Кот Шредингера

Кот Шредингера — суть эксперимента. В течение многих веков наука считала, что вся Вселенная основана на детерминированных физических законах, то есть все предсказуемо, если известно достаточно данных.

Но в начале 20-го века физик Эрвин Шредингер поставил ситуацию, которая поставила детерминизм под сомнение: эксперимент с котом Шрёдингера.

Кот Шредингера? Что это такое?

Эксперимент состоит в том, чтобы поместить кошку в совершенно непрозрачную и звуконепроницаемую коробку, чтобы никто не знал, что происходит внутри.

Этот ящик содержит ядовитый газ, заключенный в контейнер, и кусок урана. Уран — радиоактивный и нестабильный материал, и он устроен таким образом, что вероятность того, что частица будет испущена в заданное время, составляет 50%.

Если эта частица оторвется за это время, устройство обнаружит ее и выпустит ядовитый газ по всей коробке, убив кошку.

С другой стороны, если за это время частица не оторвется, кошка будет жить. Таким образом, у кошки половина вероятности умереть, а другая половина — остаться в живых.

Немного о самом Шредингере

К середине 1930-х годов уже были заложены основы квантовой механики и ее ортодоксальной интерпретации. Однако именно в это время физики начали серьезно сомневаться в этом. Одним из таких физиков был австриец Эрвинг Шрёдингер, как раз один из его создателей.

Кто такой кот Шредингера?

Впервые наш кот появился в ноябре 1935 года в статье Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik («Современное состояние квантовой механики») в немецком журнале Die Naturwissenscheften («Естественные науки»). В этом мысленном эксперименте Шредингер и придумывает дьявольскую композицию.

Описание эксперимента

Представим себе животное, помещенное в непрозрачный ящик, оснащенный устройством, состоящим из стеклянной ампулы, содержащей летучий яд, и молотка, зажатого над ампулой, так что, если оно упадет на нее, оно разобьется, и яд вырвется наружу.

Чтобы гарантировать самодостаточность системы, молоток, в свою очередь, был подключен к механизму детектора альфа-частиц, так что, если один из них ударит по нему, он сработает и упадет.

Рядом с детектором помещаем радиоактивный атом с вероятностью 50% испустить альфа-частицу в течение часа. Закройте коробку и подождите.

По истечении этого часа произойдет одно из двух возможных событий: либо атом испустил альфа-частицу и активировал ядовитую ловушку, либо не испустил ее.

Следовательно, кот будет жив или мертв. Самое интересное, что вы не можете узнать, что произошло, не открывая коробку.

Добросовестный ученый, стремящийся гарантировать качество прогнозирования того, что он делает, захочет разработать модель, которая позволит ему предвидеть, что случилось с кошкой, еще до того, как он увидит это своими глазами. Затем он прибегает к формулировке проблемы в терминах квантовой механики.

Таким образом, кот будет описываться сложной волновой функцией, которая будет результатом суперпозиции двух возможных состояний, объединенных на пятьдесят процентов:

А) Живая кошка.

Б) Мертвая кошка.

Применяя квантовый формализм, происходит то, что повергает нас в недоумение: кот был бы жив и мертв одновременно.

Что делается тогда, так это прибегают к единственно положительному способу узнать, что произошло: ящик открывается. Но при проведении этой проверки — измерения — система видоизменяется, так как нарушается суперпозиция состояний, описанная в функции.

Именно в этот момент, спаситель, кажется, что счастливый детерминизм, навязываемый здравым смыслом, указывает на то, что, поскольку кошка не может быть одновременно живой и мертвой, она должна была быть живой или мертвой раньше.

Однако квантовая механика сообщает нам нечто более извращенное: пока никто не откроет коробку, кошка будет находиться в неопределенном состоянии, состоящем из суперпозиции двух возможных состояний: А или В. Это просто означает, что она способ управления, применяемый к системе, который изменяет и определяет ее, поскольку модифицирует ее.

Существует несколько интерпретаций этой ментальной модели. Самое основное состоит в том, что квантовая интерпретация показывает, что не так «очевидно», как показывает здравый смысл, что можно достичь абсолютной уверенности в чем-либо, поскольку присутствует неуправляемый вероятностный компонент.

Любопытная характеристика кванта заключается в том, что сам факт наблюдения загрязняет эксперимент и противопоставляет одну реальность другим. Эйнштейн выразил свое недоумение так: «Значит ли это, что Луны нет, когда на нее никто не смотрит?»

Вывод: когда квантовая система ломается, реальность определяется одним из вариантов. Мы увидим кошку только живой или мертвой, но не обоих сразу. Этот процесс перехода от квантовой реальности к нашей классической реальности называется декогеренцией, и он отвечает за то, что мы видим мир таким, каким мы его знаем. То есть единая реальность.

