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.

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

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

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

Описание эксперимента

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

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

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

Другими словами:

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

Объяснение простыми словами

Согласно квантовой механике, если над ядром атома не производится наблюдение, то его состояние описывается смешением двух состояний - распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике и олицетворяющий ядро атома, и жив, и мёртв одновременно. Если же ящик открыть, то экспериментатор может увидеть только какое-нибудь одно конкретное состояние - «ядро распалось, кот мёртв» или «ядро не распалось, кот жив».

Суть человеческим языком: эксперимент Шредингера показал, что, с точки зрения квантовой механики, кот одновременно и жив, и мертв, чего быть не может. Следовательно, квантовая механика имеет существенные изъяны.

Вопрос стоит так: когда система перестаёт существовать как смешение двух состояний и выбирает одно конкретное? Цель эксперимента - показать, что квантовая механика неполна без некоторых правил, которые указывают, при каких условиях происходит коллапс волновой функции, и кот либо становится мёртвым, либо остаётся живым, но перестаёт быть смешением того и другого. Поскольку ясно, что кот обязательно должен быть либо живым, либо мёртвым (не существует состояния, промежуточного между жизнью и смертью), то это будет аналогично и для атомного ядра. Оно обязательно должно быть либо распавшимся, либо нераспавшимся (Википедия).

Видео из «Теории большого взрыва»

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

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

Остался ли кот живым в результате эксперимента?

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

НИ ОДИН КОТ НЕ ПОСТРАДАЛ

В статье описывается, что такое теория Шредингера. Показан вклад этого великого ученого в современную науку, а также описан придуманный им мысленный эксперимент про кота. Вкратце обрисована область применения такого рода знаний.

Эрвин Шредингер

Пресловутого кота, который ни жив, ни мертв, сейчас задействуют везде. Про него снимают фильмы, в его честь называют сообщества про физику и животных, есть даже такой бренд одежды. Но чаще всего люди подразумевают парадокс с несчастным котом. А вот про его создателя, Эрвина Шредингера, как правило, забывают. Он родился в Вене, которая тогда была частью Австро-Венгрии. Был отпрыском весьма образованной и состоятельной семьи. Его отец, Рудольф, производил линолеум и вкладывал деньги в том числе и в науку. Его мать была дочерью химика, и Эрвин часто ходил слушать в академию лекции деда.

Так как одна из бабушек ученого являлась англичанкой, с детства он был заинтересован иностранными языками и в совершенстве овладел английским. Неудивительно, что в школе Шредингер каждый год был лучшим в классе, а в университете задавался сложными вопросами. В науке начала двадцатого века уже были выявлены несоответствия между более понятной классической физикой и поведением частиц микро- и наномира. На разрешение возникающих противоречий и бросил все силы

Вклад в науку

Для начала стоит сказать, что этот физик занимался многими областями науки. Однако когда мы произносим «теория Шредингера», то подразумеваем не созданное им математически стройное описание цвета, а вклад в квантовую механику. В те времена технология, эксперимент и теория шли рука об руку. Развивалась фотография, были зафиксированы первые спектры, открылось явление радиоактивности. Ученые, которые получали результаты, тесно взаимодействовали с теоретиками: соглашались, дополняли друг друга, спорили. Создавались новые школы и отрасли науки. Мир заиграл совсем другими красками, и человечество получило новые загадки. Несмотря на сложность математического аппарата, описать, что такое теория Шредингера, простым языком можно.

Квантовый мир - это просто!

Сейчас хорошо известно, что масштаб исследуемых объектов напрямую влияет на результаты. Видимые глазу предметы подчиняются понятиям классической физики. Теория Шредингера применима к телам размерами сто на сто нанометров и меньше. А чаще всего речь идет вообще об отдельных атомах и более мелких частицах. Итак, каждый элемент микросистем обладает одновременно свойствами как частицы, так и волны (корпускулярно-волновой дуализм). От материального мира электронам, протонам, нейтронам и т. п. присуща масса и связанные с ней инерция, скорость, ускорение. От теоретической волны - такие параметры, как частота и резонанс. Для того чтобы понять, как это возможно одновременно, и почему они неотделимы друг от друга, ученым потребовалось пересмотреть вообще все представление о строении веществ.

Теория Шредингера подразумевает, что математически эти два свойства связаны через некий конструкт, называемый волновой функцией. Нахождение математического описания этого понятия принесло Шредингеру Нобелевскую премию. Однако физический смысл, который приписал ему автор, не совпал с представлениями Бора, Зоммерфельда, Гейзенберга и Эйнштейна, которые основали так называемую Копенгагенскую интерпретацию. Отсюда и возник «парадокс кота».

Волновая функция

Когда речь идет о микромире элементарных частиц, теряют смысл понятия, присущие макромасштабам: масса, объем, скорость, размер. И вступают в свои права зыбкие вероятности. Объекты таких размеров невозможно человеку зафиксировать - людям доступны только опосредованные способы изучения. Например, полоски света на чувствительном экране или на пленке, количество щелчков, толщина напыляемой пленки. Все остальное - область расчетов.

