Кот Шредингера

Кот Шредингера – это вымышленный объект эксперимента, который предложил физик-теоретик Эрвин Шредингер. Суть физического парадокса в преобразовании кота в живого мертвеца. Смысл эксперимента заключается в следующем.

Есть ящик. Он оснащен специальным механизмом, который содержит радиоактивное атомное ядро и ампулу с ядовитым газом. При таких условиях вероятность распада ядра за один час составляет 50%. В случае распада ядра, ампула открывается и высвобождается ядовитый газ, который убивает кота. Если ядро не распадается, то кот живет и здравствует.

Эксперимент проходил в устной форме, то есть никакой реально существующий кот при этом не пострадал.

Мысленно помещаем кота в ящик. Закрываем его. Выжидаем час (время, за которое, по сути, ядро либо распадется, либо не распадется), после чего пытаемся предугадать судьбу бедного животного.

Кот Шредингера

Согласно основам квантовой механики, атомное ядро находится в состоянии квантовой суперпозиции (во всех возможных состояниях одновременно). Еще до открытия ящика мы пытаемся рассчитать состояние ядра и кота согласно законам квантовой механики. По сути, мы должны узреть феноменальное событие – промежуточное состояние между жизнью и смертью. С одинаковой вероятностью ядро распалось, и кот умер, и в то же время ядро не распалось, и кот жив. Несчастного кота превратили в зомби – он и жив, и мертв одновременно.

Безусловно, третьего не дано: кот может быть или живым, или мертвым. Ядро также считается либо распавшимся, либо нераспавшимся. И не существует никаких промежуточных состояний.

В этом и заключена цель эксперимента – показать, что квантовая механика неполноценна без определенных правил, которые регламентируют условия мгновенного изменения состояния объекта. То есть невозможно предопределить, что произойдет с объектом в наше отсутствие. Как только мы закрываем ящик, все содержимое, вместе с самим ящиком перестает открыто существовать для нас. Мы лишь можем представлять происходящее внутри, а наверняка знать об этом не способны.

Эксперимент с котом в ящике стал основой для будущих работ ученого, за которые в итоге он был удостоен Нобелевской премии. Сегодня «кот» активно применяется на практике в квантовых вычислениях и криптографии. Несуществующее животное изменило представление о квантовой механике.

Копенгагенская интерпретация

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. 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, что́ значит, 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.

Парадокс друга Вигнера — усложнённый эксперимент о коте Шрёдингера.

Юджин Вигнер ввел категорию друзей. После завершения опыта экспериментатор открывает коробку и видит живого кота. Вектор состояния кота в момент открытия коробки переходит в состояние «ядро не распалось, кот жив». Таким образом, в лаборатории кот признан живым. За пределами лаборатории находится друг. Друг еще не знает, жив кот или мёртв. Друг признает кота живым только тогда, когда экспериментатор сообщит ему исход эксперимента. Но все остальные друзья еще не признали кота живым, и признают только тогда, когда им сообщат результат эксперимента. Таким образом, кота можно признать полностью живым (или полностью мертвым) только тогда, когда все люди во вселенной узнают результат эксперимента. До этого момента в масштабе Большой Вселенной кот остаётся живым и мёртвым одновременно.

Практическое применение

Вышеописанное применяется на практике: в квантовых вычислениях и в квантовой криптографии. По волоконно-оптическому кабелю пересылается световой сигнал, находящийся 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. Это делает возможным создание средств связи, которые исключают незаметный перехват сигнала и подслушивание.

Версия для печати
Количество просмотров: 21106

Что ещё смотрели люди, читавшие данную статью:
Ученые создали радиоуправляемых жуков по заказу Пентагона [18063]
Постельное белье с эффектом 3D [15679]
Ученые создали компьютерный мозг кошки [18145]
Супер-оружие выведет из строя электронику [21283]
Кот Шредингера [21106]

Тематический каталог статей

Категории

Свежие материалы

Самые популярные материалы