Эксперимент кот в коробке. Что такое кот Шредингера простыми словами? Суть опыта человеческим языком
Все мы слышали про знаменитого кота Шредингера, но знаем ли мы, что это за кот такой на самом деле? Давайте разберемся и попытаемся рассказать о знаменитом коте Шредингера простыми словами.
Кот Шредингера – это эксперимент, проведенный Эрвином Шредингером, одним из отцов-основателей квантовой механики. Причем это не обычный физический эксперимент, а мысленный .
Надо признать, что Эрвин Шредингер был человеком с очень богатым воображением.
Итак, что у нас есть в качестве воображаемой основы для проведения эксперимента? Есть кот, помещенный в коробку. В коробке также находится счетчик Гейгера с некоторым очень маленьким количеством радиоактивного вещества. Количество вещества таково, что вероятность распада и нераспада одного атома в течение часа – одинакова. Если атом распадется, запустится специальный механизм, который разобьёт колбу с синильной кислотой, и бедный кот умрет. Если же распада не произойдет, то кот продолжит тихонько сидеть себе в коробке и мечтать о сосисках.
В чем же суть кота Шредингера? Зачем вообще было придумывать такой сюрреалистический опыт?
Согласно результатам эксперимента мы узнаем, жив кот или нет, только когда открываем коробку. С точки зрения квантовой механики кот одновременно (как и атом вещества) находится сразу в двух состояниях – и жив, и мертв одновременно. Это и есть знаменитый парадокс кота Шредингера.
Естественно, такого быть не может. Эрвин Шредингер поставил этот мысленный эксперимент, чтобы показать несовершенство квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим.
Приведем формулировку самого Шредингера:
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.
Определенно положительным моментом в данном эксперименте является тот факт, что не одно животное в его ходе не пострадало.
Напоследок, для закрепления материала предлагаем Вам посмотреть видео из старого доброго сериала «Теория Большого Взрыва».
А если у Вас вдруг остались вопросы или преподаватель задал задачку по квантовой механике, обращайтесь к нашим авторам . Вместе мы решим все вопросы гораздо быстрее!
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.
Недавно вышедшая на известном научном портале "ПостНаука" авторская статья Эмиля Ахмедова о причинах возникновения знаменитого парадокса, а также о том, чем он не является.
Физик Эмиль Ахмедов о вероятностной интерпретации, замкнутых квантовых системах и формулировке парадокса.
На мой взгляд, наиболее и психологически, и философски, и во многих других отношениях сложной частью квантовой механики является ее вероятностная интерпретация. С вероятностной интерпретацией спорили многие люди. Например, Эйнштейн, наряду с Подольским и Розеном, придумал парадокс, опровергающий вероятностную интерпретацию.
Помимо них с вероятностной интерпретацией квантовой механики спорил также и Шредингер. В качестве логического противоречия вероятностной интерпретации квантовой механики Шредингер придумал так называемый парадокс кота Шредингера. Он может по-разному формулироваться, например так: скажем, у вас есть коробка, в которой сидит кот, и к этой коробке подсоединен баллон со смертельным газом. К включателю этого баллона, который впускает или не впускает смертельный газ, подключен какой-то прибор, работающий следующим образом: есть поляризующее стекло, и если проходящий фотон нужной поляризации, то баллон включается, газ поступает к коту; если фотон не той поляризации, то баллон не включается, ключ не включается, баллон не впускает газ к коту.
Допустим, фотон циркулярно поляризован, а прибор реагирует на линейную поляризацию. Это может быть не понятно, но это не очень важно. С какой-то вероятностью фотон будет поляризован одним образом, с какой-то вероятностью - другим. Шредингер говорил: получается такая ситуация, что в какой-то момент, пока мы не открыли крышку и не посмотрели, мертв кот или жив (а система замкнута), кот с какой-то вероятностью будет живым и с какой-то вероятностью будет мертвым. Может быть, я небрежно формулирую парадокс, но в итоге получается странная ситуация, что кот не жив и не мертв. Так формулируется парадокс.
На мой взгляд, этот парадокс имеет совершенно четкое и ясное объяснение. Возможно, это моя личная точка зрения, но попробую объяснить. Основным свойством квантовой механики является следующее: если описывать замкнутую систему, то квантовая механика - это не что иное, как волновая механика, механика волн. Это значит, что она описывается дифференциальными уравнениями, решениями которых являются волны. Там, где есть волны и дифференциальные уравнения, есть и матрицы и так далее. Это два эквивалентных описания: матричное описание и волновое описание. Матричное описание принадлежит Гейзенбергу, волновое - Шредингеру, но описывают они одну и ту же ситуацию.
Важно следующее: пока система является замкнутой, она описывается волновым уравнением, и то, что происходит с этой волной, описывается при помощи какого-то волнового уравнения. Вся вероятностная интерпретация квантовой механики возникает после того, как систему размыкают - на нее воздействуют снаружи каким-то большим классическим, то есть неквантовым, объектом. В момент воздействия она перестает уже описываться этим волновым уравнением. Возникает так называемая редукция волновой функции и вероятностная интерпретация. До момента размыкания система эволюционирует в соответствии с волновым уравнением.
Теперь нужно сделать несколько замечаний по поводу того, чем отличается большая классическая система от маленькой квантовой. Вообще говоря, и большую классическую систему можно описывать при помощи волнового уравнения, хотя это описание, как правило, трудно предоставить, а реально оно совершенно не нужно. Эти системы математически различаются действием. Так называемый объект есть в квантовой механике, в теории поля. Для классической большой системы действие огромное, а для квантовой маленькой системы действие маленькое. Более того, и градиент этого действия - скорость изменения этого действия во времени и пространстве - для большой классической системы огромный, а для маленькой квантовой - маленький. Это основное различие двух систем. Из-за того что действие очень большое для классической системы, ее удобнее описывать не какими-то волновыми уравнениями, а просто классическими законами вроде закона Ньютона и так далее. Например, по этой причине Луна вокруг Земли вращается не как электрон вокруг ядра атома, а по определенной, четко заданной орбите, по классической орбите, траектории. В то время как электрон, являясь маленькой квантовой системой, внутри атома вокруг ядра движется как стоячая волна, его движение описывается стоячей волной, и в этом различие двух ситуаций.
