Ілюстрація до експерименту
Кот Шредінгера (кішка Шредінгера) - герой удаваного парадоксальним уявного експерименту Ервіна Шредінгера, яким він хотів продемонструвати неповноту квантової механіки при переході від субатомних систем до макроскопічних.
Суть експерименту
В закритий ящик поміщений кіт [1]. У ящику є механізм, що містить радіоактивне ядро ​​і ємність з отруйним газом. Параметри експерименту підібрані так, що ймовірність того, що ядро ​​розпадеться за 1 годину, становить 50%. Якщо ядро розпадається, воно призводить механізм у дію, він відкриває ємність з газом, і кіт помирає. Згідно з квантовою механікою, якщо над ядром НЕ проводиться спостереження, то його стан описується суперпозицією (змішанням) двох станів - розпався ядра і нераспавшегося ядра, отже, кіт, сидить в ящику, і живий, і мертвий одночасно. Якщо ж ящик відкрити, то експериментатор зобов'язаний побачити тільки якийсь один конкретний стан - В«Ядро розпалося, кіт мертвийВ» або В«ядро не розпалося, кіт живийВ».
Питання стоїть так: коли система перестає існувати як змішання двох станів і вибирає одне конкретне? Мета експерименту - показати, що квантова механіка неповна без деяких правил, які вказують, при яких умовах відбувається колапс хвильової функції і кіт стає або мертвим, або залишається живим, але перестає бути змішанням того й іншого.
Всупереч розхожим уявленням, сам Шредінгер придумав цей досвід зовсім не тому, що він вірив, ніби В«мертвожівиеВ» коти існують; навпаки, він вважав квантову механіку неповною і не до кінця описує реальність в даному випадку. Оскільки ясно, що кіт обов'язково повинен бути або живим, або мертвим (не існує стану, проміжного між життям і смертю), то це означає, що це вірно і для атомного ядра. Воно зобов'язане бути або розпалися, або нераспавшімся.
Оригінальна стаття вийшла в німецькому журналі Naturwissenschaften (В«Природничі наукиВ») в 1935: E. SchrГ¶dinger: В«Die gegenwГ¤rtige Situation in der Quantenmechanik В»(В« Сьогоднішній стан справ в квантовій механіці В»), Naturwissenschaften, 48, 807, 49, 823, 50, 844 (November 1935). Метою статті було обговорення ЕПР парадоксу, опублікованого Ейнштейном, Подільським та Розеном раніше в тому ж році. Крім того, що Шредінгер в цій статті познайомив нас з котом, він ще ввів термін В«заплутаністьВ» (По-німецьки: VerschrГ¤nkung, по-англійськи: entanglement).
У копенгагенської інтерпретації система перестає бути змішанням станів і вибирає одне з них в той момент, коли відбувається спостереження. Експеримент з котом показує, що в цій інтерпретації природа цього самого спостереження - вимірювання - визначена недостатньо. Деякі вважають, що досвід говорить про те, що до тих пір, поки ящик закритий, система знаходиться в обох станах одночасно, в суперпозиції станів В«розпалося ядро, мертвий кітВ» і В«нераспавшееся ядро, живий кітВ», а коли ящик відкривають, то тільки тоді відбувається колапс хвильової функції до одного з варіантів. Інші здогадуються, що В«спостереженняВ» відбувається, коли частинка з ядра потрапляє в детектор; проте (і це ключовий момент уявного експерименту), в копенгагенської інтерпретації немає чіткого правила, яке говорить, коли це відбувається, і тому ця інтерпретація неповна до тих пір, поки таке правило в неї не введено або не сказано, як його можна ввести в принципі. Точне правило таке: випадковість з'являється в тому місці, де в перший раз використовується класичне наближення.
Таким чином, ми можемо спиратися на наступний підхід: у макроскопічних системах ми не спостерігаємо квантових явищ (крім явища надплинності та надпровідності); тому, якщо ми накладаємо макроскопічну хвильову функцію на квантове стан, ми з досвіду повинні укласти, що суперпозиція руйнується. І хоча не зовсім ясно, що значить, що щось є В«макроскопічнимиВ» взагалі, про кота точно відомо, що він є макроскопічними об'єктом. Таким чином, Копенгагенська інтерпретація не вважає, що до відкриття ящика кіт знаходиться в стані змішання живого і мертвого.
