Квантовая физика кот. Джон Гриббин - В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность. Теория Шредингера: описание

Наверняка вы не раз слышали, что существует такой феномен, как «Кот Шредингера». Но если вы не физик, то, скорее всего, лишь отдаленно представляете себе, что это за кот и зачем он нужен.

«Кот Шредингера » – так называется знаменитый мысленный эксперимент знаменитого австрийского физика-теоретика Эрвина Шредингера, который также является лауреатом Нобелевской премии. С помощью этого вымышленного опыта ученый хотел показать неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим системам.

В данной статье дана попытка объяснить простыми словами суть теории Шредингера про кота и квантовую механику, так чтобы это было доступно человеку, не имеющему высшего технического образования. В статье также будут представлены различные интерпретации эксперимента, в том числе и из сериала «Теория большого взрыва».

Описание эксперимента

Оригинальная статья Эрвина Шредингера вышла в свет в 1935 году. В ней эксперимент был описан с использованием или даже олицетворение:

Можно построить и случаи, в которых довольно бурлеска. Пусть какой-нибудь кот заперт в стальной камере вместе со следующей дьявольской машиной (которая должна быть независимо от вмешательства кота): внутри счётчика Гейгера находится крохотное количество радиоактивного вещества, столь небольшое, что в течение часа может распасться только один атом, но с такой же вероятностью может и не распасться; если же это случится, считывающая трубка разряжается и срабатывает реле, спускающее молот, который разбивает колбочку с синильной кислотой.

Если на час предоставить всю эту систему самой себе, то можно сказать, что кот будет жив по истечении этого времени, коль скоро распада атома не произойдёт. Первый же распад атома отравил бы кота. Пси-функция системы в целом будет выражать это, смешивая в себе или размазывая живого и мёртвого кота (простите за выражение) в равных долях. Типичным в подобных случаях является то, что неопределённость, первоначально ограниченная атомным миром, преобразуется в макроскопическую неопределённость, которая может быть устранена путём прямого наблюдения. Это мешает нам наивно принять «модель размытия» как отражающую действительность. Само по себе это не означает ничего неясного или противоречивого. Есть разница между нечётким или расфокусированным фото и снимком облаков или тумана.

Другими словами:

Есть ящик и кот. В ящике имеется механизм, содержащий радиоактивное атомное ядро и ёмкость с ядовитым газом. Параметры эксперимента подобраны так, что вероятность распада ядра за 1 час составляет 50%. Если ядро распадается, открывается ёмкость с газом и кот погибает. Если распада ядра не происходит - кот остается жив-здоров.
Закрываем кота в ящик, ждём час и задаёмся вопросом: жив ли кот или мертв?
Квантовая же механика как бы говорит нам, что атомное ядро (а следовательно и кот) находится во всех возможных состояниях одновременно (см. квантовая суперпозиция). До того как мы открыли ящик, система «кот-ядро» находится в состоянии «ядро распалось, кот мёртв» с вероятностью 50% и в состоянии «ядро не распалось, кот жив» с вероятностью 50%. Получается, что кот, сидящий в ящике, и жив, и мёртв одновременно.
Согласно современной копенгагенской интерпретации, кот-таки жив/мёртв без всяких промежуточных состояний. А выбор состояния распада ядра происходит не в момент открытия ящика, а ещё когда ядро попадает в детектор. Потому что редукция волновой функции системы «кот-детектор-ядро» не связана с человеком-наблюдателем ящика, а связана с детектором-наблюдателем ядра.

Объяснение простыми словами

Согласно квантовой механике, если над ядром атома не производится наблюдение, то его состояние описывается смешением двух состояний - распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике и олицетворяющий ядро атома, и жив, и мёртв одновременно. Если же ящик открыть, то экспериментатор может увидеть только какое-нибудь одно конкретное состояние - «ядро распалось, кот мёртв» или «ядро не распалось, кот жив».

Суть человеческим языком: эксперимент Шредингера показал, что, с точки зрения квантовой механики, кот одновременно и жив, и мертв, чего быть не может. Следовательно, квантовая механика имеет существенные изъяны.

Вопрос стоит так: когда система перестаёт существовать как смешение двух состояний и выбирает одно конкретное? Цель эксперимента - показать, что квантовая механика неполна без некоторых правил, которые указывают, при каких условиях происходит коллапс волновой функции, и кот либо становится мёртвым, либо остаётся живым, но перестаёт быть смешением того и другого. Поскольку ясно, что кот обязательно должен быть либо живым, либо мёртвым (не существует состояния, промежуточного между жизнью и смертью), то это будет аналогично и для атомного ядра. Оно обязательно должно быть либо распавшимся, либо нераспавшимся (Википедия).

Видео из «Теории большого взрыва»

Еще одной наиболее свежей интерпретацией мысленного эксперимента Шредингера является рассказ Шелдона Купера, героя сериала «Теория большого взрыва» («Big Bang Theory»), который он произнес для менее образованной соседки Пенни. Суть рассказа Шелдона заключается в том, что концепция кота Шредингера может быть применена в отношениях между людьми. Для того чтобы понять, что происходит между мужчиной и женщиной, какие отношения между ними: хорошие или плохие, – нужно просто открыть ящик. А до этого отношения являются одновременно и хорошими, и плохими.

Ниже приведен видеофрагмент этого диалога «Теории большого взрыва» между Шелдоном и Пении.

Остался ли кот живым в результате эксперимента?