Измерение в квантовой механике - это когда вы большой классической системой воздействуете на маленькую квантовую. После этого происходит редукция волновой функции. На мой взгляд, присутствие баллона или кота в парадоксе Шредингера - это то же самое, что и наличие большой классической системы, которая измеряет поляризацию фотона. Соответственно, измерение происходит не в тот момент, когда мы открываем крышку ящика и смотрим, жив кот или мертв, а в тот момент, когда происходит взаимодействие фотона с поляризационным стеклом. Таким образом, в этот момент происходит редукция волновой функции фотона, баллон оказывается в совершенно определенном состоянии: либо он открывается, либо он не открывается, и кот умирает или не умирает. Всё. Никаких «вероятностных котов», что он с какой-то вероятностью жив, с какой-то вероятностью мертв, нет. Когда я говорил о том, что у парадокса кота Шредингера есть много разных формулировок, я лишь говорил, что есть много разных способов придумать тот прибор, который умерщвляет или оставляет живым кота. По сути формулировка парадокса не меняется.
Я слышал и о других попытках объяснения этого парадокса при помощи множественности миров и так далее. На мой взгляд, все эти объяснения не выдерживают критики. То, что я объяснил в течение этого ролика словами, можно облечь в математическую форму и проверить верность этого утверждения. Еще раз подчеркиваю, что, на мой взгляд, измерение и редукция волновой функции маленькой квантовой системы происходит в момент взаимодействия с большой классической системой. Такой большой классической системой является кот вместе с прибором, умерщвляющим его, а не человек, который открывает коробку с котом и смотрит, жив кот или нет. То есть измерение происходит в момент взаимодействия этой системы с квантовой частицей, а не в момент проверки кота. Подобные парадоксы, на мой взгляд, находят объяснения из применения теорий и здравого смысла.
Суть самого эксперимента
В оригинальной статье Шрёдингера эксперимент описан так:
Можно построить и случаи, в которых довольно бурлеска. Некий кот заперт в стальной камере вместе со следующей адской машиной (которая должна быть защищена от прямого 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. Согласно квантовой механике, если над ядром не производится наблюдение, то его состояние описывается суперпозицией (смешением) двух состояний - распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике, 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». 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, сочетающего жизнь и смерть), то это будет аналогично и для атомного ядра. Оно обязательно должно быть либо распавшимся, либо нераспавшимся.
Оригинальная статья вышла в 1935 году. Целью статьи было обсуждение парадокса Эйнштейна - Подольского - Розена (ЭПР), опубликованного Эйнштейном, Подольским и Розеном ранее в том же году
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.
Возможно, кто-то из вас слышал такое словосочетание, как «кот Шредингера». Однако для большинства людей это название ни о чем не говорит.
Если вы считаете себя мыслящим субъектом, и даже претендуете на роль интеллектуала, то следует обязательно узнать, что собой представляет кот Шредингера, и почему он стал знаменит в науке.
Кот Шредингера – это мыслительный эксперимент, предложенный австрийским физиком теоретиком Эрвином Шредингером. Этот талантливый ученый получил в 1933 г. Нобелевскую премию по физике.
Посредством своего знаменитого эксперимента ему хотелось показать всю неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим.
Обратите внимание
Эрвин Шредингер пытался пояснить свою теорию на оригинальном примере кота. Он хотел сделать это максимально просто, чтобы его мысль была понятна любому человеку.
Удалось ему это или нет, вы узнаете, дочитав статью до конца.
Суть эксперимента Кот Шредингера
Предположим, что некий кот заперт в стальной камере вместе с такой адской машиной (которая должна быть защищена от прямого вмешательства кота): внутри счётчика Гейгера находится столь крохотное количество радиоактивного вещества, 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.
Иначе говоря, мы имеем ящик и кота. В ящике установлено устройство с радиоактивным атомным ядром и емкостью с ядовитым газом.
В ходе опыта, вероятность распада иле не распада ядра приравнивается к 50%. Следовательно, если оно распадается – животное умрет, а если ядро не распадается – кот Шредингера останется жить.
Запираем кота в ящик, и на протяжении часа ждем, размышляя над бренностью жизни.
По законам квантовой механики ядро (а, следовательно, и сам кот), одновременно может быть во всех возможных состояниях (см. квантовая суперпозиция).
До того момента, пока ящик еще не открыт, система «кот-ядро» предполагает два варианта исхода событий: «распад ядра – кот мертв» с вероятностью 50%, и «распада ядра не случилось – кот жив» с той же долей вероятности.
Выходит, что кот Шредингера, сидящий внутри ящика, в одно и то же время жив и мертв.
Трактовка копенгагенской интерпретации гласит, что при любом раскладе кот жив и мертв одновременно. Выбор распада ядра наступает не тогда, когда мы вскрываем ящик, а ещё когда ядро попадает в детектор.
Это происходит из-за того, что редукция волновой функции системы «кот-детектор-ядро» никак не взаимосвязана с наблюдающим со стороны человеком. Она непосредственно связана с детектором-наблюдателем атомного ядра.
По законам квантовой механики, в том случае, если над атомным ядром не будет происходить наблюдения, оно может быть двойственным: то есть, распад либо случится, либо нет.
Из этого следует, что кот, находящийся в ящике и представляющий собой ядро, в одно и то же время может быть и живым, и мертвым.
Но в миг, когда наблюдатель решит вскрыть ящик, ему удастся увидеть лишь одно из 2-х возможных состояний.
Но теперь возникает закономерный вопрос: когда именно система прекращает свое существование в двойственном виде?
Благодаря этому опыту, Шредингер привел аргументы касательно того, что квантовая механика является неполной без определенных правил, объясняющих, в каких случаях наступает коллапс волновой функции.
Учитывая же тот факт, что кот Шредингера рано или поздно должен стать либо живым, либо мертвым, то это будет аналогично и для атомного ядра: атомный распад или произойдет, или нет.
Суть опыта человеческим языком
Шредингер на примере кота, хотел показать, что согласно квантовой механике, животное будет одновременно, как живым, так и мертвым. Это, по сути, невозможно, из чего делается вывод, что квантовая механика на сегодняшний день имеет существенные изъяны.
