Американский физик разгадал парадокс кота Шрёдингера. Кот Шредингера: жив он или все-таки нет? Суть эксперимента

— мысленный эксперимент физика Эрвина Шрёдингера, суть которого заключается в том, что кот в коробке одновременно жив и мертв. Таким образом ученый доказывал неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим.

Происхождение

Австрийский физик-теоретик Эрвин Шрёдингер в 1935 году в статье «Текущая ситуация в квантовой механике» (Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik) в издании Naturwissenschaften предложил эксперимент с котом в коробке.

Берем кота и помещаем в коробку. В коробке находится атомное ядро и ёмкость с ядовитым газом. Вероятность распада ядра — 50%, если он состоится, емкость с газом откроется и кот умрет. Если распад не происходит — кот жив. Согласно основам квантовой механики, до того, как мы откроем коробку, кот находится в состоянии квантовой суперпозиции — то есть во всех состояниях одновременно.

Получается, что в системе «кот-ядро» кот может быть жив или мертв с одинаковой вероятностью в 50%. Или же он одновременно и жив, и мертв.

Популярность в интернете

Впервые в интернете вопрос с котом Шрёдингера обсуждали в мае 1990 года на форуме Usenet’s sci.physics. 9 августа 2000 года на форуме вопросов-ответов Straight Dope опубликовали поэму , посвященную коту Шрёдингера.

В августе 2004 года онлайн-магазин ThinkGeek начал продавать футболки с надписью «Кот Шрёдингера умер».

4 января 2006 года в серии комиксов Xkcd вышел комикс Шредингера.

» — Последняя панель этого комикса смешная и несмешная одновременно. Пока ты не прочтешь его, нельзя сказать, каким он окажется в конце.

— Чёрт»

2 июня 2007 года на сайте I Can Has Cheezburger опубликовали картинку кота в коробке с подписью: «В твоей квантовой коробке…один кот…возможно».

Венцом популярности кота Шрёдингера стал посвященный ему дудл Google, который появился 12 августа 2013 года — в день 126-летия Эрвина Шрёдингера.

Отсылки в популярной культуре

Значительную роль в популяризации кота Шрёдингера в массовой культуре сыграли фильмы, сериалы, книги и компьютерные игры, где упоминался этот эксперимент. Приведем лишь некоторые примеры.

В 16 серии шестого сезона «Футурамы» полицейские задерживают Шредингера и его кота.

Во второй серии первого сезона «Рик и Морти» главные герои встречаются с котами Шрёдингера в параллельной реальности.

Шелдон Купер в «Теории большого взрыва» с помощью теории о коте Шрёдингера объяснял Пенни, как работают отношения между мужчинами и женщинами.

Значение

Кот Шрёдингера — не только интернет-мем, но и герой массовой культуры. Кот, который одновременно и жив, и мертв, символизирует некую двузначность. Про Шредингера вспоминают, когда что-то является одновременно смешным и нет, или когда что-то одновременно запрещено и разрешено. Например, светофор, у которого одновременно горит красный и зеленых сигнал — светофор Шрёдингера.

Галерея

Энциклопедичный YouTube

• 1 / 5

  Фактически Хокинг и многие другие физики придерживаются мнения, что «Копенгагенская школа» интерпретации квантовой механики подчёркивает роль наблюдателя безосновательно. Окончательного единства среди физиков по этому вопросу всё ещё не достигнуто.

  Распараллеливание миров в каждый момент времени соответствует подлинному недетерминированному автомату в отличие от вероятностного, когда на каждом шаге выбирается один из возможных путей в зависимости от их вероятности.

  Парадокс Вигнера

  Это усложнённый вариант эксперимента Шрёдингера. Юджин Вигнер ввёл категорию «друзей». После завершения опыта экспериментатор открывает коробку и видит живого кота. Вектор состояния кота в момент открытия коробки переходит в состояние «ядро не распалось, кот жив». Таким образом, в лаборатории кот признан живым. За пределами лаборатории находится друг . Друг ещё не знает, жив кот или мёртв. Друг признает кота живым только тогда, когда экспериментатор сообщит ему исход эксперимента. Но все остальные друзья ещё не признали кота живым, и признают только тогда, когда им сообщат результат эксперимента. Таким образом, кота можно признать полностью живым (или полностью мёртвым) только тогда, когда все люди во вселенной узнают результат эксперимента. До этого момента в масштабе Большой Вселенной кот, согласно Вигнеру, остаётся живым и мёртвым одновременно .

