Мы расскажем вам суть мысленного эксперимента под названием «Кот Шредингера», его историю и влияние на мировую культуру. Наш девиз: «Физика – это просто!».
«Кот Шредингера» это не только научно-популярный журнал, выпускающийся на территории России, и не придумка авторов популярного телесериала «Теория Большого взрыва» – это один из самых парадоксальных мысленных экспериментов в истории науки. Его разработал выдающийся физик-теоретик Эрвин Шредингер из Австрии. Причем слово выдающийся это не просто комплимент. В свое время этот ученый стал лауреатом Нобелевской премии.
Мысленные эксперименты с котом у Шредингера возникли не на пустом месте. С их помощью физик хотел объяснить непрофессионалу существующие пробелы в квантовой механике в связи с особенностями складывающихся отношений к макроскопическим системам с позиций систем субатомных. Причем здесь вымышленные коты и все такое прочее? Стоит немного потерпеть и мы раскроем все тайны. Ниже вы найдете подробную информацию об этом удивительном мысленном эксперименте, несколько видео, объясняющих проблемы квантовой механики «глазами обреченного котак», а также свидетельства того, какое отражение кошачий эксперимент нашел в мировой культуре.
1. Суть эксперимента с котом Шредингера
Мысленный эксперимент, в котором прославился безымянный кот, впервые был опубликован в научной прессе в 1935 г. В этот далекий от нас день Эрвин Шредингер еще не знал, что вскоре после публикации его «образное мышление» так взбудоражит широкие общественные массы, потому писал, наверное, несколько наукообразно и без оглядок на защитников вымышленных животных. Итак, вот адаптированная выдержка из научной работы известного физика:
Допустим, некоторый кот находится взаперти в камере из стали, а компанию ему составляет машина смерти (защищенная от прямого контакта с животным). Далее о работе этой машины. Внутрь счетчика Гейгера помещено мельчайшее количество радиоактивного элемента. Оно настолько невелико, что по истечению всякого часа распасться способен лишь один атом. С аналогичной вероятностью он может остаться целым. В случае распада атома разрядится считывающая трубка, произойдет активация реле, в результате чего молоток обрушится на стеклянную емкость с синильной кислотой внутри. Вырвавшийся наружу яд убьет несчастное животное.
Если засечь время и оставить в покое на 60 минут стальную камеру с котом, то можно говорить о том, что животное выживет, если не произойдет распад атома. Ведь как только это случится – коту несдобровать. В целом пси-функция системы сможет это выразить, смешивая внутри себя мёртвого и живого кота в равных частях.
В аналогичных ситуациях характерным можно считать факт, что изначально ограниченная атомным миром неопределённость трансформируется в неопределённость уже макроскопическую. Ее можно устранить, просто заглянув внутрь металлической камеры. Однако такой поворот препятствует наивному принятию «модели размытия», как отражающей окружающую нас реальность. Здесь нет места неясности или противоречиям. В действительности имеется разница между некачественным нечетким фотоснимком и четкой фотографией (например, тумана).
Механизм мысленного эксперимента «Кот Шредингера»:
А. Имеем металлическую камеру, в которую собираемся посадить кота. В этой самой камере уже есть устройство с ядовитым газом, которое в действие может привести распад одного атома радиоактивного вещества. За один час эксперимента вероятность распада атома пятьдесят на пятьдесят. Если по истечению шестидесяти минут атом не распался – коту повезло – газ не будет распылен в металлической камере.
Б. Засовываем бедолагу кота в металлическую камеру и начинаем гадать живой он или нет!
В. Причем здесь квантовая механика? С ее позиции и кот, и атомное ядро одномоментно пребывают в двух состояниях. Для квантовой суперпозиции это в целом характерно. В нашем случае, до момента, как мы заглянем в металлическую камеру, что кот, что ядро атома с вероятностью в пятьдесят процентов пребывают в состоянии «животное погибло, ядро уже не существует», и одновременно со схожей вероятностью — «животное здравствует, ядро цело». У кота, таким образом, уникальный статус – в один и тот же промежуток времени он мертв и одновременно жив.