Теория Шредингера строится на уравнениях, которые вывел этот ученый. А их неотъемлемой составляющей является волновая функция. Она однозначно описывает тип и квантовые свойства исследуемой частицы. Считается, что показывает состояние, к примеру, электрона. Однако она сама, вопреки представлениям её автора, физического смысла не имеет. Это просто удобный математический инструмент. Так как в нашей статье излагается теория Шредингера простыми словами, скажем, что квадрат волновой функции описывает вероятность найти систему в заранее заданном состоянии.

Кот как пример макрообъекта

С данной интерпретацией, которая называется копенгагенской, сам автор не согласился до конца жизни. Ему претила размытость понятия вероятности, и он настаивал на наглядности самой функции, а не ее квадрата.

Как пример несостоятельности таких представлений, он утверждал, что в таком случае микромир влиял бы на макрообъекты. Теория гласит следующее: если в герметичную коробку поместить живой организм (например, кота) и капсулу с ядовитым газом, которая открывается, если некий радиоактивный элемент распадается, и остается закрытой, если распад не происходит, то до открытия коробки получаем парадокс. Согласно квантовым представлениям, атом радиоактивного элемента с некоторой вероятностью за определенный промежуток времени распадется. Таким образом, до экспериментального обнаружения атом одновременно и цел, и нет. И, как гласит теория Шредингера, на эту же долю вероятности кот одновременно мертв, а в остальном жив. Что, согласитесь, абсурдно, ибо, открыв коробку, мы обнаружим только одно состояние животного. И в закрытой емкости, рядом со смертоносной капсулой, кот либо мертв, либо жив, так как данные показатели дискретны и не предполагают промежуточных вариантов.

Данному феномену есть конкретное, но пока не до конца доказанное объяснение: при отсутствии ограничивающих время условий для определения конкретного состояния гипотетического кота этот эксперимент, несомненно, парадоксален. Однако квантовомеханические правила нельзя употреблять для макрообъектов. Точно провести границу между микромиром и обычным пока не получилось. Тем не менее животное размером с кошку, без сомнений, - макрообъект.

Применение квантовой механики

Как и для любого, даже теоретического, явления, встает вопрос о том, чем может быть полезен кот Шредингера. Теория большого взрыва, например, основывается именно на процессах, которые касаются этого мысленного эксперимента. Все, что относится к сверхвысоким скоростям, сверхмалому строению вещества, изучению вселенной как таковой, объясняется в том числе и квантовой механикой.

Самый известный парадокс квантовой механики связан с именем австрийского физика Эрвина Шредингера.

Это мысленный эксперимент, который проводят над воображаемым котом, помещенным в закрытый ящик. В ящике есть емкость с ядовитым газом, которая открывается и убивает кота после распада радиоактивного ядра. Вероятность того, что ядро распадется в течение 1 часа, составляет 1/2.

Квантовая механика утверждает, что если над ядром не производится наблюдение, то его состояние является смешением двух вероятных исходов. То есть кот, сидящий в ящике, и жив, и мертв одновременно, пока экспериментатор не открыл ящик и не увидел, что на самом деле случилось .

Существует усложненный вариант эксперимента, предложенный Вигнером. Если экспериментатор открывает коробку и видит живого кота, в лаборатории кот признан живым. Но предположим, что у экспериментатора есть друг за пределами лаборатории. Он признает кота живым только тогда, когда экспериментатор сообщит ему об этом. Но все остальные друзья еще не признали кота живым, до тех пор, пока им не сообщили результат. То есть до того момента, пока все люди во Вселенной не узнали ход эксперимента, кот остается живым и мертвым одновременно .

Сформировались две основные интерпретации квантовой механики, по-разному объясняющие эксперимент Шредингера

В копенгагенской интерпретации система выбирает одно из двух возможных состояний в тот момент, когда происходит наблюдение.

Эксперимент с котом показывает, что природа самого наблюдения определена недостаточно: оно происходит в момент открытия ящика или в момент распада частицы? В любом случае, до открытия ящика кот вовсе не находится в состоянии смешения живого и мертвого, потому что на макроскопические объекты не распространяются законы микромира.

Приверженцы многомировой интерпретации не считают процесс измерения чем-то особенным: допускается, что существуют оба состояния кота. Но в момент, когда наблюдатель открывает ящик, возникают два состояния наблюдателя, которые никак не взаимодействуют друг с другом. То есть Вселенная расщепляется на две другие вселенные, в одной из которых наблюдатель видит мертвого кота, а в другой – живого.

Эта интерпретация кажется фантастической, хотя многие ученые признают ее право на существование наравне с копенгагенской.

Многомировая теория послужила вдохновением для создателей фильмов «Престиж» (2006), «Исходный код» (2011), и в то же время на ней основаны некоторые идеи квантовой криптографии.

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

Кот Шрёдингера как метафора

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

А был ли котик?

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

Кот Шрёдингера мертв с вероятностью 50%

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

Без кота квантовая механика не та

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

Кот Шрёдингра: разновидности

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

• копенгагенская разновидность

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

• разновидность Эверетта

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

• «квантовое самоубийство»

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

Каждый может вывести свою разновидность

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

• «вторая коробка»

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

• «микрокошка»

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

Кот Шрёдингера – звезда поп-культуры

Africa Studio / shutterstock.com

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

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

У котов получается лучше

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

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

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