Кот Шредингера: суть эксперимента простыми словами

Биографические данные

Теория Шредингера сейчас известна не только студентам физико-математических факультетов. Она будет интересна всякому, кто испытывает интерес к популярной науке. Эта теория была создана известным физиком Э. Шредингером, который вошел в историю как один из создателей квантовой механики. Ученый родился 12 августа 1887 года в семье владельца фабрики по изготовлению клеенки. Будущий ученый, прославившийся на весь мир своей загадкой, увлекался в детстве ботаникой и рисованием. Первым его наставником был отец. В 1906 году Шредингер начал учебу в Венском университете, во время которой и начал восхищаться физикой. Когда настала Первая мировая война, ученый пошел на службу артиллеристом. В свободное время занимался изучением теорий Альберта Эйнштейна.

К началу 1927 года в науке сложилась драматическая ситуация. Э. Шредингер считал, что основанием теории о квантовых процессах должна служить идея о непрерывности волн. Гейзенберг, напротив, считал, что фундаментом для этой области знаний должна быть концепция о дискретности волн, а также идея о квантовых скачках. Нильс Бор не принимал ни одной из позиций.

Самая знаменитая загадка

Теория Шредингера, в которой фигурирует тот самый кот, выросла из критики ученого квантовой теории. Один из ее основных постулатов гласит, что пока за системой не производится наблюдение, она находится в состоянии суперпозиции. А именно, в двух и более состояниях, которые исключают существование друг друга. Состояние суперпозиции в науке имеет следующее определение: это способность кванта, которым может быть также электрон, фотон, или, например, ядро атома, находиться одновременно в двух состояниях или даже в двух точках пространства в тот момент, когда никто за ним не наблюдает.

Суть теории Шредингера

На сегодняшний день известно, что описать законами классической физики можно только поведение макроскопических объектов, а те, которые не видны невооруженным глазом, совсем им не поддаются. Теорию ученого можно применять лишь к тем объектам, размеры которых сопоставимы с размерами молекул, атомов и даже таких элементарных частиц, как электроны, протоны и прочие.

Он предположил, что мелкие частицы обладают сразу двумя свойствами: материи (масса, протяженность, скорость) и волны (амплитуда, частота и прочими). Изначально было сложно вообразить, почему так происходит. Поэтому пришлось отбросить все учения классической механики Ньютона. Шредингер считал, что с помощью математики неразделимую взаимосвязь можно объяснить, записав специальное уравнение. С точки зрения математики ученый оказался прав, но его объяснение взаимосвязи как физика оказалось неверным. Такие физики, как Гейзенберг, Бор, Эйнштейн и Зоммерфельд опровергли его мнение. Здесь и берет свое начало известная загадка про кота.

Для чего Шредингер это придумывает?

В квантовой механике считается, что если за ядром никто и ничто не наблюдает, то он находится в смешанном, неопределенном состоянии. И распавшемся, и не распавшемся сразу. А вот когда появляется наблюдатель, ядро оказывается в одном из состояний. Кстати, эксперимент Шредингера имел цель – выяснить, в какой именно момент «кот одновременно мертвый и живой». А также когда выявляется конкретное состояние. Ученый хочет доказать, что квантовая механика невозможна без тонких деталей. А они определяют, при каких именно условиях случается коллапс волновой функции (изменение состояния). А также определяют, когда объект остается в одном из возможных состояний (никак не в нескольких сразу).

Эрвин Шредингер хотел указать на странное заключение квантовых теоретиков. Они считали, что обычный человек может увидеть истинное состояние материи невооруженным глазом. Копенгагенская интерпретация квантовой физики была доминирующей в то время. Она считала, что атомы или фотоны существуют в нескольких состояниях в один момент (находятся в суперпозиции) и не переходят в определенное, пока они не наблюдаются.

Эксперимент Шредингера гововит о том, что наблюдатель не может знать, распался атом вещества или нет. К тому же наблюдатель не знает, разбился ли флакон и погиб ли кот. В соответствии с копенгагенской интерпретацией, кот будет жив и мертв, пока кто-то не заглянет в коробку. В квантовой механике способность кошки быть живой и мертвой до тех пор, пока ее не наблюдают, называется квантовой неопределенностью или парадоксом наблюдателя. Логика, лежащая в основе парадокса наблюдателя, заключается в том, что наблюдения могут определять результаты.

Шредингер согласился с тем, что суперпозиция существует. Кстати, при его жизни ученые смогли доказать это, изучая интерференцию в световых волнах. Но он задавался вопросом о том, когда на самом деле суперпозиция сменяется определенным состояние. Эксперимент Шредингера заставил людей задаться вопросом. На самом ли деле возможно определить исход жизни кота, открыв коробку (посмотреть на него).

Объяснение эксперимента Шрёдингера

Нестабильное атомное ядро можно рассматривать как объект квантового мира, поскольку оно может пребывать в одном из двух определенных состояний: распавшееся или не распавшееся. При этом до факта наблюдения оно пребывает одновременно в обоих состояниях (такое смешанное состояние называется «суперпозицией»).