  Практическое применение

  Вышеописанное применяется на практике: в квантовых вычислениях и в квантовой криптографии . По волоконно-оптическому кабелю пересылается световой сигнал, находящийся в суперпозиции двух состояний. Если злоумышленники подключатся к кабелю где-то посередине и сделают там отвод сигнала, чтобы подслушивать передаваемую информацию, то это схлопнет волновую функцию (с точки зрения копенгагенской интерпретации будет произведено наблюдение) и свет перейдёт в одно из состояний. Проведя статистические пробы света на приёмном конце кабеля, можно будет обнаружить, находится ли свет в суперпозиции состояний или над ним уже произведено наблюдение и передача в другой пункт. Это делает возможным создание средств связи, которые исключают незаметный перехват сигнала и подслушивание.

  Эксперимент (который в принципе может быть выполнен, хотя работающие системы квантовой криптографии, способные передавать большие объёмы информации, ещё не созданы) также показывает, что «наблюдение» в копенгагенской интерпретации не имеет отношения к сознанию наблюдателя, поскольку в данном случае к изменению статистики на конце кабеля приводит совершенно неодушевлённое ответвление провода.

  В 1935 году, ярым противником только что возникшей квантовой механики, Эриком Шрёдингером была опубликована статья, предполагавшая обличить и доказать несостоятельность новой ветки развития физики.

  Суть статьи заключается в проведении мысленного эксперимента :

  1. В совершенно герметичном ящике размещается живой кот.
  2. Рядом с котом помещается счётчик Гейгера, в котором располагается один радиоактивный атом.
  3. Напрямую к счётчику Гейгера присоединяется колба наполненная кислотой.
  4. Возможный распад радиоактивного атома приведёт в действие счётчик Гейгера, который, в свою очередь, разобьёт колбу и вылившаяся из неё кислота убьёт кота.
  5. Останется ли живым кот или же умрёт, если будет находиться вместе с такими неудобными соседями?
  6. Для эксперимента выделяется один час.

  Ответ, на данный вопрос и был призван доказать несостоятельность квантовой теории, в основе которой лежит суперпозиция: закон парадокса — все микрочастицы нашего мира всегда одномоментно находятся в двух состояниях, до тех пор, пока за ними не начинают наблюдать.

  То есть, находясь в замкнутом пространстве (квантовая теория), наш кот, как и его непредсказуемый сосед — атом, синхронно присутствуют в двух состояниях :

  1. Живой, и в то же время мёртвый кот.
  2. Распавшийся, и в то же время не распавшийся атом.

  Что, согласно классической физики, является совершеннейшим абсурдом. Невозможно одномоментное существование таких, взаимоисключающих, вещей.

  И это правильно, но только с точки зрения макромира. Тогда как в микромире действуют совершенно другие законы, и потому Шрёдингер ошибался, применяя законы макромира к отношениям внутри микромира. Не понимая, что целенаправленное наблюдение за происходящими неопределённостями микромира, устраняют последние.

  Другими словами, если открыть замкнутую систему, в которую помещён кот вместе с радиоактивным атомом, мы увидим лишь одно из возможных состояний испытуемого.

  Это и удалось доказать американскому физику из университета штата Арканзас, Арту Хобсону (Art Hobson). Согласно его теории, если соединить микросистему (радиоактивный атом) с макросистемой (счётчиком Гейгера), последняя обязательно проникнется состоянием квантовой запутанности первой и перейдёт в суперпозицию. А, так как мы не можем произвести непосредственное наблюдение этого явления, оно для нас станет неприемлемым (что и доказывал Шрёдингер).

  Итак, мы выяснили, что атом и счётчик радиации находятся в одной суперпозиции. Тогда кем или чем, для этой системы, можно назвать кота? Если рассуждать логически, кот, в этом случае, становится указателем состояния радиоактивного ядра (попросту — индикатором):

  1. Кот — живой, ядро не распалось.
  2. Кот — мёртвый, ядро распалось.

  Однако, надо учесть и тот факт, что кот также является частью единой системы, так как тоже находится внутри ящика. Поэтому, согласно теории кванта, кот находится в, так называемой, не локальной связи с атомом, т.е. в запутанном состоянии , а значит в суперпозиции микромира.

