Кот Шрёдингера

Этот мысленный эксперимент был предложен в первой половине XX века одним из отцов квантовой механики Эрвином Шрёдингером. Пожалуй, его можно назвать самым известным из когда-либо выдвинутым мысленным экспериментом. В данной статье мы постараемся рассказать читателю все самое важное и интересное об известном полуживом-полумертвом коте.

Что побудило Шрёдингера «провести» столь странный опыт? Есть ли что-то общее между котами и фотонами? Доказывает ли эксперимент, что все, что находится вне поля нашего зрения, может вообще не существовать? И все-таки, жив кот или мертв?

ЭКСПЕРИМЕНТ ШРЁДИНГЕРА

Гипотетический кот заперт в «стальной камере» с неким механизмом, основными элементами которого являются счетчик Гейгера, радиоактивное вещество и колба с ядовитым газом. В течение часа атом вещества может распасться в любой момент, а может не распасться. Если он распадется, счетчик засечет радиацию, механизм разобьет колбу с газом, и кот погибнет. Если нет — кот останется жив. Находясь в квантовой суперпозиции, атомное ядро (а, следовательно, и кот), якобы существует во всех возможных состояниях одновременно. При этом для каждого определена вероятность, с которой ядро (и кот) в нём находится. До того как ящик открывают, система «кот — ядро» находится в состоянии «ядро распалось, кот мёртв» с вероятностью 50 %, и в состоянии «ядро не распалось, кот жив» с вероятностью 50 %. То есть кот, сидящий в ящике, и жив, и мёртв одновременно.

МЕЖДУ ЖИЗНЬЮ И СМЕРТЬЮ

Шредингер, кстати, как и Эйнштейн, был недоволен квантовой механикой из-за ее неопределённости. Строгий детерминизм учёным был привычнее и понятнее квантового вероятностного описания. Классическая физика на вопрос: «Что произойдет при таких-то и таких-то условиях?» дает конкретный ответ: «Произойдет то-то и то-то». Квантовая же на него отвечает: «произойдет то-то и то-то с такой-то вероятностью. А может произойти и что-то иное с соответствующей вероятностью».

Мысленный эксперимент Шрёдингера «проводился» дабы указать на изъяны квантовой теории, ее неразрешенные проблемы в сопоставлении с классической реальностью. В нем представлена квантовая система, где атом может быть и распавшимся и не распавшимся одновременно и на первый взгляд это кажется нормальным. Однако когда аналогичное происходит с котом, который становится и живым и мёртвым, это звучит несообразно. Ведь в объективной реальности не существует состояния, промежуточного между жизнью и смертью, кот обязательно должен находиться в одном из них. Таким образом, при переходе из субатомной системы в макроскопическую, где привычные для нас объекты всегда находятся в единственном конкретном состоянии, раскрывается неполнота квантовой механики. Квантовые эффекты применительно к макроскопическим системам выглядят очень странно.

КОПЕНГАГЕНСКАЯ И МНОГОМИРОВАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИИ

В копенгагенской интерпретации квантовой механики, для кота не должно существовать переходного состояния между жизнью и смертью, до открытия ящика кот должен быть либо жив, либо мертв. В теории, до тех пор, пока ящик не вскрыт, система «кот-ядро» находится в положении суперпозиции между двумя равновероятными состояниями: «распавшееся ядро, мёртвый кот» и «нераспавшееся ядро, живой кот». Когда же «стальную камеру» открывают и производится наблюдение, система переходит в одно из двух возможных.

Существует так же точка зрения, кстати, пользующаяся у ученых большей популярностью, которая утверждает, что для выбора системой состояния не нужен наблюдатель-человек, достаточно любого фиксирования изменений. В мысленном эксперименте Шрёдингера эту функцию выполняет детектор-наблюдатель ядра. То есть процесс измерения случайно выбирает одну из возможностей, допустимых волновой функцией данного состояния, а волновая функция мгновенно изменяется, чтобы отразить этот выбор.

Следовательно, согласно копенгагенской интерпретации, суперпозиция является вполне обычным состоянием квантовых частиц. Фотонов, например. Она сохраняется, пока не произведено измерение, после чего фотон выбирает свой статус. Пока доподлинно ничего не известно о том, можно ли применять принцип суперпозиции (и саму квантовую механику вообще) к макроскопическим системам. Так же все еще неясно, что подразумевается под понятием «макроскопический объект», но кот определенно принадлежит к их числу. В таких системах мы почти не наблюдаем квантовых явлений, а при наложении макроскопической волновой функции на квантовое состояние суперпозиция разрушается.

Многомировая интерпретация, самая научно-фантастическая из всех интерпретаций квантовой механики, считает, что существует бесконечное число «параллельных вселенных» идентичных по своей природе, но находящихся в разных состояниях. Расщепление происходит при каждом событии, происходящем в одном из миров. Все его исходы реализуются в собственной вселенной, где свой наблюдатель видит один конкретный результат. Эта интерпретация лишена неприятного недостатка копенгагенской — допущения того, что без наблюдателя возможно существование объекта во всех возможных состояниях сразу. То есть вместо позволения существования живомертвого кота, многомировая предлагает его расщепление в разных мирах: в одном кот жив, а в другом мертв.

«КВАНТОВЫЙ» КОТ В КУЛЬТУРЕ

Безусловно, эксперимент Шрёдингера приобрел большую популярность в массах. Настолько большую, что едва ли сегодня можно найти человека, который совсем бы не слышал о наполовину живом и наполовину мертвом коте. Отсылки к эксперименту встречаются довольно часто. В популярных книгах, фильмах и играх, музыке и комиксах. Особо популярен образ в гик-среде, среди людей увлеченных наукой и технологиями.

ПРИМЕНЕНИЕ И ЗНАЧЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА ШРЕДИНГЕРА

О практическом применении пока известно немногое. Но содержания опыта применимо в квантовых вычислениях и в квантовой криптографии. Известно следующее описание.

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.

Своим экспериментом Шредингер сделал весьма существенный вклад в квантовую физику и науку в целом. Его «кот» не просто так стал столь известен. Проводилось немало анализов этого мысленного эксперимента и немало выводов из него было сделано. Несмотря на то, что в целом итог эксперимента довольно ясен, дебаты продолжаются до сих пор, что приводит к путанице и псевдонаучным заявлениям. Квантовой теории уже более ста лет, а основы ее до сих пор недостаточно определены. Но благодаря мысленному эксперименту Шредингера ученые сделали значительный шаг вперед еще на ранней стадии ее зарождения.