Кот Шредингера — любимое животное квантовой механики


197
197 points

Мысленный эксперимент, который называют «Кот Шредингера», является одним из самых известных понятий квантовой механики. Глубже задумавшись о судьбе этого животного, учёные пришли к захватывающему пониманию физической реальности.

Кто придумал кота Шредингера?

Кот Шредингера - любимое животное квантовой механики
Изображение: Dhatfield / CC BY-SA

Один из создателей квантовой механики австрийский физик Эрвин Шредингер впервые придумал свою кошачью головоломку в 1935 году в качестве комментария к проблемам, изначально поставленным великим Альбертом Эйнштейном.

Развивая новое понимание субатомного царства, большинство коллег Эйнштейна и Шредингера осознали, что квантовые сущности демонстрируют чрезвычайно странное поведение. Датский физик Нильс Бор отстаивал понимание того, что такие частицы, как электроны, не обладают четко определенными свойствами, пока их не измерят. До этого частицы существуют в так называемой суперпозиции состояний с, например, 50% -ной вероятностью ориентации «вверх» и 50% -ной вероятностью ориентации «вниз».

Эйнштейну, в частности, не понравилось это нерешительное объяснение. Он хотел знать, как именно Вселенная знает, что кто-то что-то измеряет. Шредингер подчеркнул эту нелепость своим пресловутым концептуальным котом.

Предположим, что кто-то строит странную штуковину, написал Шредингер в статье 1935 года «Современная ситуация в квантовой механике». Аппарат состоит из коробки с запечатанный колбой с синильной кислотой, над которой подвешен молоток, прикрепленный к счетчику Гейгера с небольшим количеством слабо радиоактивного урана. Внутри коробки также есть кот (любители животных, помните — это мысленный эксперимент, который фактически никогда не проводился).

Коробка запечатана и эксперимент оставляют для выполнения в течение определенного количества времени, возможно часа. За этот час уран, частицы которого подчиняются законам квантовой механики, имеет некоторый шанс испустить излучение, которое затем уловит счетчик Гейгера, который, в свою очередь, спустит молоток, разбивающий колбу, вследствие чего кот отравится синильной кислотой.

По словам таких людей, как Бор, до тех пор, пока коробка не будет открыта и состояние кота не будет «измерено», он будет оставаться в суперпозиции как живым, так и умершим. А такие люди, как Эйнштейн и Шредингер, воздерживались от такой возможности, которая не соответствует всему, что говорит нам наш обычный опыт — кот либо жив, либо мертв, но не в обоих состояниях одновременно.

«Квантовой физике не хватало важного компонента, рассказа о том, как она соотносится с вещами в мире, — писал научный журналист Адам Беккер в своей книге «Что такое реально?». — Как феноменальное количество атомов, управляемое квантовой физикой, порождает мир, который мы видим вокруг нас?».

Кот Шредингера может существовать в реальности?

Кот Шредингера глубоко проник в суть того, что было странным в интерпретации реальности Бором: отсутствие четкой разделительной линии между квантовой и повседневной сферами. В то время как большинство людей считают, что этот мысленный эксперимент является примером в поддержку существования частиц с отсутствующими четко определенными свойствами до тех пор, пока они не будут измерены, первоначальное намерение Шредингера было прямо противоположным — показать, что такая идея была бессмысленной. Тем не менее, в течение многих десятилетий физики в значительной степени игнорировали эту проблему, переходя к другим затруднениям.

Но начиная с 1970-х годов исследователи смогли показать, что квантовые частицы могут быть созданы в состояниях, которые всегда соответствуют друг другу — поэтому, если одна показывает ориентацию «вверх», другая будет с ориентацией «вниз» — явление, которое Шредингер назвал квантовой запутанностью. Это было использовано для поддержки появляющейся области квантовых вычислений, которая обещает создание вычислительных машин намного более быстрых, чем современные.

В 2010 году физикам также удалось создать реальную версию кота Шредингера, хотя и без убийства животного. В Калифорнийском университете в Санта-Барбаре ученые создали резонатор, представляющий собой что-то вроде крошечного камертона размером с пиксель на экране компьютера. Они поместили его в суперпозицию, в которой он одновременно колебался и не колебался, показав, что даже относительно большие объекты могут принимать причудливые квантовые состояния.

Во время более поздних экспериментов группы до 2000 атомов были помещены в двух разных местах одновременно, еще больше размывая разделительную линию между микроскопическим и макроскопическим. А в 2019 году исследователям из Университета Глазго даже удалось сфотографировать запутанные фотоны, используя специальную камеру, которая делала снимки всякий раз, когда фотон обнаруживался с запутанным партнером.

И хотя физики и философы еще не пришли к единому мнению о том, как думать о квантовом мире, идеи Шредингера дали много плодотворных исследовательских возможностей и, вероятно, продолжат делать это в обозримом будущем.


Понравилось? Поделитесь с друзьями!

197
197 points
Василий Вдовиченко
Южная научно-исследовательская лаборатория