Видеоролик из «Теории большого взрыва»
Персонаж сериала Шелдон Купер пытался разъяснить своей «недалекой» подруге суть эксперимента Кот Шредингера. Для этого он использовал пример отношений между мужчиной и женщиной.
Чтобы узнать, какие у них взаимоотношения достаточно лишь вскрыть ящик. А пока он будет закрыт, их отношения могут быть одновременно, как положительными, так и отрицательными.
https://interesnyefakty.org/wp-content/uploads/Kot-SHredingera.mp4
Выжил ли кот Шредингера после опыта?
Если кто-то из наших читателей волнуется за кота, то вам стоит успокоиться. В ходе опыта ни один из котов не погиб, а сам Шредингер назвал свой эксперимент мысленным, то есть таким, который проводится исключительно в уме.
Надеемся, что вы поняли, в чем заключается суть эксперимента Кот Шредингера. Если у вас остались вопросы – можете задавать их в комментариях. Ну и, конечно, поделитесь этой статьей в социальных сетях.
Если вам нравятся интересные факты – подписывайтесь на сайт I nteresnye F akty.org любым удобным способом. С нами всегда интересно!
Понравился пост? Нажми любую кнопку:
Парадокс кота Шредингера. Объяснение смысла
Недавно вышедшая на известном научном портале “ПостНаука” авторская статья Эмиля Ахмедова о причинах возникновения знаменитого парадокса, а также о том, чем он не является.
Физик Эмиль Ахмедов о вероятностной интерпретации, замкнутых квантовых системах и формулировке парадокса
На мой взгляд, наиболее и психологически, и философски, и во многих других отношениях сложной частью квантовой механики является ее вероятностная интерпретация. С вероятностной интерпретацией спорили многие люди. Например, Эйнштейн, наряду с Подольским и Розеном, придумал парадокс, опровергающий вероятностную интерпретацию.
Помимо них с вероятностной интерпретацией квантовой механики спорил также и Шредингер. В качестве логического противоречия вероятностной интерпретации квантовой механики Шредингер придумал так называемый парадокс кота Шредингера.
Он может по-разному формулироваться, например так: скажем, у вас есть коробка, в которой сидит кот, и к этой коробке подсоединен баллон со смертельным газом.
К включателю этого баллона, который впускает или не впускает смертельный газ, подключен какой-то прибор, работающий следующим образом: есть поляризующее стекло, и если проходящий фотон нужной поляризации, то баллон включается, газ поступает к коту; если фотон не той поляризации, то баллон не включается, ключ не включается, баллон не впускает газ к коту.
Допустим, фотон циркулярно поляризован, а прибор реагирует на линейную поляризацию. Это может быть не понятно, но это не очень важно. С какой-то вероятностью фотон будет поляризован одним образом, с какой-то вероятностью - другим.
Шредингер говорил: получается такая ситуация, что в какой-то момент, пока мы не открыли крышку и не посмотрели, мертв кот или жив (а система замкнута), кот с какой-то вероятностью будет живым и с какой-то вероятностью будет мертвым.
Может быть, я небрежно формулирую парадокс, но в итоге получается странная ситуация, что кот не жив и не мертв. Так формулируется парадокс.
На мой взгляд, этот парадокс имеет совершенно четкое и ясное объяснение. Возможно, это моя личная точка зрения, но попробую объяснить. Основным свойством квантовой механики является следующее: если описывать замкнутую систему, то квантовая механика - это не что иное, как волновая механика, механика волн.
Обратите внимание
Это значит, что она описывается дифференциальными уравнениями, решениями которых являются волны. Там, где есть волны и дифференциальные уравнения, есть и матрицы и так далее. Это два эквивалентных описания: матричное описание и волновое описание.
Матричное описание принадлежит Гейзенбергу, волновое - Шредингеру, но описывают они одну и ту же ситуацию.
Важно следующее: пока система является замкнутой, она описывается волновым уравнением, и то, что происходит с этой волной, описывается при помощи какого-то волнового уравнения.
Вся вероятностная интерпретация квантовой механики возникает после того, как систему размыкают - на нее воздействуют снаружи каким-то большим классическим, то есть неквантовым, объектом. В момент воздействия она перестает уже описываться этим волновым уравнением.
Возникает так называемая редукция волновой функции и вероятностная интерпретация. До момента размыкания система эволюционирует в соответствии с волновым уравнением.
Теперь нужно сделать несколько замечаний по поводу того, чем отличается большая классическая система от маленькой квантовой. Вообще говоря, и большую классическую систему можно описывать при помощи волнового уравнения, хотя это описание, как правило, трудно предоставить, а реально оно совершенно не нужно.
Эти системы математически различаются действием. Так называемый объект есть в квантовой механике, в теории поля. Для классической большой системы действие огромное, а для квантовой маленькой системы действие маленькое.
Более того, и градиент этого действия - скорость изменения этого действия во времени и пространстве - для большой классической системы огромный, а для маленькой квантовой - маленький. Это основное различие двух систем.
Из-за того что действие очень большое для классической системы, ее удобнее описывать не какими-то волновыми уравнениями, а просто классическими законами вроде закона Ньютона и так далее.
Например, по этой причине Луна вокруг Земли вращается не как электрон вокруг ядра атома, а по определенной, четко заданной орбите, по классической орбите, траектории. В то время как электрон, являясь маленькой квантовой системой, внутри атома вокруг ядра движется как стоячая волна, его движение описывается стоячей волной, и в этом различие двух ситуаций.
Измерение в квантовой механике - это когда вы большой классической системой воздействуете на маленькую квантовую. После этого происходит редукция волновой функции. На мой взгляд, присутствие баллона или кота в парадоксе Шредингера - это то же самое, что и наличие большой классической системы, которая измеряет поляризацию фотона.
Соответственно, измерение происходит не в тот момент, когда мы открываем крышку ящика и смотрим, жив кот или мертв, а в тот момент, когда происходит взаимодействие фотона с поляризационным стеклом.