  Отсюда следует, что, при внезапном изменении одного из объектов системы, тоже произойдёт и с другим объектом, как бы далеко друг от друга они не находились. Мгновенная смена состояния обоих объектов, доказывает, что мы имеем дело с единой системой, просто разделённой пространством на две части.

  А значит, можно с уверенностью говорить о том, что кот Шрёдингера сиюминутно, либо жив, если атом не распался, либо мёртв, если произошёл распад атома.

  И все-таки, именно благодаря мысленному эксперименту Шрёдингера, был сконструирован математический прибор описывающий суперпозиции микромира. Эти знания нашли широкое применение в криптографии и компьютерных технологиях.

  Напоследок хотелось бы отметить неиссякаемую любовь к таинственному парадоксу «кота Шрёдингера» со стороны всевозможных писателей и кинематографа. Вот только несколько примеров :

  1. Магический устройство, под названием, «Кот Шрёдингера», в романе Лукьяненко «Последний Дозор».
  2. В детективном романе Дугласа Адамса «Детективное агентство Дирка Джентли», идёт живое обсуждение проблемы кота Шрёдингера.
  3. В романе Р. Э. Хайнлайна «Кот, проходящий сквозь стены», главный герой, кот, почти постоянно находится одномоментно в двух состояниях.
  4. Знаменитый чеширский кот Льюиса Кэрролла в романе «Алисы в стране чудес», любит, одномоментно появляться сразу в нескольких местах.
  5. В романе «451 градус по Фаренгейту» Рэй Брэдбери поднимает вопрос о коте Шрёдингера, в образе живого — мёртвого механического пса.
  6. В романе «Маг-целитель» Кристофер Сташеф весьма своеобразно описывает своё видение кота Шрёдингера.

  И ещё много других фееричных, совершенно невозможных представлений о таком загадочном мысленном эксперименте.

  Не все читают книги о великих изобретениях человечества. Но точно все, кто смотрел сериал «Теория большого взрыва», слышали о таком феномене как "Кот Шредингера". Поскольку он имеет отношение к квантовой механике, то человеку без технического образования достаточно сложно понять его смысл. Попробуем разобраться, что же означает понятие "Кот Шредингера" простыми словами.

  Содержание:

  Краткая историческая справка

  Эрвин Шредингер – известный физик, один из создателей теории квантовой механики. Отличительной чертой его научной деятельности была так называемая вторичность. Он редко брался первым за исследование чего-либо.

  
  
  

  В основном Шредингер писал отзывы на чье-либо изобретение или научное достижение, критиковал автора или же приступал к дальнейшим разработкам чужих изысканий и открытий. Хотя он и был по характеру индивидуалистом, но не мог не опираться на чужие идеи и мысли, которые он брал за основу в своих исследованиях. Несмотря на это, он внес огромный вклад в развитие квантовой механики, во многом благодаря своей загадки о «Коте Шредингера».

  К достижениям Шредингера в науке относятся:

  • создание концепции волновой механики (за это в 1933 году получил Нобелевскую премию);
  • ввел в научный оборот термин «объектность описания» – обосновал возможность научных теорий без непосредственного участия субъекта исследования (стороннего наблюдателя) описывать окружающую реальность;
  • развивал теорию относительности;
  • изучал термодинамические процессы и нелинейную электродинамику Борна;
  • предпринимал попытки создания единой теории поля.

  Понятие "Кот Шредингера"

  "Кот Шредингера" – знаменитая загадка теории Шредингера, мысленный эксперимент, проведенный австрийским физиком-теоретиком, с помощью которого удалось продемонстрировать неполноту квантовой механики при переходе от микросистем к макросистемам. Вся эта теория базируется на критике ученым достижений квантовой механики.

  Прежде чем переходить к описанию эксперимента, необходимо дать определение основным понятиям, которые в ней используются. Основной постулат знаменитого феномена гласит, что до тех пор, пока за системой никто не наблюдает, она находится в положении суперпозиции – одновременно в двух или более состояниях, которые исключают взаимное существование. Сам Шредингер дал следующее определение суперпозиции – это квантовая способность (в роли кванта может быть и электрон, и фотон, и ядро атома) находиться сразу в нескольких состояниях или нескольких точках пространства одновременно, пока за системой никто не наблюдает. Квант – это микроскопический объект микросреды.

