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 .
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.
"Кот Шрёдингера" - так называется занимательный мыслительный эксперимент, поставленный, как вы уже наверное догадались, Шрёдингером, а точнее, Нобелевским лауреатом по физике, австрийским ученым Эрвином Рудольфом Йозефом Александром Шрёдингером."Википедия" определяет эксперимент следующим образом: "В закрытый ящик помещён кот. В ящике имеется механизм, содержащий радиоактивное ядро и емкость с ядовитым газом. Параметры эксперимента подобраны так, что вероятность того, что ядро распадётся за 1 час, составляет 50 %. Если ядро распадается, оно приводит механизм в действие - открывается емкость с газом, и кот умирает.
Согласно квантовой механике, если над ядром не производится наблюдения, то его состояние описывается суперпозицией (смешением) двух состояний - распавшегося ядра и не распавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике, и жив, и мертв одновременно. Если же ящик открыть, то экспериментатор обязан увидеть только какое-нибудь одно конкретное состояние: "ядро распалось, кот мёртв", или "ядро не распалось, кот жив".
Получается, что на выходе мы имеем живого или мертвого кота, однако в потенциале, кот и жив и мертв одновременно. Таким образом, Шрёдингер пытался доказать ограниченность квантовой механики, без применения к ней определенных правил.
Копенгагенская интерпретация квантовой физики - и в частности этого эксперимента - указывает на то, что кот приобретает свойства одной из потенциальных фаз (живой-мертвый) только после вмешательства в процесс наблюдателя.
То есть когда конкретный Шрёдингер открывает ящик, ему со стопроцентной уверенностью придется нарезать колбаски или позвонить ветеринару. Кот будет определенно жив или скоропостижно мертв. Но пока в процессе нет наблюдателя - конкретного человека обладающего несомненными достоинствами в виде зрения, и, как минимум, ясного сознания - кот будет находиться в подвешенном состоянии "между небом и землей".
Древняя притча о коте, который гуляет сам по себе, в этом контексте приобретает новые оттенки. Несомненно, кот Шрёдингера - не самое благополучное существо во Вселенной. Пожелаем же коту благополучного для него исхода и обратимся к другой занимательной задаче из таинственного и порой беспощадного мира квантовой механики.
Звучит она так: "Какой звук издает падающее в лесу дерево, если поблизости нет человека, способного этот звук воспринять?" Тут, в отличие от черно-белой судьбы несчастного/счастливого кота, мы сталкиваемся с разноцветной палитрой спекуляций: нет звука/есть звук, какой он, если он есть, а если его нет, то почему? Ответить на этот вопрос нельзя по очень простой причине - невозможности осуществить эксперимент. Ведь любой эксперимент подразумевает присутствие наблюдателя, способного воспринять и сделать выводы.
У знаменитого аргентинского писателя Хулио Картасара, яркого представителя "магического реализма", есть небольшой рассказ о том, как офисная мебель, оставшись без наблюдателя, двигается по кабинету, как бы используя свободное время для того, что бы размять "одеревеневшие" конечности.
То есть невозможно предположить, что происходит с объектами окружающей нас реальности в наше отсутствие. А если это невозможно воспринять, значит этого не существует. Как только мы покидаем комнату, все ее содержимое, вместе с самой комнатой перестает существовать или, точнее, продолжает существовать только в потенциале.
Одновременно там существуют пожар или наводнение, кража оборудования или незваные гости. Более того, в ней существуем и мы, в разных потенциальных состояниях. Один Я ходит по комнате и насвистывает дурацкую мелодию, другой Я грустно смотрит окно, третий - говорит с женой по телефону. В ней живет даже наша внезапная смерть или радостное известие в виде нежданного телефонного звонка.
Представьте на минуту все возможности, скрытые за дверью. А теперь представьте, что весь наш мир - это всего лишь скопище таких нереализованных потенциалов. Забавно, правда?
Однако тут возникает закономерный вопрос: ну и что? Да - забавно, да - интересно, но что, по сути, это меняет? Наука об этом скромно умалчивает. Для квантовой физики такие познания открывают новые пути в осознании Вселенной и ее механизмов, ну а нам, людям далеким от больших научных открытий, такая информация вроде бы ни к чему.
Да как это - ни к чему!? Ведь если существую я, смертный, в этом мире, значит, существую я, бессмертный, в другом мире! Если моя жизнь состоит из полосы неудач и огорчений, то где-то существую я - удачливый и счастливый? На самом деле, вне наших ощущений ничего нет, как нет комнаты, пока мы в нее не вошли. Наши органы восприятия лишь обманывают нас, рисуя в мозгу картину "окружающего" нас мира. Что же на самом деле находится вне нас пока остается тайной за семью печатями.
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.
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.
