Кот Шредингера: суть и значение эксперимента
Кто такой Эрвин Шредингер
Эрвин Шредингер (Erwin Schrödinger) – австрийский физик и один из основателей квантовой механики. Он родился 12 августа 1887 года в Вене, учился в университетах Вены и Берлина, а потом работал в университете Цюриха и в Дублинском университете, где и был награжден Нобелевской премией по физике в 1933 году.
Фото: Midjourney
Ученый известен своим вкладом в разработку волновой функции и уравнения Шредингера, которые стали основой квантовой механики. Также он известен своим знаменитым «парадоксом Шредингера» – экспериментом с котом, который иллюстрирует принцип суперпозиции состояний в квантовой физике.
Заметка Как и все гении, он был немного эксцентричен. Одним из увлечений ученого были путешествия с рюкзаком за спиной. Из-за этого ему чуть не отказали в заселении в гостиницу, когда он прибыл на конференцию для нобелевских лауреатов в Брюсселе. Дело в том, что в таком виде, без привычных персоналу отеля чемоданов и в дорожном костюме, Шредингер выглядел как бродяга. Однако после долгих споров его все же заселили.
Описание эксперимента
Кот Шредингера стал символом и мемом современности. Давайте разберемся, что случилось с этим котом и почему он так знаменит. Идея эксперимента заключается в следующем. В закрытом ящике находится кот, рядом с которым находится радиоактивный источник, счетчик Гейгера и флакон с ядерным веществом. Радиоактивный источник в течении часа с 50% вероятностью может выбросить частицу. Если частица выбросится, то счетчик это обнаружит и активирует устройство для разбивания флакона с ядовитым веществом, что приведет к гибели кота. Если частица не выбросится, то кот останется жив. Мы не знаем точно, что в каждый из моментов происходит с котом – активирован яд или нет. То есть объект может существовать в нескольких состояниях одновременно, пока никто за ним не наблюдает. Такое двойственное состояние называется суперпозицией.
На самом деле, конечно, никаких котов в ящик не сажали, эксперимент выполнялся только в воображении ученого. Особенность эксперимента Шредингера в уникальном способе демонстрации принципа квантовой суперпозиции. Это отличает его от привычных классических опытов и подчеркивает странность и необычность квантовой механики. Итоговый же вопрос звучит так: когда система перестаёт существовать как нечто двойственное и переходит к конкретному состоянию?
Копенгагенская интерпретация эксперимента кота Шредингера считается классическим подходом к пониманию квантовой механики. По мнению этой интерпретации, кот находится в суперпозиции состояний жив и мертв до момента измерения его состояния. И только при измерении состояния кота, его состояние фиксируется. Тут интересно то, что эта интерпретация утверждает, что объект макромира не может находиться в суперпозиции, а вот ядро атома радиоактивного вещества – может. Но в этом случае непонятно, когда и при каких условиях частица выбирает одно из двух положений. Юджин Вигнер ввел в эксперимент друзей, которые постепенно узнают, что кот умер. И до тех пор, пока все не узнают о результатах эксперимента, в чьем-то сознании кот жив. То есть до этого момента он опять же находится в суперпозиции. Интерпретация Вигнера предполагает, что объекты в квантовом мире могут быть одновременно частицами и волнами, и их состояние зависит от контекста наблюдения. Интерпретация Хью Эверетта предполагает, что каждый возможный исход в квантовой системе реализуется в собственной вселенной, что делает возможным существование параллельных вселенных. Она предполагает, что наблюдатель сам попадает одновременно в два состояния, где он одновременно видит живого и мертвого кота. Таким образом, кот и наблюдатель как бы существуют одновременно в двух мирах, но с разным исходом эксперимента. Эксперимент кота Шредингера используется в науке для иллюстрации принципов квантовой механики и обсуждения основных понятий, таких как суперпозиция состояний и волновая функция. Он также используется для объяснения труднопонимаемых концепций квантовой теории, таких как квантовое измерение и квантовое взаимодействие между частицами. Сейчас эксперимент с котом Шредингера используют, например, в разработке квантовых компьютеров, в криптографии для создания безопасных коммуникаций, а также в медицине для создания новых методов диагностики и лечения. Квантовые компьютеры могут обрабатывать информацию в нескольких состояниях одновременно, что позволяет им решать задачи быстрее классических компьютеров. Квантовая криптография использует принцип суперпозиции для создания криптосистем, устойчивых к взлому и подделке. В медицине исследуются возможности использования квантовых явлений для создания точной диагностики и инновационных методов лечения различных заболеваний.Что такое эффект наблюдателя
В эксперименте Шредингера ярко проявляется одно интересное физическое явление – эффект наблюдателя. Эффект наблюдателя – это феномен в квантовой механике, в соответствии с которым результаты наблюдаемых явлений зависят от самого наблюдателя. Другими словами, поведение частиц и их свойства могут изменяться в зависимости от того, какие наблюдения делаются и какие измерения проводятся. Звучит странно, но не для квантовой механики. Например, хорошо известно, что электроны могут вести себя по-разному, в зависимости от того, наблюдают за экспериментом или нет. Они могут вести себя как частица или как волна. Электроны столь малы, что даже такое незначительное воздействие, как наблюдение, изменяет их поведение. Но проявления эффекта наблюдателя можно отметить и в таких науках как социология, лингвистика, психология, компьютерные науки. Суперпозиция состояний кота возникает благодаря тому, что за ним никто не наблюдает. Только когда все физические воздействия в системе становятся наблюдаемыми (при открытии ящика), суперпозиция разрушается, и кот оказывается в определенном состоянии – жив или мертв. Таким образом, в эксперименте с котом Шредингера идея эффекта наблюдателя показывает, что наблюдение само по себе оказывает влияние на то, какие результаты мы получаем.
Зачем понадобился эксперимент
Эксперимент Шредингера был проведен для того, чтобы показать принципиальную неопределенность и вероятностный характер квантовых систем, а также вызвать дискуссии о фундаментальных аспектах квантовой физики. Этот эксперимент позволил ученым лучше понять особенности микромира и привел к разработке новых фундаментальных теорий в физике. Влияние наблюдателя на ситуацию оказалось важно для практического применения не только в физике. В пример можно привести случай на фабрике Western Electric в США, где руководство пыталось понять, какие условия труда влияют на производительность. В итоге выяснили, что на поведение рабочих положительно влияло не только изменение условий труда, но и само наблюдение. Здесь же можно упомянуть проект «идеальной тюрьмы» философа И. Бентама, построенной таким образом, что все камеры оказывались под наблюдением. По его мнению, заключенные должны были вести себя лучше при наблюдении и быстро исправляться.
Различные интерпретации эксперимента
Копенгагенская интерпретация эксперимента
Парадокс Вигнера
Объяснение Хью Эверетта или многомировая теория
Как эксперимент Шредингера используется в науке