  

  
  
  

  Описание эксперимента

  Статья в оригинале, в которой Шредингер объясняет свой эксперимент, была опубликована в 1935 году. Для описания эксперимента использовался метод сравнения и даже олицетворения.

  Понять точно, что имел в виду Шредингер, изучая эту статью, очень сложно. Попытаюсь описать суть эксперимента простыми словами.

  Садим кота в ящик с механизмом, который содержит радиоактивное атомное ядро, и емкостью, наполненной ядовитым газом. Эксперимент проводится с точно подобранными параметрами вероятности распада атомного ядра – 50% за 1 час. При распаде ядра происходит утечка газа из емкости, что приводит к смерти кота. Если же этого не происходит, с котом ничего не случается, он живой и здоровый.

  Проходит час, и мы хотим получить ответ на вопрос: умер кот или остался жив? Согласно выдвинутой теории Шредингера ядро атома, как и кот, находятся в ящике в нескольких состояниях одновременно (определение суперпозиции). До момента открытия ящика микросистема, в которой находятся ядро атома и кот, с вероятностью 50% - имеют состояние «ядро распалось, кот умер», и с такой же вероятностью имеют состояние «ядро не распалось, кот жив». Это подтверждает гипотезу о том, что кот, который сидит в ящике, одновременно и жив, и мертв, то есть находится сразу в нескольких состояниях в один и тот же момент времени. Получается, что кот, сидящий в ящике, и жив, и мёртв одновременно.

  

  Говоря простым языком, феномен «Кота Шредингера» объясняет возможность того факта, что с точки зрения квантовой механики, кот одновременно и жив, и мертв , что в реальности невозможно. На этой основе можно сделать вывод о наличии существенных изъянов в теории квантовой механики.

  
  
  
  

  Если не наблюдать за ядром атома в микросистеме, то происходит смешивание двух состояний – распавшегося и нераспавшегося ядра. При открытии ящика экспериментатор может наблюдать только одно какое-нибудь конкретное состояние. Поскольку кот олицетворяет ядро атома, то он тоже будет только в одном состоянии – или жив, или мертв.

  Разгадка парадокса – копенгагенская интерпретация

  

  Ученые из Копенгагена разгадали загадку «Кота Шредингера». Современная копенгагенская интерпретация состоит в том, что кот жив/мертв без всяких промежуточных состояний, потому что ядро распадается или не распадается не при открытии ящика, а еще раньше – когда ядро направляется в детектор. Объяснение этому следующее: редукция волновой функции микросистемы «кот-детектор-ядро» не имеет никакой связи с человеком, наблюдающим за ящиком, а связана с детектором-наблюдателем ядра.

  
  
  

  Данная интерпретация феномена Кота Шредингера отрицает возможность нахождения кота до открытия ящика в состоянии суперпозиции – в состоянии живого/мёртвого кота одновременно. Кот в макросистеме всегда находится лишь в каком-то одном состоянии.

  Важно! Эксперимент Шредингера показал, что микрообъект и макрообъект ведут себя в системах в соответствии с разными законами – законами квантовой физики и законами физики в ее классическом понимании соответственно.

  Но науки, изучающей явления при переходе от макросистемы к микросистеме, не существует. Эрвин Шредингер загорелся идеей проведения такого эксперимента именно с той целью, чтобы доказать слабость и неполноту общей теории физики. Его самым сокровенным желанием было продемонстрировать на конкретном опыте, что каждая наука выполняет свои задачи: классическая физика изучает макрообъекты, квантовая физика – микрообъекты. Есть потребность в разработке научных знаний для описания процесса перехода от больших к маленьким объектам в системах.

  

  Сразу простому обывателю очень сложно понять сущность данного парадокса. Ведь в сознании каждого человека есть убежденность в том, что любой объект материального мира в данный момент времени может находиться только в какой-то одной точке.

  
  
  

  Но теорию Шредингера можно применять только к микрообъектам, кот – же объект макромира.

  Самой свежей интерпретацией парадокса «Кота Шредингера» является применение его в сериале «Теория большого взрыва», в котором главный герой Шелдон Купер объяснил его сущность для менее образованной Пенни. Купер перенес этот феномен в область человеческих отношений. Чтобы понять, хорошие или плохие отношения между людьми противоположного пола, просто нужно открыть ящик. А до этого момента любые отношения являются одновременно и хорошими, и плохими.

  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.