Таким образом, в этот момент происходит редукция волновой функции фотона, баллон оказывается в совершенно определенном состоянии: либо он открывается, либо он не открывается, и кот умирает или не умирает. Всё. Никаких «вероятностных котов», что он с какой-то вероятностью жив, с какой-то вероятностью мертв, нет.
Когда я говорил о том, что у парадокса кота Шредингера есть много разных формулировок, я лишь говорил, что есть много разных способов придумать тот прибор, который умерщвляет или оставляет живым кота. По сути формулировка парадокса не меняется.
Я слышал и о других попытках объяснения этого парадокса при помощи множественности миров и так далее. На мой взгляд, все эти объяснения не выдерживают критики.
То, что я объяснил в течение этого ролика словами, можно облечь в математическую форму и проверить верность этого утверждения.
Еще раз подчеркиваю, что, на мой взгляд, измерение и редукция волновой функции маленькой квантовой системы происходит в момент взаимодействия с большой классической системой.
Такой большой классической системой является кот вместе с прибором, умерщвляющим его, а не человек, который открывает коробку с котом и смотрит, жив кот или нет. То есть измерение происходит в момент взаимодействия этой системы с квантовой частицей, а не в момент проверки кота. Подобные парадоксы, на мой взгляд, находят объяснения из применения теорий и здравого смысла.
Суть самого эксперимента
В оригинальной статье Шрёдингера эксперимент описан так:
Можно построить и случаи, в которых довольно бурлеска.
Некий кот заперт в стальной камере вместе со следующей адской машиной (которая должна быть защищена от прямого 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. Согласно квантовой механике, если над ядром не производится наблюдение, то его состояние описывается суперпозицией (смешением) двух состояний - распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике, 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». 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, сочетающего жизнь и смерть), то это будет аналогично и для атомного ядра. Оно обязательно должно быть либо распавшимся, либо нераспавшимся.
Оригинальная статья вышла в 1935 году. Целью статьи было обсуждение парадокса Эйнштейна - Подольского - Розена (ЭПР), опубликованного Эйнштейном, Подольским и Розеном ранее в том же году
Кот Шредингера: простыми словами о знаменитом эксперименте
Наверняка многие сталкивались с этой загадочной формулировкой. А большинство до конца не могли понять, в чем суть дела. Кот Шредингера – это эксперимент, который назван по фамилии создателя, австрийского физика и одного из основоположника квантовой механики. В нашем материале мы просто и кратко рассказываем про смысл эксперимента. Для чего он был нужен?
Эрвин Шредингер – известный физик-теоретик. В 1935 году он решил провести виртуальный эксперимент с котом. Все это, чтобы доказать, что копенгагенская интерпретация суперпозиции (смешения двух состояний) не совсем верна в отношении к квантовой теории.
В чем суть эксперимента?
Шредингер мысленно помещает живого кота в стальную камеру вместе с молотом, флаконом синильной кислоты и очень небольшим количеством радиоактивного вещества. Если хотя бы один атом радиоактивного вещества распадется в течение испытательного периода, механизм реле спустит молот. А вот тот уже перевернет флакон с ядовитым газом и заставит кота умереть.
Для чего Шредингер это придумывает?
В квантовой механике считается, что если за ядром никто и ничто не наблюдает, то он находится в смешанном, неопределенном состоянии. И распавшемся, и не распавшемся сразу. А вот когда появляется наблюдатель, ядро оказывается в одном из состояний.
Кстати, эксперимент Шредингера имел цель – выяснить, в какой именно момент «кот одновременно мертвый и живой». А также когда выявляется конкретное состояние. Ученый хочет доказать, что квантовая механика невозможна без тонких деталей. А они определяют, при каких именно условиях случается коллапс волновой функции (изменение состояния).
А также определяют, когда объект остается в одном из возможных состояний (никак не в нескольких сразу).
Эрвин Шредингер хотел указать на странное заключение квантовых теоретиков. Они считали, что обычный человек может увидеть истинное состояние материи невооруженным глазом.
Копенгагенская интерпретация квантовой физики была доминирующей в то время.
Она считала, что атомы или фотоны существуют в нескольких состояниях в один момент (находятся в суперпозиции) и не переходят в определенное, пока они не наблюдаются.
Эксперимент Шредингера гововит о том, что наблюдатель не может знать, распался атом вещества или нет. К тому же наблюдатель не знает, разбился ли флакон и погиб ли кот. В соответствии с копенгагенской интерпретацией, кот будет жив и мертв, пока кто-то не заглянет в коробку.
В квантовой механике способность кошки быть живой и мертвой до тех пор, пока ее не наблюдают, называется квантовой неопределенностью или парадоксом наблюдателя. Логика, лежащая в основе парадокса наблюдателя, заключается в том, что наблюдения могут определять результаты.
Обратите внимание
Шредингер согласился с тем, что суперпозиция существует. Кстати, при его жизни ученые смогли доказать это, изучая интерференцию в световых волнах.
Но он задавался вопросом о том, когда на самом деле суперпозиция сменяется определенным состояние. Эксперимент Шредингера заставил людей задаться вопросом.
На самом ли деле возможно определить исход жизни кота, открыв коробку (посмотреть на него)?
Но будет кот жив или мертв, даже если коробку не открывать?
Этим парадоксальным мысленным экспериментом Шредингер доказал ошибочность копенгагенской интерпретации в квантовой физике. Эта интерпретация может срабатывать на микроскопическом уровне.
Но к макроскопическому миру она не имеет отношения (кот взят как пример макроскопического мира). То, что ученые знали о природе материи на микроскопическом уровне и то, что люди наблюдают на макроскопическом уровне, еще полностью не изучено.
Роль наблюдателя остается важным вопросом в изучении квантовой физики и является бесконечным источником предположений.
Теория Шредингера простыми словами. Кот Шредингера. Эрвин Шредингер:
Характерной чертой работы выдающегося ученого Эрвина Шредингера была своего рода «вторичность». Сам он редко занимался определенной научной проблемой.
Его излюбленным жанром работы был отклик на чье-либо научное изыскание, развитие этой работы или ее критика. Несмотря на то, что сам Шредингер был индивидуалистом по характеру, ему всегда была необходима чужая мысль, опора для дальнейшей работы.
Несмотря на этот своеобразный подход, Шредингеру удалось сделать немало открытий.