Г. Современные интерпретаторы мысленного эксперимента австрийского ученого утверждают, что животное в одно и то же время мертво и здравствует, причем без каких бы то ни было промежуточных стадий. При этом процесс выбора состояния распада или не распада ядра имеет место лишь в момент, когда сторонний наблюдатель заглядывает в металлическую камеру. Это происходит в момент, когда ядро распознается детектором в счетчике Гейгера. В действительности же, редукция волновой функции взаимодействия «животное-детектор-атомное ядро» с наблюдателем никак не связана. Зато эта связь имеется именно с детектором, так как именно он выступает в качестве наблюдателя для атомного ядра.
2. Объяснение кота Шредингера простыми словами
Квантовая механика утверждает, что если не отслеживать напрямую состояние атомного ядра, то описать его можно будет как нечто среднее между 2-х состояний: целого и распавшегося ядра. Так и выходит, что бедолага кот (как метафора атомного ядра) одновременно и здравствует, и наоборот — мертв. Только при прямом наблюдении (если удастся заглянуть внутрь металлической камеры) ученый способен будет точно обозначить в каком положении находится домашнее животное: оно либо мертво и ядро распалось, либо кот жив и ядро находится в целом состоянии.
Человеческим языком суть эксперимента Эрвина Шредингера можно передать следующим образом: с позиций квантовой механики, животное и мертво, и здравствует – ситуация невозможная. Таким образом, сама квантовая механика, столь превозносимая некоторыми учеными, как чрезвычайно точная наука, несовершенна.
Своим экспериментом Шредингер хотел на самом деле задаться вопросом о том, в какой именно момент система не станет быть смешением 2-х состояний атома и определиться с одним из них? Ученый продемонстрировал нам, что в квантовой механике имеется нехватка знаний в теоретической части, что не дает шанса определить при каких условиях у волновой функции произойдет коллапс: когда животное или умирает, или получает шанс жить дальше, перестав при этом пребывать в смешанном состоянии. Промежуточного состояния между жизнью и смертью нет, а по этой причине его не должно быть и у ядра атома, которое должно оказаться или целым, или распавшимся.
3. Практическое подтверждение мысленного эксперимента
Слава Эрвина Шредингера мешала и мешает спать некоторым ученым, поэтому они пытаются или подтвердить его теорию на практике и встать с австрийцем на одну ступень почета, или – опровергнуть (чтобы «в гордыне своей вознестись над ним»). Так, в 1997 году физик из Массачусетского университета Дэвид Ричард вывел, что квантовая физика в действительности распространяется не на одни элементарные частицы, но даже на молекулы из макромира. Следом за ним, американский ученый из Института стандартов и технологий Кристофер Монро в ходе эксперимента подтвердил реальность (на атомном уровне) парадокса «кота Шредингера».
Кристофер Монро сделал вот что: сильным лазерным лучом отсек у атома гелия один электрон (у гелия их всего два). «Отколовшийся» электрон стал ионом, его обездвижили и охладили практически до нулевой температуры. У находившегося на орбите атома гелия, а точнее — у его последнего электрона оказалось две возможности по какой траектории вращаться – по часовой стрелке или в обратном направлении. Выбора электрон так и не успел сделать, так как физики остановили его на месте посредством лазерного луча. И тут произошло чудо: атомов гелия стало два (был всего один!). При этом один электрон стал крутиться по часовой стрелке, а другой в обратном направлении. И пусть расстояние между двумя новоиспеченными атомами оказалось не более 83 нанометров, на интерференционной картине четко проступали следы обоих атомов.
В ученом мире многие решили, что данный опыт не просто стал практической реализацией мысленного эксперимента Эрвина Шредингера (кот которого в одно и тоже время и мертв, и одновременно с этим здравствует). Эксперимент Кристофера Монро кроме всего прочего указал на то, что не только микросистемы могут при некоторых условиях мгновенно переноситься в пространстве или раздваиваться. На это способны и макросистемы. Что, в свою очередь, может стать доводом в пользу реальности изобретения устройства для телепортации.
