовым самоубийством животного»!
Калифорнийский парадокс!
А вот это уже совершенно из области фантастики! Надав Кац, ученый из Калифорнии провел и описал следующий опыт. Он вернул квантовое состояние этой частицы в исходную точку, причем смог замерить ее состояние. По его утверждению, даже открыв ящик Шрёдингера, можно вернуть все в исходную точку. И не важно, будет котик жив, или он будетмертв, можно все «обнулить». Парадокс? Несомненно!
Этот самый кот в мировой литературе
Эксперимент физика Шрёдингера принес ему (и его котику!) известность не только в научных кругах, но и в литературе. Роберт Хайнлайн, в своем романе «Кот, проходящий сквозь стены», описал рыженького котика по кличке Пиксель. Он находится в обоих состояниях всегда, как и его тезка Шрёдингера. И именно на этом построен весь сюжет романа!
А вот Терри Праттчерт описал специальную породу котиков, которые произошли от прародителя – кота, участника эксперимента Шрёдингера. Причем эти котики были необычайно умными. А вот в основу интересного сюжета романа, который называется «Нашествие Квантовых Котов», автора Фредерика Пола, легли коты из параллельных, вернее «соседних» Вселенных. И натолкнул его на такой сюжет тот самый эксперимент Шрёдингера!
А вот миниатюра (сатирическая) Николая Байтова, которая называется «Кошка Шрёдингера», описывает выверт этого опыта наизнанку. Там по сюжету существует такая «Лига Обратимого Времени». Члены этой Лиги постоянно, на протяжении пятидесяти лет пристально наблюдают за кошкой. То есть, суть этого сюжета в том, что, не прекращая своего наблюдения люди (члены этой Лиги), сохраняют жизнь несчастному животному. Как только наблюдение прекратится – кошечка умрет!
Причем не только в литературе, но и во многих фильмах и сериалах, этот котик присутствует. Например, у главного героя, который показан в сериал «Скользящие», есть личный любимец с кличкой (ни много, ни мало!) Шрёдингер. Да и как иначе, сама суть этого сериала построена на квантовой (конечно!) механике, ее законах. И даже пусть сериал немного юмористический, приключенческий и фантастический – смотрели его многие. А значит, что и котике Шрёдингера узнали.
И может именно поэтому немало настоящих любителей пушистых питомцев ищут в интернете информацию, где можно купить такого красавца? Так же спрашивают, что это за порода такая и как такого достать! Все благодаря литературе и кино, а так же огромной популярности самого эксперимента Шрёдингера. А на самом деле та кошечка, которая и послужила прообразом этого самого знаменитого Кота, была совершенно обычная. Она имела черепаховый окрас и была еще совсем молоденькой! И очень хорошо, что после эксперимента она оказалась абсолютно жива! Кстати, после публикации отчета о своем мысленном эксперименте, сам Шрёдингер получил массу предложений продать котят, которые потом появились у его любимицы. Так что сейчас в мире должно быть достаточно много потомков самого знаменитого Кота в истории, а вернее кошечки!