Биографические данные
Теория Шредингера сейчас известна не только студентам физико-математических факультетов. Она будет интересна всякому, кто испытывает интерес к популярной науке. Эта теория была создана известным физиком Э. Шредингером, который вошел в историю как один из создателей квантовой механики. Ученый родился 12 августа 1887 года в семье владельца фабрики по изготовлению клеенки.
Будущий ученый, прославившийся на весь мир своей загадкой, увлекался в детстве ботаникой и рисованием. Первым его наставником был отец. В 1906 году Шредингер начал учебу в Венском университете, во время которой и начал восхищаться физикой. Когда настала Первая мировая война, ученый пошел на службу артиллеристом. В свободное время занимался изучением теорий Альберта Эйнштейна.
К началу 1927 года в науке сложилась драматическая ситуация. Э. Шредингер считал, что основанием теории о квантовых процессах должна служить идея о непрерывности волн. Гейзенберг, напротив, считал, что фундаментом для этой области знаний должна быть концепция о дискретности волн, а также идея о квантовых скачках. Нильс Бор не принимал ни одной из позиций.
Достижения в науке
За создание концепции волновой механики в 1933 году Шредингер получил Нобелевскую премию. Однако, воспитанный в традициях классической физики, ученый не мог мыслить иными категориями и не считал квантовую механику полноценной отраслью знания.
Его не могло удовлетворить двойственное поведение частиц, и он пытался свести его исключительно к волновому. В своей дискуссии с Н.
Бором Шредингер выразился так: «Если мы планируем сохранить в науке эти квантовые скачки, тогда я вообще жалею, что связал свою жизнь с атомной физикой».
Дальнейшие работы исследователя
При этом Шредингер был не только одним из создателей современной квантовой механики. Именно он был тем ученым, который ввел в научный обиход термин «объектность описания».
Это возможность научных теорий описывать реальность без участия наблюдателя. Его дальнейшие исследования были посвящены теории относительности, термодинамическим процессам, нелинейной электродинамике Борна.
Также ученым было сделано несколько попыток создать единую теорию поля. Кроме того, Э. Шредингер владел шестью языками.
Самая знаменитая загадка
Теория Шредингера, в которой фигурирует тот самый кот, выросла из критики ученого квантовой теории. Один из ее основных постулатов гласит, что пока за системой не производится наблюдение, она находится в состоянии суперпозиции.
А именно, в двух и более состояниях, которые исключают существование друг друга.
Состояние суперпозиции в науке имеет следующее определение: это способность кванта, которым может быть также электрон, фотон, или, например, ядро атома, находиться одновременно в двух состояниях или даже в двух точках пространства в тот момент, когда никто за ним не наблюдает.
Объекты в разных мирах
Простому человеку очень сложно понять такое определение. Ведь каждый объект материального мира может быть либо в одной точке пространства, либо в другой. Проиллюстрировать этот феномен можно следующим образом. Наблюдатель берет две коробки, и кладет в одну из них шарик для тенниса. Будет ясно, что в одной коробке он находится, а в другой – нет.
Но если в одну из емкостей положить электрон, то верным будет следующее утверждение: эта частица находится одновременно в двух коробках, каким бы парадоксальным это ни казалось. Точно так же электрон в атоме не находится в строго определенной точке в тот или иной момент времени. Он вращается вокруг ядра, располагаясь на всех точках орбиты одновременно.
В науке этот феномен называется «электронным облаком».
Что хотел доказать ученый?
Таким образом, поведение маленьких и больших объектов реализуется по совершенно разным правилам. В квантовом мире существуют одни законы, а в макромире – абсолютно другие. Однако нет такой концепции, которая объясняла бы переход от мира материальных предметов, привычных для людей, к микромиру.
Теория Шредингера и была создана, для того чтобы продемонстрировать недостаточность исследований в области физики. Ученый хотел показать, что есть наука, целью которой является описание небольших объектов, и есть область знаний, изучающая обычные предметы.
Во многом благодаря работам ученого и произошло разделение физики на две области: квантовую и классическую.
Теория Шредингера: описание
Свой знаменитый мысленный эксперимент ученый описал в 1935 году. В его проведении Шредингер опирался на принцип суперпозиции.
Шредингер подчеркивал, что пока мы не наблюдаем за фотоном, он может быть как частицей, так и волной; как красным, так и зеленым; как круглым, так и квадратным.
Этот принцип неопределенности, который непосредственно вытекает из концепции квантового дуализма, Шредингер и использовал в своей известной загадке про кота. Смысл эксперимента вкратце состоит в следующем:
- В закрытую коробку помещается кот, а также емкость, в которой содержится синильная кислота и радиоактивное вещество.
- Ядро в течение часа может распадаться. Вероятность этого составляет 50%.
- Если атомное ядро распадется, то это будет зафиксировано счетчиком Гейгера. Механизм сработает, и ящик с отравой будет разбита. Кот умрет.
- Если же распада не произойдет, то кот Шредингера будет жив.
Согласно этой теории, пока не осуществляется наблюдение за котом, он находится одновременно в двух состояниях (мертв и жив), точно так же, как и ядро атома (распавшееся или не распавшееся). Конечно, это возможно только лишь по законам квантового мира. В макромире кот не может быть и живым, и мертвым одновременно.
Парадокс наблюдателя
Чтобы понять суть теории Шредингера, необходимо также иметь представление о парадоксе наблюдателя. Его смысл состоит в том, что объекты микромира могут находиться одновременно в двух состояниях только тогда, когда за ними не производится наблюдение. К примеру, в науке известен так называемый «Эксперимент с 2-мя щелями и наблюдателем».
На непрозрачную пластинку, в которой были сделаны две вертикальные щели, ученые направляли пучок электронов. На экране, находившемся за пластиной, электроны рисовали волновую картину. Иными словами, они оставляли черные и белые полосы.
Когда же исследователи захотели понаблюдать, каким образом электроны пролетают через щели, то частицы отобразили на экране всего лишь две вертикальные полосы. Они вели себя как частицы, а не как волны.
Копенгагенское объяснение
Современное объяснение теории Шредингера носит название копенгагенского.