Объяснение простыми словами

Кот Шредингера известен тем, что символизирует некоторые из самых загадочных особенностей квантовой физики.

Принцип, сформулированный в 1925 г., гласит, что чем точнее знание положения частицы, тем не точнее измерение ее массы и скорости, и наоборот.

Кот Шредингера — это известный парадокс, используемый для иллюстрации концепции суперпозиции, возможности одновременного существования двух противоположных состояний и непредсказуемости в квантовой физике.

Открытие, которое опрокидывает многолетние фундаментальные догмы квантовой физики, позволяет исследователям создать систему раннего предупреждения о предстоящих скачках искусственных атомов, содержащих квантовую информацию.

Открытие важно, потому что оно подразумевает систему предупреждения о возможных сбоях в квантовых компьютерах , сверхмощных компьютерах, за разработку которых конкурируют различные академические центры и которые стали «Святым Граалем» вычислений.

Интерпретации эксперимента Шредингера

Чтобы интерпретировать результат, необходимо понимать, что называется «квантовыми состояниями»: квантовое состояние — это математический объект, в котором содержится вся информация физического объекта.

Например, в случае электрона, движущегося в атоме, квантовое состояние будет иметь информацию об энергии, угловом моменте и других интересующих физических величинах.

В общем, можно говорить о двух типах состояний: чистых, образованных одним квантовым состоянием, и смешанных, образованных суммой нескольких различных квантовых состояний.

При измерении энергии электрона, например, на одном из смешанных состояний можно будет получить некоторые значения энергии настоящих квантовых состояний (и никаких других), каждое с определенная вероятность.

• Интерпретация объективной реальности: все детерминировано

Считается, что кошка однозначно жива или мертва, даже если нет наблюдателя, который мог бы это проверить . Эта теория основана на здравом смысле, и такие ученые, как Эйнштейн и даже сам Шредингер, поддерживали эту интерпретацию. Эйнштейн был настолько одержим этой темой, что произнес слова: «Бог не играет в кости со вселенной». На что Бор ответил: «Хватит указывать Богу, как использовать его кости».

• Интерпретация космического сознания: существование Бога

Следуя подходу копенгагенской интерпретации, при наличии наблюдателя система коллапсирует в единственное возможное состояние (кошка живет или умирает).

Теперь, если рассматривать этого наблюдателя как новую систему, то по принципу суперпозиции первый наблюдатель был бы мертвым и живым одновременно, как кошка.

Следовательно, должен быть второй наблюдатель, наблюдающий за первым, определяющий, действительно ли первый наблюдатель живет и,  следовательно, наблюдает за кошкой.

Следуя этому рассуждению, всегда необходимо, чтобы наблюдатель наблюдал за другим наблюдателем, что привело бы к бесконечному количеству наблюдателей. Таким образом, для окончательного коллапса волны, определяющей, жив кот или мертв, должно существовать космическое сознание или Бог, ограничивающий цепь наблюдателей .

Если эта теория верна, должна существовать высшая сущность, которая наблюдает за человечеством и разрушает волны, создавая реальность наблюдателей и наблюдаемого. Он был предложен лауреатом Нобелевской премии по физике Юджином Виньетом. Он основан больше на осознании фактов, чем на самих фактах.

• Интерпретация множественных вселенных: все возможно и в то же время реальность

В копенгагенской интерпретации из всех возможных состояний кота (живого и мертвого) наблюдатель в конечном счете видел только одно. Согласно теории множественных вселенных, вселенная делится каждый раз, когда схлопывается волна, создавая таким образом столько вселенных, сколько состояний может принять система.

Таким образом, в эксперименте Шредингера с кошкой была бы создана вселенная, для которой кошка была бы жива, и другая, для которой она была бы мертва.

Таким образом, непрерывно создавалось бы большое количество вселенных, и в целом все возможности, даже самые отдаленные, существовали бы с начала времен.

Абсолютная проверка ни одной из этих интерпретаций не была продемонстрирована. В лучшем случае была продемонстрирована экспериментальная достоверность копенгагенской интерпретации. Так что, может быть, Эйнштейн был прав, и все, что произойдет, можно узнать, хотя теперь неизвестно, как это сделать.

Там может быть Бог, который наблюдает оттуда и контролирует все. Все возможное может быть правдой в разных вселенных. Возможно в будущем, кто-то найдет решение, а пока все может быть.

Копенгагенская интерпретация

Считается, что частица урана может быть описана двумя разными волнами. Первый описывает состояние, в котором частица отрывается, а второй описывает состояние, в котором она не отрывается.

Когда нет наблюдателя, в соответствии с принципом суперпозиции квантовой физики система определяется суммой двух волн.

Таким образом, в результате получается волна, в состоянии которой частица отрывается и не отрывается одновременно. Это заставляет кошку быть живой и мертвой одновременно.