Многоміровая інтерпретація Еверетта і спільні історії
В многоміровой інтерпретації квантової механіки, яка не вважає процес вимірювання чимось особливим, обидва стани кота існують, але декогеріруют. Коли спостерігач відкриває ящик, він заплутується з котом і від цього утворюються два стани спостерігача, відповідні живому і мертвому коту, які (Стану) не взаємодіють один з одним. Той же механізм квантової декогеренції важливий і для спільних історій. У цій інтерпретації тільки В«Мертвий кітВ» або В«живий кітВ» можуть бути в спільній історії.
Іншими словами, коли ящик відкривається, Всесвіт розщеплюється на дві різні всесвіти, в одній з яких спостерігач дивиться на ящик з мертвим котом, а в інший - інший спостерігач дивиться на живого кота. Парадокс?
космології Макс Тегмарк запропонував варіацію досвіду з котом Шредінгера під назвою В«машина для квантового самогубства В». Він розглядає експеримент із котом з точки зору самого кота і стверджує, що таким чином можна експериментально розрізнити копенгагенську і многоміровую інтерпретації. Інша варіація експерименту - це досвід з одним Вігнера.
Фізик Стівен Хокінг якось вигукнув: В«Коли я чую про кота Шредінгера, моя рука тягнеться за рушницею! »³н перефразував відоме німецьке висловлювання, зроблене нацистським В«заслуженим поетомВ» Гансом Йост: В«Wenn ich 'Kultur' hГ¶re, entsichere ich meinen Browning! В»(В« Коли я чую слово "культура", моя рука тягнеться за браунінгом! В»)
Фактично Хокінг і багато інших фізики дотримуються думки, що В«Копенгагенська школаВ» інтерпретації квантової механіки підкреслює роль спостерігача безпідставно. Остаточного єдності серед фізиків з цього питання все ще не досягнуто.
Розпаралелювання світів в кожен момент часу відповідає справжньому недетермінованої автомату на відміну від імовірнісного, коли на кожному кроці вибирається один з можливих шляхів в залежності від їх ймовірності.
Практичне застосування
Виявляється, вищеописане можливо застосувати на практиці: в квантових обчисленнях і в квантової криптографії. По волоконно-оптичному кабелю можливо послати світловий сигнал, який знаходиться в суперпозиції двох станів. Якщо зловмисники підключаться до кабелю десь посередині і зроблять там відведення сигналу, щоб підслуховувати передану інформацію, то це схлопнет хвильову функцію (з точки зору копенгагенської інтерпретації буде вироблено спостереження) і світло перейде в один зі станів. Провівши статистичні проби світла на приймальному кінці кабелю, можна буде виявити, чи знаходиться світло в суперпозиції станів або над ним вже вироблено спостереження і передача в інший пункт. В принципі це робить можливим створення засобів зв'язку, які виключають можливість непомітного перехоплення сигналу і підслуховування.
Цей експеримент (який в принципі може бути виконаний, хоча працюючі системи квантової криптографії, здатні передавати великі обсяги інформації, все ще не створені) також показує, що В«спостереженняВ» в копенгагенської інтерпретації не має відношення до свідомості спостерігача, оскільки в даному випадку до зміни статистики на кінці кабелю призводить абсолютно неживе відгалуження дроту.
В квантових обчисленнях станом шредінгеровской кота називається особливе переплутані стан кубітів, при якому вони всі знаходяться в однаковій суперпозиції всіх нулів або одиниць, тобто | 00 ... 0> + | 11 ... 1>.
Проникнення в культуру
Алюзії
В«Терористи Шредінгера В»- так іноді називають терористів, про яких невідомо, чи живі вони або вбиті або про це ходять суперечливі чутки. З відомих особистостей у такому стані перебуває, наприклад, Усама Бін Ладен.
Жарт про Кота Шредінгера
Кажуть, що в базі даних Сервера мерців [2], на якому відстежується хто з знаменитостей живий, а хто вж...