Кот Шрёдингера

Публикуется в разделе "Справочные материалы"

Кот Шрёдингера – персонаж парадоксального мысленного эксперимента Эрвина Шрёдингера, с помощью которого ученый хотел показать неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим.

Суть эксперимента

В закрытый ящик помещён некий кот. Внутри ящика имеется механизм, содержащий радиоактивное ядро и ампула с синильной кислотой. Параметры эксперимента подобраны так, что вероятность того, что ядро распадётся за 1 час, составляет 1 к 2. Если ядро распадается, это приводит механизм в действие, ампула с отравляющим газом разбивается, и кот умирает. 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 обязан 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 становится либо мёртвым, либо остаётся живым, но перестаёт быть смешением того и другого.

Кот Шрёдингера

Вопреки расхожим представлениям, сам Шрёдингер придумал этот опыт вовсе не потому, что он верил, будто "мёртво-живые" коты существуют. Напротив, он считал квантовую механику неполной и не до конца описывающей реальность в данном случае. Поскольку ясно, что кот обязательно должен быть либо живым, либо мёртвым (не существует состояния, промежуточного между жизнью и смертью), то это означает, что это верно и для атомного ядра. Оно обязано быть либо распавшимся, либо нераспавшимся.

Оригинальная статья вышла в немецком журнале Naturwissenschaften (Естественные науки) в 1935 году: E. Schrödinger: "Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik" ("Сегодняшнее положение дел в квантовой механике"), Naturwissenschaften, 48, 807, 49, 823, 50, 844 (November 1935). Целью статьи было обсуждение ЭПР парадокса, опубликованного Эйнштейном, Подольским и Розеном ранее в том же году. Кроме того, что Шрёдингер в этой статье познакомил нас с котом, он ещё ввёл термин "запутанность" (По-немецки: Verschränkung, по-английски: entanglement).

В копенгагенской интерпретации система перестаёт быть смешением состояний и выбирает одно из них в тот момент, когда происходит наблюдение. Эксперимент с котом показывает, что в этой интерпретации природа этого самого наблюдения – измерения – определена недостаточно. Некоторые полагают, что опыт говорит о том, что до тех пор, пока ящик закрыт, система находится в обоих состояниях одновременно, в суперпозиции состояний "распавшееся ядро, мёртвый кот" и "нераспавшееся ядро, живой кот", а когда ящик открывают, то только тогда происходит коллапс волновой функции до одного из вариантов. Другие догадываются, что "наблюдение" происходит, когда частица из ядра попадает в детектор. Однако (и это ключевой момент мысленного эксперимента), в копенгагенской интерпретации нет чёткого правила, которое говорит, когда это происходит, и потому эта интерпретация неполна до тех пор, пока такое правило в неё не введено или не сказано, как его можно ввести в принципе. Точное правило таково: случайность появляется в том месте, где в первый раз используется классическое приближение.

Таким образом, мы можем опираться на следующий подход: в макроскопических системах мы не наблюдаем квантовых явлений (кроме явления сверхтекучести и сверхпроводимости); поэтому, если мы накладываем макроскопическую волновую функцию на квантовое состояние, мы из опыта должны заключить, что суперпозиция разрушается. И хотя не совсем ясно, как определить, что нечто является "макроскопическим" вообще, про кота точно известно, что он является макроскопическим объектом. Таким образом, копенгагенская интерпретация не считает, что до открытия ящика кот находится в состоянии смешения живого и мёртвого.

Многомировая интерпретация Эверетта и совместные истории

В многомировой интерпретации квантовой механики, которая не считает процесс измерения чем-то особенным, оба состояния кота существуют, но декогерируют. Когда наблюдатель открывает ящик, он запутывается с котом и от этого образуются два состояния наблюдателя, соответствующие живому и мёртвому коту, которые (состояния) не взаимодействуют друг с другом. Тот же механизм квантовой декогеренции важен и для совместных историй. В этой интерпретации только "мёртвый кот" или "живой кот" могут быть в совместной истории. 

Другими словами, когда ящик открывается, Вселенная расщепляется на две разные вселенные, в одной из которых наблюдатель смотрит на ящик с мёртвым котом, а в другой – другой наблюдатель смотрит на живого кота. Парадокс?

Космолог Макс Тегмарк предложил вариацию опыта с котом Шрёдингера под названием "машина для квантового самоубийства". Он рассматривает эксперимент с котом с точки зрения самого кота и утверждает, что таким образом можно экспериментально различить копенгагенскую и многомировую интерпретации. Другая вариация эксперимента – это опыт с другом Вигнера.

Физик Стивен Хокинг однажды воскликнул: "Когда я слышу про кота Шрёдингера, моя рука тянется за ружьём!" Он перефразировал известное немецкое высказывание, сделанное нацистским "заслуженным поэтом" Гансом Йостом: "Wenn ich 'Kultur' höre, entsichere ich meinen Browning!" ("Когда я слышу слово „культура“, моя рука тянется за браунингом!")

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

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

Практическое применение

Оказывается, вышеописанное возможно применить на практике: в квантовых вычислениях и в квантовой криптографии. По волоконно-оптическому кабелю возможно послать световой сигнал, который находится 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. В принципе  это делает возможным создание средств связи, которые исключают возможность незаметного перехвата сигнала и подслушивания.

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

В квантовых вычислениях состоянием Шредингеровского кота называется особое перепутанное состояние кубитов, при котором они все находятся в одинаковой суперпозиции всех нулей или единиц, то есть |00…0>+|11…1>.

Хотите что-то добавить или возразить? Вы можете оставлять свои комментарии прямо здесь или вступить в наши группы ВКонтакте или в Facebook и участвовать в обсуждениях