Однако, когда кто-то откроет коробку, волна схлопнется до одной из первоначальных волн, и поэтому кошка будет либо мертва, либо жива. В этом эксперименте присутствие наблюдателя в квантовой физике оценивается как решающее.

Активная роль происходящего в окружающей его среде определяет конечное состояние любой системы.

Эту интерпретацию предложили лауреаты Нобелевской премии по физике Нильс Бор и Вайнер Гейзенберг. Он является наиболее приемлемым, учитывая, что его достоверность была продемонстрирована экспериментально.

Интерпретация Эверетта, которая называется многомировая

Одной из самых поразительных теорий, не рассматривающих коллапс как определяющую реальность, была теория многих вселенных , опубликованная в 1957 году Хью Эвереттом III.

Согласно этой теории, волновая функция никогда не коллапсирует за счет более глобального взгляда на нее.

Для Эверетта каждое наложение жизни и смерти в кошке должно, в свою очередь, быть связано с разными состояниями наблюдателя, того, кто видит живую кошку, и того, кто видит мертвую кошку. В каждой мере, в которой производится мир, он разворачивается, так что в каждой вселенной будет свой пример наблюдателя и кота:

Реальность = (живой кот) х (наблюдатель за живым котом) + (мертвый кот) х (наблюдатель за живым котом)

Эверетт утверждает, что наблюдатель никогда не может быть отделен от волновой функции и что они всегда развиваются детерминистически. Что происходит, так это то, что каждая версия «я» воспринимает только часть глобальной волновой функции, разделенной на множество вселенных. Вселенная раздваивается каждый раз, когда производится измерение, постоянно создавая новые параллельные вселенные с немного отличающейся историей.

Логично, что эта любопытная интерпретация столкнулась с многочисленными критиками, особенно в связи с ее нереалистичностью и неэкономичностью (ее автора, ныне покойного, даже защитили оскорблениями типа «заядлый курильщик»). С более строгой точки зрения можно было бы еще спросить о том, когда именно происходит бифуркация миров или же нам приходится рассматривать разные линии развертывания в зависимости от того, на какой основе мы вырабатываем вектор состояния.

Калифорнийский парадокс

Однако самое эффектное открытие в этом отношении было сделано в 2010 году исследовательской группой Эндрю Клеланда из Калифорнийского университета (США).

В этом эксперименте в игру вступили так называемые СКВИДы (Superconducting Quantum Interference Devices ), сверхпроводящие торы с одним или несколькими джозефсоновскими переходами (разрезы в несколько нанометров, которые из-за туннелирования действуют как кубит с двумя четко определенными квантовыми состояниями).

Охлаждение до 25 мК суперпозиционных состояний наблюдалось в материале с примерно 20 миллиардами атомов! Эти квантово-чистые состояния соответствовали электрическим токам в одном направлении и в противоположном, суперпозиции которых соответствовали двум собственным состояниям энергии (основному и возбужденному), которые наблюдались экспериментально.

В связи с тем, что «SQUID» по-испански переводится как «кальмар», носители английского языка могут утверждать, что, хотя кошек Шредингера не наблюдали, кальмаров Шрёдингера уже наблюдали (хотя должно быть ясно, что не просто так).

К сожалению, времена декогеренции, рассчитанные до сих пор теоретически при комнатной температуре, дают нам значения ниже планковской единицы, поэтому можно сказать, что наблюдать квантовые эффекты в классической системе практически невозможно, несмотря на то, что публицистическая литература и «мудрость» ненаучно утверждать, что физики защищают повсеместное распространение кошек.

Что хотел показать Шредингер

Шрёдингер никогда не был так успешен, как со своим знаменитым котом-зомби.

На самом деле, это доброе животное из семейства кошачьих породило всевозможные действительно любопытные альтернативные интерпретации.

Как тот, который считает, что кот жив в одной вселенной и мертв в другой, углубляясь в теории мультивселенной.

Правда в том, что парадокс кота Шредингера — один из самых известных в мире, но мало кто способен по-настоящему понять его . Таким образом, мы действительно не можем сказать, жив кот или мертв, в обоих состояниях, голоден или спит.

Но сколько бы лет ни прошло, она по-прежнему является предметом больших споров. Хотя, без сомнения, это самое известное животное из семейства кошачьих на планете  и, возможно, самое длинное, потому что если оно и живое, то уже много лет выживает в своей коробке… или нет?

Кошка Шредингера существует только в воображении , но ученые потратили десятилетия, пытаясь построить кошек (квантовые системы в суперпозиции состояний) со все большим количеством частиц или даже пытаясь спасти жизнь животному.

Все это, которое на самом деле принимает форму математической аппроксимации, является небольшим шагом вперед в сложной задаче разгадки тайн квантовой механики . Сегодня его самое непосредственное применение связано с квантовыми вычислениями, хотя его также можно использовать для точных измерений и квантовой криптографии.

Наталья Шахова