4. Научное переосмысление истории с котом Шредингера
В 2013 году физик из США Арт Хобсон (университет Арканзаса) всколыхнул научную общественность, заявив, что разгадал загадку Эрвина Шредингера.
«Все измерения, проводимые в рамках квантовой физики, основываются на исправном функционировании ряда устройств (весьма крупных), в том числе на счетчике Гейгера. С их помощью удается выяснить квантовое состояние атомов, электронов (а также иных микроскопических систем: фотонов, к примеру), — отмечал в свое время американский физик. – Квантовая теория намекает, что при подключении частицы (микроскопической системы) к некоторому крупному осязаемому устройству, способному определить полярные состоянии системы, счётчик Гейгера (или какой иной прибор) окажется в положении квантовой запутанности, очутившись в тот же момент подобно частице в 2-х суперпозициях в одно и тоже время. Мы не можем непосредственно наблюдать это явление, значит это неприемлемо».
Арт Хобсон подчеркивает роль счётчика Гейгера, закрепленную за котом в эксперименте Шрёдингера. То есть животное – это как прибор, подключенный к системе радиоактивного ядра с целью фиксации целого его (ядра) состояния или наоборот – распада. А раз так, то здравствующее домашнее животное станет отменным индикатором целостности атомного ядра, в то время как мертвое — показателем его обратного состояния (распавшегося на частицы). Отсюда и парадокс, так как исходя из квантовой теории, предполагаемая жертва эксперимента (подобно атомному ядру) должна находиться одновременно в 2-х состояниях – смерти и полного здравия.
Как отмечает Арт Хобсон, вместо этого предполагаемого Шредингером «долженствования» квантовое состояние запертого в металлической камере животного должно соотноситься с состоянием атома (причем – соотносится запутанно). Т.е. они (кот с атомом) как бы должны находиться по отношению друг к другу в состоянии «нелокальной связи». Это означает, что когда состояние одного такого запутанного объекта отношений вдруг окажется измененным на совершенно обратное, то состояние его пары точно также станет иным, неважно большое оно (расстояние) или малое.
Арт Хобсон заявляет о наличии экспериментального подтверждения своих мыслей: «Наиболее увлекательное в теории квантовой запутанности вот в чем: состояния обеих частиц изменяются в одно мгновение. С такой скоростью даже свет или электрический сигнал не смогли бы осуществить передачу информации между двумя системами. В результате, мы с полным правом можем заявить, что перед нами один и тот же объект (только разбитый пространством на 2 части – велико оно или нет)». Вывод из логики Арта Хобсона следующий: многострадальный кот Шрёдингера больше не пребывает в смешенном состоянии. Если произойдёт распад атомного ядра – он мертв, если распада не будет – он жив.
5. Популярность кота Шредингера в мире
Известно ли вам, как именуют сегодня террористов, про которых никто не знает живы они или нет? Если вы предположили такую кличку, как «террористы Шрёдингера», то вы на все 100% правы! Усама Бин Ладен долгое время пребывал в этом статусе.
А вот еще интересный пример. По сюжету ролевой настольной игры «Эра Водолея, один студент осуществил опыт Шрёдингера, в результате чего животное исчезло из ящика, научилось ходить в эфире, уклоняться от пуль Это объясняется тем, что его состояние в пространстве стало подчиняется принципу неопределенности Гейзенберга.
Также наш многострадальный котик упоминается в анимации, кино, компьютерных играх и в литературе. Подборку таких примеров мы сделали ниже
Кот Шредингера в анимации
Кота Шредингера несколько раз вспоминали в анимэ. Например, в анимационном фильме «To Aru Majutsu no Index» девушка хочет назвать котика Шредингером, но товарищи советуют ей не делать этого, так как «подобное имя не для домашних живготных».
А вот авторы японского анимационного серила Hellsing (про злобных упырей-кровососв) одного персонажа так и звали – Шредингер. Персонаж был мальчиком, разгуливал в форме гитлерюгенда, а на голове у него красовались мохнатые кошачьи ушки. По сюжету он был человеком только наполовину. Вторая часть его я была кошачьей. При этом ему была свойственна двойственная природа (как и в оригинальном эксперименте австрийского учено). Человек-кот мог быть везде и нигде, так как владел навыком телепортации. Да и убить его было никак нельзя.