Смысл эксперимента Шрёдингера простыми словами можно объяснить так:

1. Состояние кота непосредственно связано с состоянием атомного ядра (жизнь прекращается в момент распада);
2. Если мы говорим, что ядро одновременно существует в двух противоположных состояниях, то же самое можно сказать и про кота (и жив, и мёртв одновременно);
3. Однозначно судить о состоянии кота (и атома) можно только после открытия ящика (то есть, когда произойдёт взаимодействие наблюдателя с системой, которая до этого была изолирована);
4. С точки зрения здравого смысла нельзя сказать, что кот Шрёдингера и жив, и мёртв одновременно, а его состояние определяется в тот момент, когда исследователь открывает контейнер;
5. Но квантовая механика говорит именно об этом.

Таким образом, цель эксперимента Шрёдингера заключалась в том, чтобы продемонстрировать противоречие одного из ключевых принципов квантовой механики логике и здравому смыслу. Автор настаивал, что общепринятая копенгагенская интерпретация КМ неполна, поскольку в ней не описаны чёткие критерии, при которых происходит так называемый коллапс волновой функции (тот самый момент, когда суперпозиция сменяется одним из возможных состояний).

Что хотел показать Шрёдингер

Эрвин Шрёдингер посвятил значительную часть жизни теоретическим исследованиям в области квантовой механики, поэтому точно не был её противником или критиком. Ученого не устраивала копенгагенская интерпретация, которую его коллеги приняли как наиболее обоснованную. Доводя один из ключевых тезисов квантовой механики до абсурда, он не пытался его опровергнуть, а лишь обращал внимание на неполноту общепринятой интерпретации.

Он считал, что для полноты необходимо точное определение условий, при которых происходит коллапс волновой функции (то есть, система переходит из суперпозиции в одно определенное квантовое состояние). Из принятых тогда формулировок можно было заключить, что человек способен влиять на состояние материи буквально одним взглядом. И якобы именно в момент наблюдения система переходит из суперпозиции в одно конкретное состояние.

Говоря простыми словами, если рассматривать эксперимент Шрёдингера в рамках копенгагенской интерпретации, то кот становится живым или мёртвым лишь тогда, когда учёный открывает ящик, а вовсе не в момент срабатывания «адской машинки». Ученый не оспаривал существование суперпозиции и принципа неопределенности в квантовом мире. Он оспаривал так называемый «парадокс наблюдателя», согласно которому именно наблюдатель в момент наблюдения выводит систему из состояния суперпозиции.

Парадокс наблюдателя

Чтобы понять суть теории Шредингера, необходимо также иметь представление о парадоксе наблюдателя. Его смысл состоит в том, что объекты микромира могут находиться одновременно в двух состояниях только тогда, когда за ними не производится наблюдение. К примеру, в науке известен так называемый «Эксперимент с 2-мя щелями и наблюдателем». На непрозрачную пластинку, в которой были сделаны две вертикальные щели, ученые направляли пучок электронов. На экране, находившемся за пластиной, электроны рисовали волновую картину. Иными словами, они оставляли черные и белые полосы. Когда же исследователи захотели понаблюдать, каким образом электроны пролетают через щели, то частицы отобразили на экране всего лишь две вертикальные полосы. Они вели себя как частицы, а не как волны.

Восприятие микромира

Частицы, входящие в состав атома и сами атомы настолько малы, что мы не имеем возможности эмпирически оценить их массу, объем, скорость и прочие физические параметры. Ученые могут фиксировать лишь световые полоски, изменения на специальной чувствительной пленке и при помощи расчетов определять характеристики микрообъектов.

С помощью математической функции можно описать состояние частицы, но она является лишь математическим инструментом, лишенным физического смысла. С помощью возведенной в квадрат волновой функции можно определить лишь то, с какой вероятностью микроэлемент окажется в объеме пространства, полученного из дифференциальных значений координат. Только так можно простыми словами раскрыть суть теории Шредингера, какой ее видели такие ученые, как Эйнштейн, Гейзенберг и другие.

Копенгагенское объяснение

Современное объяснение теории Шредингера носит название копенгагенского. Исходя из парадокса наблюдателя, оно звучит следующим образом: до тех пор, пока никто не наблюдает за ядром атома в системе, оно находится одновременно в двух состояниях – распавшемся и нераспавшемся. Однако утверждение о том, что кот жив и мертв одновременно, крайне ошибочно. Ведь в макромире никогда не наблюдаются те же явления, что и в микромире.