Исходя из парадокса наблюдателя, оно звучит следующим образом: до тех пор, пока никто не наблюдает за ядром атома в системе, оно находится одновременно в двух состояниях – распавшемся и нераспавшемся.
Однако утверждение о том, что кот жив и мертв одновременно, крайне ошибочно. Ведь в макромире никогда не наблюдаются те же явления, что и в микромире.
Поэтому речь идет не о системе «кот-ядро», а о том, что между собой связаны счетчик Гейгера и ядро атома. Ядро может выбрать то или иное состояние в момент, когда производятся измерения. Однако данный выбор имеет место не в тот момент, когда экспериментатор открывает ящик с котом Шредингера.
На самом деле, открытие ящика имеет место в макромире. Иными словами, в системе, которая очень далека от атомного мира. Поэтому ядро выбирает свое состояние именно в тот момент, когда оно попадает на детектор счетчика Гейгера.
Таким образом, Эрвин Шредингер в своем мысленном эксперименте описал систему недостаточно полно.
Общие выводы
Таким образом, не совсем корректно связывать макросистему с микроскопическим миром. В макромире квантовые законы теряют свою силу. Ядро атома может находиться одновременно в двух состояниях только лишь в микромире. То же самое не может быть сказано относительно кота, поскольку он является объектом макромира.
Поэтому только на первый взгляд создается впечатление, что кот переходит из суперпозиции в одно из состояний в момент открытия ящика. В действительности его судьба определяется в тот момент, когда атомное ядро взаимодействует с детектором. Вывод можно сделать такой: состояние системы в загадке Эрвина Шредингера никак не связано с человеком.
Оно зависит не от экспериментатора, а от детектора – предмета, который «ведет наблюдение» за ядром.
Продолжение концепции
Теория Шредингера простыми словами описывается так: пока наблюдатель не смотрит на систему, она может находиться одновременно в двух состояниях. Однако еще один ученый – Юджин Вигнер, пошел дальше и решил довести концепцию Шредингера до полного абсурда.
“Позвольте! – сказал Вигнер, – А что если рядом с экспериментатором, наблюдающим за котом, стоит его коллега?” Напарник не знает о том, что именно увидел сам экспериментатор в тот момент, когда открыл коробку с котом. Кот Шредингера выходит из состояния суперпозиции. Однако никак не для коллеги наблюдателя.
Только в тот момент, когда последнему станет известна судьба кота, животное можно окончательно назвать живым или мертвым. Кроме того, на планете Земля живут миллиарды людей. И самый последний вердикт можно будет вынести только тогда, когда результат эксперимента станет достоянием всех живых существ.
Конечно, всем людям можно рассказать судьбу кота и теорию Шредингера кратко, однако это очень долгий и трудоемкий процесс.
Принципы квантового дуализма в физике так и не были опровергнуты мысленным экспериментом Шредингера. В каком-то смысле каждое существо можно назвать ни живым и ни мертвым (находящимся в суперпозиции) до тех пор, пока есть хотя бы один человек, за ним не наблюдающий.
Что не так с котом Шрёдингера
Хитро вывернутая теория, которую до конца не понимает никто в мире, плюс хорошая метафора = будоражащий умы населения глобальный мем.
В буквальном смысле глобальный - пожалуй, в любой стране мира можно будет найти довольно заметное количество людей, слышавших словосочетание «кот Шрёдингера».
И, возможно даже, в каждой стране мира найдутся не только слышавшие, но и делающие из этого далеко идущие выводы.
Ну там: «Если мир зависит от наблюдателя, то, значит, солипсизм верен - хотя бы отчасти».
Или: «Человек способен влиять на мир чисто силой мысли». Точнее, силой наблюдения за миром.
Или, быть может, человек способен, наблюдая, делать нужные мысленные усилия и направлять события в нужную сторону?
Или хотя бы в ненужную, но всё-таки направлять?
Иногда к этому - для солидности - добавляется: «учёные доказали» или «современная наука считает». Однако нет, никто ничего такого не доказывал, и современная наука так совсем даже не считает. Всё дело лишь в цепочке недопониманий.
В чём же тут на самом деле суть? Суть в том, что модель, в которой элементарные частицы можно представить в виде очень маленьких шариков, применима во множестве случаев, но есть некоторые случаи, когда эта модель даёт настолько неверные прогнозы, что приходится вводить другую, более общую модель, считая означенные «очень маленькие шарики» - некоторым её приближением, адекватным реальности не вообще всегда и везде, а только кое-где кое-когда.
Эти «шарики» вообще ведут себя довольно странно. Каждый из них вроде бы обладает импульсом и может быть где-то обнаружен - то есть, кроме импульса, ему ещё можно приписать координаты.
Однако одновременно измерить импульс и координаты одной и той же частицы можно исключительно с некоторой ошибкой.
Этот эффект описывается так называемым «соотношением неопределённостей Гейзенберга»: произведение ошибки в измерении импульса на ошибку измерения координаты всегда больше некоторой величины.
Эта величина - «половина от приведённой постоянной Планка» - довольно маленькая, поэтому в тех случаях, когда мы имеем дело с макроскопическим миром, неопределённости можно проигнорировать. Но вот в некоторых других случаях нас интересуют как раз мелкие детали, и вот тут это соотношение неопределённостей сильно мешает нам считать частицу просто шариком.
Кроме того, частицы демонстрируют ряд других странных эффектов: иногда преодолевают потенциальные (силовые) барьеры, на преодоление которых у них вроде бы не хватает энергии («туннельный эффект»), интерферируют сами с собой, когда их запускают в сторону железяки с двумя щелями, будто бы пролетая через обе щели сразу (то есть, ведут себя подобно накладывающимся друг на друга волнам, но в одиночку), ну и так далее.
Это подводит нас к выводу, что с частицами не всё так просто. Причём, как с ними на самом деле, никто пока наверняка не знает. Тем не менее, есть некоторое количество математических описаний происходящего, которые, если ими воспользоваться, дают довольно хорошо сбывающиеся прогнозы. А потому, видимо, реальности в некотором смысле соответствуют. Весь вопрос, как это соответствие трактовать.
В частности, фрагментом такового описания является так называемая «волновая функция», сопоставляемая с каждой элементарной частицей или с системой из элементарных частиц.