Кот Шредингера в кинематографе
Главный герой сериале «Скользящие» Квин Меллори (в исполнении Джерри О’Коннелла) — парень без комплексов и любит физику – вот без всякой задней мысли и окрестил своего кота Шрёдингером.
В снятом в США сериале «Место преступления: Лас-Вегас» в восьмом сезоне (15-я серия с названием «Теория всего») криминалистам во дворе одного из домов с трупами удается найти могилку кота, названного Шрёдингером. Его хозяева тоже мертвы – какая ирония.
В сериале «Звездные врата SG-1» рыжего кота Шредингера подарили инопланетному существу.
Один из главных героев сериала «Big Bang Theory» («Теория большого взрыва») физик-теоретик Шелдон Купер поделился с девушкой своего друга Леонарда мыслями о том, чем эксперимент с котом-смертником схож с историей двух влюбленных. Таким образом, теория атомных ядер из квантовой механики была применена к человеческим отношениям. Если отбросить излишний пафос, с которым так ловко справляется Шелдон, то вывод из его высказывания следующий: «Хочешь узнать хорошие или плохие отношения между мужчиной и женщиной? Не нужно гадать на стороне – загляни туда, где проходил эксперимент – внутрь камеры. До тех пор пока ты этого не сделаешь – ты будешь пребывать в состоянии неопределенности.
Кстати, всем, кому понравилось это видео, и кто большой фанат занятной научной болтовни – просим прогуляться НА ЭТУ СТРАНИЧКУ. Здесь мы расскажем вам об очень популярном, сложном и смешном меме, пародирующем тяжелую наукоемкую речь.
Кот Шредингера в играх
В компьютерной игре Портал наш вездесущий котик также наследил. Дело в том, что главный слоган этой новаторской для своего времени игрушки простыми словами звучит на английском «The cake is a lie» (Торт – это ложь). В английской версии игры слоган это эрратив (слово или выражение, подвергнутое умышленному искажению) одного из выводов эксперимента Шредингера, который звучит, как «The cat is alive» (Кот жив).
В компьютерном боевике Биошок 2, если отыскать небольшую, покрытую льдом комнату, то в ней можно будет повстречать еще одного кота Шредингера.
Кот Шредингера в литературе
Представляете, есть такой рассказ «В няньках у котика Шредингера», автором которого является Фергюс Гвинплейн Макинтайр. В этом произведении задействован кот Тибблс — домашний любимец Шрёдингера!
Добрался неживой-немертвый кот и до российской фантастики. Сергей Лукьяненко поместил его в «Последний дозор». Героя этого романа пытаюсь убить удавкой с надписью «кот Шрёдингера». Это непростая удавка – маги не знают является ли она одушевленным предметом или не является.
Роберт Хайнлайн в своем произведении «Кот, проходящий сквозь стены» задействовал умеющего проходить сквозь стены кота Пикселя. У него есть шутливая кличка. Какая? Кот Шрёдингера!
У Терри Пратчетта в романе «Кот без дураков» описывается порода «Шрёдингеровских котов», прародителем которой стал наш славный котик!
В романе «2048» Алексея Андреева имеется интересное предложение на интересующую нас тему: » Один тип с фамилией, напоминающей напильник, сажал какого-то несчастного биорга в железный ящик, где не было ничего, кроме ампулы с ядом».
Так что произошло с бедным котиком Шредингера? Выжил он? И кто накажет садиста-ученого?
Тем, кто предпочитает читать книги и интернет-статьи с конца, простыми словами поясним: с многострадальным домашним животным ничего ужасного не приключилось, ибо этот самый котик – зверь сугубо вымышленный и был создан Эрвином Шредингером лишь с одной единственной целью – подкрепить свои научные выводы и наблюдения ярким примером, понятным даже не особо посвященному в тайны квантовой механики обывателю.