Поэтому речь идет не о системе «кот-ядро», а о том, что между собой связаны счетчик Гейгера и ядро атома. Ядро может выбрать то или иное состояние в момент, когда производятся измерения. Однако данный выбор имеет место не в тот момент, когда экспериментатор открывает ящик с котом Шредингера. На самом деле, открытие ящика имеет место в макромире. Иными словами, в системе, которая очень далека от атомного мира. Поэтому ядро выбирает свое состояние именно в тот момент, когда оно попадает на детектор счетчика Гейгера. Таким образом, Эрвин Шредингер в своем мысленном эксперименте описал систему недостаточно полно.

Кот Шредингера простыми словами

Сам ученый постоянно спорил, не признавая иного представления об его уравнении. Он считал, что оно таким, каким было выведено, является довольно наглядным, а само понятие вероятность носит весьма размытый характер. По его мнению, микрообъекты оказывали бы влияние на макромир, будь все так, как считали несогласные с ним ученые. В качестве наглядного объяснения своей правоты, он привел пример с котом и ящиком стенки которого не позволяют увидеть и услышать то, что в нем происходит.

В этот ящик помещается саморазрушающаяся капсула с ядом и всего один атом радиоактивного элемента. Вероятность распада атома за 1 час составляет 50%. В случае распада срабатывает датчик, который запускает механизм, созданный чтобы разрушить колбу. Но, поскольку узнать, произошел ли распад атома, можно лишь экспериментальным путем, произошел ли данный процесс, или нет узнать нельзя. Также нельзя точно сказать, умер кот или остался жив. Соответственно до открытия ящика, можно сказать, что он жив и мертв одновременно, а после ее открытия можно точно сказать, имела ли место одна из двух возможностей. Поскольку не существует иного состояния, кроме мертвого или живого для кота, была наглядно показана несостоятельность квантовой теории. Поэтому, в дальнейшем квантовая наука установила некоторые правила своей применимости. Напоследок, видео про кота Шредингера.

Суть опыта человеческим языком

Шредингер на примере кота, хотел показать, что согласно квантовой механике, животное будет одновременно, как живым, так и мертвым.

Это, по сути, невозможно, из чего делается вывод, что квантовая механика на сегодняшний день имеет существенные изъяны.

Но будет кот жив или мертв, даже если коробку не открывать?

Этим парадоксальным мысленным экспериментом Шредингер доказал ошибочность копенгагенской интерпретации в квантовой физике. Эта интерпретация может срабатывать на микроскопическом уровне. Но к макроскопическому миру она не имеет отношения (кот взят как пример макроскопического мира). То, что ученые знали о природе материи на микроскопическом уровне и то, что люди наблюдают на макроскопическом уровне, еще полностью не изучено. Роль наблюдателя остается важным вопросом в изучении квантовой физики и является бесконечным источником предположений.

Выжил ли кот Шредингера после опыта?

Если кто-то из наших читателей волнуется за кота, то вам стоит успокоиться. В ходе опыта ни один из котов не погиб, а сам Шредингер назвал свой эксперимент мысленным, то есть таким, который проводится исключительно в уме.

Популярность в интернете

Впервые в интернете вопрос с котом Шрёдингера обсуждали в мае 1990 года на форуме Usenet’s sci.physics. 9 августа 2000 года на форуме вопросов-ответов Straight Dope опубликовали поэму, посвященную коту Шрёдингера.

В августе 2004 года онлайн-магазин ThinkGeek начал продавать футболки с надписью “Кот Шрёдингера умер”.

4 января 2006 года в серии комиксов Xkcd вышел комикс Шредингера.

” – Последняя панель этого комикса смешная и несмешная одновременно. Пока ты не прочтешь его, нельзя сказать, каким он окажется в конце.

– Чёрт”

2 июня 2007 года на сайте I Can Has Cheezburger опубликовали картинку кота в коробке с подписью: “В твоей квантовой коробке…один кот…возможно”.

1 июня 2008 года на Reddit выложили картинку в стиле древних объявлений о поиске преступников: “Разыскивается кот Шрёдингера. Живой или мертвый. В последний раз его видели перед тем, как закрылась коробка”.

23 июня 2010 года комикс “Сексуальная кошка Шрёдингера” опубликовал сайт Buzzfeed.

19 августа 2010 года на YouTube появилась пародия на кота Шрёдингера с мемом Nyan Cat.

Венцом популярности кота Шрёдингера стал посвященный ему дудл Google, который появился 12 августа 2013 года – в день 126-летия Эрвина Шрёдингера.

Заключение

Существует известная шутка Альберта Эйнштейна о парадоксе наблюдателя: «Неужели вы думаете, что Луна существует только тогда, когда вы на неё смотрите?». При этом он не был противником квантовой механики, а лишь указывал коллегам на серьезную брешь в этой фундаментальной области знаний.

Шрёдингер поставил перед собой такую же задачу. Он решил доказать всем, что не наблюдатель определяет состояние системы, и судьба кота определяется отнюдь не в тот момент, когда открывается коробка.

Напоследок остаётся лишь добавить, что рассмотренный сегодня эксперимент является мысленным. А значит, ни один кот во время его проведения не пострадал.