Как эту волновую функцию трактовать, есть много вариантов.
Обратите внимание
Положим, например, что частица - это не частица, а некоторое вещество, рассеянное по всему пространству. Рассеяно оно неравномерно, а потому мы можем ввести понятие его плотности в каждой точке пространства. Вот распределение этой плотности в зависимости от координат и описывает волновая функция (точнее, квадрат волновой функции).
Или же, скажем, квадрат волновой функции описывает вероятность того, что, ткнув в данную точку пространства, мы обнаружим там эту частицу - уже в виде «шарика».
Правда, эти аналогии весьма приблизительны. Ведь волновая функция задаётся не относительно привычных для нас координат в привычном для нас пространстве, а в виде координат в конфигурационном пространстве. Для чего, впрочем, тоже есть своя аналогия.
Предположим, что нас по какой-то причине интересует только цвет объектов. Для задания цвета мы, как известно, можем использовать три величины: красную, зелёную и синюю составляющие.
Если теперь мы зададим систему координат xyz , где вдоль оси x будет откладываться красная составляющая, вдоль оси y - зелёная и вдоль оси z - синяя, то каждому возможному цвету мы сможем поставить с соответствие точку в этой системе координат.
Поскольку же нас интересует только цвет, именно его мы будем считать состоянием объекта. И указывать эти состояния в виде точек этой координатной системы.
Вот и будет наше «конфигурационное пространство» для данного примера. То есть пространство, где осями координат выступают независимые все параметры и тем самым любой возможный набор параметров может быть представлен точкой в этом пространстве, имеющей соответствующие параметрам координаты.
Условная графическая модель конфигурационного пространства.
Если мы теперь установим вероятность того, что тот или иной объект имеет тот или иной цвет - например, просто посмотрев на цвета 100500 объектов и тщательно запротоколировав результаты, - то в этом конфигурационном пространстве мы сможем ввести понятие «плотности цвета» или, если вам угодно, «плотности вероятности обнаружения объекта с таким цветом» (того, что взятый нами наугад объект будет иметь цвет из некоторого малого диапазона близких друг к другу цветов).
Скажем объектов с цветом (1, 0, 0) у нас в три раза больше, чем объектов с цветом (0, 0, 1) (чисто красных втрое больше, чем чисто синих), поэтому «плотность цвета» в точке (1, 0, 0) втрое больше, чем в точке (0, 0, 1). Что аналогично втрое большей вероятности обнаружить чисто красный предмет, чем, нежели, чисто синий.
У конфигурационных пространств квантовых систем параметров побольше, чем было в этом примере, но суть процесса примерно вот такая: под состоянием системы там понимается расположение каждой из частиц с учётом их импульсов. А волновую функцию можно трактовать как то, что, будучи возведённой в квадрат, даёт плотность вероятности обнаружить именно вот такое состояние.
Так к чему всё это. Это всё к тому, что эта самая волновая функция описывает только ту квантовую систему, за которой никто не наблюдает. Если же попытаться её пронаблюдать, то она тут же проявит себя не как некое вышеописанное «облако состояний» с переменной плотностью, а практически как вышеописанную же группу движущихся шариков. Этот эффект называется «коллапс волновой функции».
В вышеприведённой аналогии с цветами означенное выглядело бы так: пока мы не вытащили какой-то конкретный объект из мешка, мы не можем говорить о его цвете, кроме как в смысле пространства цветов с функцией, описывающей плотность их вероятности. Но стоит нам какой-нибудь объект всё-таки вытащить, как мы узнаём конкретный цвет этого объекта.
То есть вероятность в бесконечно малом объёме, соответствующем этому цвету, «схлопывается» в единицу, а во всех остальных местах пространства цветов становится равной нулю. Что, собственно, вполне логично: наши знания о мире изменились, а потому изменились и наилучшие оценки вероятности тех или иных исходов.
Правда, у цветной аналогии и квантовой механики есть одно существенное отличие: в цветной аналогии предполагается целый мешок разноцветных объектов, тогда как частица-то, про которую идёт речь, всего одна (ну или набор частиц, но тоже один и тот же - воспринимаемый как единая система).
Однако стоит нам её пронаблюдать, как мы выясняем, что она, например, находится в такой-то окрестности вокруг такой-то точки пространства и летит в таком-то направлении с такой-то скоростью, плюс-минус неопределённость из соотношения неопределённостей.
И вот, помедитировав над всем этим, Шрёдингер предположил, что в квантовой механике, как в теории, заключён какой-то парадокс: уж слишком сильно такое описание расходится с привычным для нас макромиром, где, скажем, кружка пива вроде бы стоит на столе даже тогда, когда мы на неё не смотрим, а вовсе не распылена с разной плотностью по всей вселенной.
Чтобы это проиллюстрировать, он придумал пример, в котором в непрозрачном ящике сидит кот, и там же в ящике находится колба с ядом. Рядом с колбой находится детектор радиации и ядро какого-то радиоактивного элемента. Если частица распадётся, то детектор уловит её распад и включит механизм, разбивающий колбу с ядом. И тогда кот - всё.
Однако «распавшаяся частица» и «не распавшаяся частица» - это ведь тоже квантовые состояния. Пока мы не наблюдаем частицу, она находится сразу в обоих - просто с разной вероятностью (или плотностью, если угодно).
Таким образом, кот вроде как тоже должен находиться сразу в двух состояниях: живом и мёртвом. До тех пор, пока мы не откроем ящик, не пронаблюдаем его содержимое и не «схлопнем» тем самым волновую функцию частицы, сделав её состояние конкретным: распавшимся или не распавшимся.
А детектор - зафиксировавшим распад или не зафиксировавшим. Ну и кота - либо совсем живым, либо совсем мёртвым.
Заметьте, Шрёдингер не говорил, что, в нашем мире кот из данного мысленного эксперимента одновременно жив и мёртв.
Напротив, он говорил, что если согласиться с вот такой трактовкой квантовой механики и, в частности, волновой функции, то нам придётся признать существование одновременно живого и мёртвого кота в непрозрачном ящике.
Ну а уже из этого будет вытекать, что мы можем изменять мир просто путём созерцания его фрагментов.
Так вот. Что не так с котом Шрёдингера.
В первую очередь то, что тут допущены изрядные вольности в трактовке терминов.
Когда речь идёт о макромире, слово «наблюдение» мы привычно отождествляем с информацией, поступающей к нам в мозг через органы чувств.
Однако, как она поступает на сами органы? Мы ведь не можем наблюдать объект в километре от нас сам по себе. Нет, мы видим отражённый от этого объекта свет.
Обратите внимание
И уже по этому свету - потоку фотонов с различными длинами волн, с различной интенсивностью бомбардирующих различные рецепторы сетчатки нашего глаза, - мозг строит модель этого отдалённого объекта.
Иными словами, мы наблюдаем не сам объект, а последствия взаимодействия каких-то других объектов (в данном случае, фотонов) с этим объектом, а потом и с рецепторами нашей сетчатки.
Однако фотоны - очень мелкие, поэтому мы пренебрегаем их влиянием на сам объект.
Хотя на примере даже одного только нашего солнышка мы могли бы заметить, что фотоны ещё как могут поменять состояние объекта - нагреть его, заставить его генерировать электрический ток, спровоцировать химические реакции, даже сдвинуть его с места.
Но теперь предположим, что мы хотели бы «посмотреть» на сам фотон. Тут прежний фокус уже не сработает: ведь фотон не может отражать другие фотоны, оставаясь при этом в неизменности. Чтобы «посмотреть» на фотон, мы должны его поймать, а при поимке он, возможно, вообще перестанет существовать.
Ну или, по крайней мере, уж совершенно точно изменит своё состояние - полетит в другую сторону, например.
В микромире мы уже не можем проигнорировать то, что игнорируем в макромире: любое наблюдение радикально меняет состояние объекта, поскольку в обязательном порядке означает взаимодействие с этим объектом.
Собственно, поэтому под «наблюдением» в квантовой механике как раз оное взаимодействие и подразумевается: грубо говоря, захотели «посмотреть» на электрон - швырнули им в мишень и посмотрели на то пятно, которое он там оставил.
Это уже радикально отличается от абстракции «просто наблюдения» или даже «созерцания», которая фигурирует в далеко идущих выводах о солипсизме и т. п. Грубо говоря, в далеко идущих выводах подразумевается, что наш взгляд на мир - это как бы «само по себе». Что-то, влияющее на означенный мир разве что мистической силой мысли.
Тогда как реально-то мы что-то видим исключительно потому, что на это что-то повлияло что-то другое, а до нас долетели осколки результатов их взаимодействия. Наша сила мысли не при делах: из того, что мы что-то увидели, уже следует, что с этим чем-то что-то другое уже провзаимодействовало.
А провзаимодействовав, оно уже «схлопнуло» волновую функцию тех элементарных частиц, которые ранее болтались в полной неопределённости. Как волновую функцию ни трактуй, а смысл-то один: наблюдение подразумевает взаимодействие, а при взаимодействии уже наступил коллапс волновой функции.
Вот и в коробке с котом так же: детектор, уловивший продукты распада ядра, был тем самым «наблюдателем», который, вступив во взаимодействие с квантовой системой (радиоактивным ядром - распавшимся или нет), превратил суперпозицию (сумму) волновых функций, описывающих «распавшееся ядро» и «нераспавшееся ядро», в конкретное состояние: распалось или не распалось. Поэтому кот выжил или почил, независимо от того, заглянули ли мы в коробку.
Другое дело, что пока мы не заглянули в коробку, мы не можем знать наверняка, что там внутри происходит, а потому - для описания этой неопределённости - вполне могли бы ввести аналогичную волновой функции «плотность вероятности состояния кота» и в них описывать систему, состояния которой мы не знаем наверняка. И у этого даже будет практический смысл: взяв миллион коробок с котами и детекторами, мы сможем довольно хорошо предсказать, в какой их доле коты будут мертвы, а в какой - живы.
Однако такое статистическое предсказание радикально отличается от постоянно популяризируемой трактовки вида «мир зависит от наших наблюдений». Нет, из нашей способности предсказать то, что подброшенный миллион раз кубик примерно в одной шестой случаев покажет нам единицу, вовсе не следует, что мы силой мысли можем управлять кубиком.
В общем, термины надо понимать так, как их понимал автор некого утверждения, - только тогда его обоснования будут реальными обоснованиями верности этого утверждения. Если же их наделить иным, пусть даже более понятным и приятным вам смыслом, то его утверждение, фактически, будет заменено некой вашей личной фантазией, никак и ничем не подтверждённой.
Также следует отметить, что, несмотря на любимую многими (в том числе, некоторыми основателями квантовой механики) «квантовомеханическую уникальность и принципиальную непредставимость», определённые аналогии происходящего можно отыскать и в макромире тоже.
Кроме уже использованных в статье, можно предложить ещё вот такую.
Есть комната, в которой находятся воздух, в составе которого есть молекулы воды.
Спецприборов у вас нет, поэтому молекулы вы не можете видеть. Поэтому всё, что вам в этом случае доступно - статистическое описание системы. Например, через такие, статистические по сути параметры, как «температура», «давление», «энтропия» и т. п.
Вы можете сделать некие предположения о распределении молекул внутри комнаты, но узнать наверняка, в каком именно состоянии (в каких точках пространства и с какими скоростями летят) они находятся, вы не можете. Однако можете оценить вероятность этих состояний.
Потом вы ставите охлаждённый поднос внутрь этой комнаты. Через некоторое время на нём обнаруживается конденсат, видимый глазом. Теперь некоторую часть молекул воды вы уже можете видеть - как капли или даже как лужицы на подносе.
Таким образом, произведя «наблюдение», вы поменяли состояние системы, однако получили возможность описывать её часть уже не столь обширно статистически, как раньше: теперь часть молекул - вы это уже точно знаете - сосредоточена в гораздо меньших объёмах.
Кот Шредингера простыми словами
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 :
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 :
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):
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 :
И ещё много других фееричных, совершенно невозможных представлений о таком загадочном мысленном эксперименте.
Предыдущая статья: Чему равна скорость света Следующая статья: Углерод — характеристика элемента и химические свойства