Для тех, кто невнимательно читал статью, но все равно переживает за кота — хорошие новости: не переживайте, по нашим данным, в результате мысленного эксперимента сумасшедшего австрийского физика

НИ ОДИН КОТ НЕ ПОСТРАДАЛ

Была своего рода «вторичность». Сам он редко занимался определенной научной проблемой. Его излюбленным жанром работы был отклик на чье-либо научное изыскание, развитие этой работы или ее критика. Несмотря на то, что сам Шредингер был индивидуалистом по характеру, ему всегда была необходима чужая мысль, опора для дальнейшей работы. Несмотря на этот своеобразный подход, Шредингеру удалось сделать немало открытий.

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.

Достижения в науке

За создание концепции волновой механики в 1933 году Шредингер получил Нобелевскую премию. Однако, воспитанный в традициях классической физики, ученый не мог мыслить иными категориями и не считал квантовую механику полноценной отраслью знания. Его не могло удовлетворить двойственное поведение частиц, и он пытался свести его исключительно к волновому. В своей дискуссии с Н. Бором Шредингер выразился так: «Если мы планируем сохранить в науке эти квантовые скачки, тогда я вообще жалею, что связал свою жизнь с атомной физикой».

Дальнейшие работы исследователя

При этом Шредингер был не только одним из создателей современной квантовой механики. Именно он был тем ученым, который ввел в научный обиход термин «объектность описания». Это возможность научных теорий описывать реальность без участия наблюдателя. Его дальнейшие исследования были посвящены теории относительности, термодинамическим процессам, нелинейной электродинамике Борна. Также ученым было сделано несколько попыток создать единую теорию поля. Кроме того, Э. Шредингер владел шестью языками.

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.

Объекты в разных мирах

Простому человеку очень сложно понять такое определение. Ведь каждый объект материального мира может быть либо в одной точке пространства, либо в другой. Проиллюстрировать этот феномен можно следующим образом. Наблюдатель берет две коробки, и кладет в одну из них шарик для тенниса. Будет ясно, что в одной коробке он находится, а в другой - нет. Но если в одну из емкостей положить электрон, то верным будет следующее утверждение: эта частица находится одновременно в двух коробках, каким бы парадоксальным это ни казалось. Точно так же электрон в атоме не находится в строго определенной точке в тот или иной момент времени. Он вращается вокруг ядра, располагаясь на всех точках орбиты одновременно. В науке этот феномен называется «электронным облаком».

Что хотел доказать ученый?

Таким образом, поведение маленьких и больших объектов реализуется по совершенно разным правилам. В квантовом мире существуют одни законы, а в макромире - абсолютно другие. Однако нет такой концепции, которая объясняла бы переход от мира материальных предметов, привычных для людей, к микромиру. Теория Шредингера и была создана, для того чтобы продемонстрировать недостаточность исследований в области физики. Ученый хотел показать, что есть наука, целью которой является описание небольших объектов, и есть область знаний, изучающая обычные предметы. Во многом благодаря работам ученого и произошло разделение физики на две области: квантовую и классическую.

Теория Шредингера: описание

Свой знаменитый мысленный эксперимент ученый описал в 1935 году. В его проведении Шредингер опирался на принцип суперпозиции. Шредингер подчеркивал, что пока мы не наблюдаем за фотоном, он может быть как частицей, так и волной; как красным, так и зеленым; как круглым, так и квадратным. Этот принцип неопределенности, который непосредственно вытекает из концепции квантового дуализма, Шредингер и использовал в своей известной загадке про кота. Смысл эксперимента вкратце состоит в следующем:

В закрытую коробку помещается кот, а также емкость, в которой содержится синильная кислота и радиоактивное вещество.
Ядро в течение часа может распадаться. Вероятность этого составляет 50%.
Если атомное ядро распадется, то это будет зафиксировано счетчиком Гейгера. Механизм сработает, и ящик с отравой будет разбита. Кот умрет.
Если же распада не произойдет, то кот Шредингера будет жив.

Согласно этой теории, пока не осуществляется наблюдение за котом, он находится одновременно в двух состояниях (мертв и жив), точно так же, как и ядро атома (распавшееся или не распавшееся). Конечно, это возможно только лишь по законам квантового мира. В макромире кот не может быть и живым, и мертвым одновременно.

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.

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.

Общие выводы

Таким образом, не совсем корректно связывать макросистему с микроскопическим миром. В макромире квантовые законы теряют свою силу. Ядро атома может находиться одновременно в двух состояниях только лишь в микромире. То же самое не может быть сказано относительно кота, поскольку он является объектом макромира. Поэтому только на первый взгляд создается впечатление, что кот переходит из суперпозиции в одно из состояний в момент открытия ящика. В действительности его судьба определяется в тот момент, когда атомное ядро взаимодействует с детектором. Вывод можно сделать такой: состояние системы в загадке Эрвина Шредингера никак не связано с человеком. Оно зависит не от экспериментатора, а от детектора - предмета, который «ведет наблюдение» за ядром.

Продолжение концепции

Теория Шредингера простыми словами описывается так: пока наблюдатель не смотрит на систему, она может находиться одновременно в двух состояниях. Однако еще один ученый - Юджин Вигнер, пошел дальше и решил довести концепцию Шредингера до полного абсурда. "Позвольте! - сказал Вигнер, - А что если рядом с экспериментатором, наблюдающим за котом, стоит его коллега?" Напарник не знает о том, что именно увидел сам экспериментатор в тот момент, когда открыл коробку с котом. Кот Шредингера выходит из состояния суперпозиции. Однако никак не для коллеги наблюдателя. Только в тот момент, когда последнему станет известна судьба кота, животное можно окончательно назвать живым или мертвым. Кроме того, на планете Земля живут миллиарды людей. И самый последний вердикт можно будет вынести только тогда, когда результат эксперимента станет достоянием всех живых существ. Конечно, всем людям можно рассказать судьбу кота и теорию Шредингера кратко, однако это очень долгий и трудоемкий процесс.

Принципы квантового дуализма в физике так и не были опровергнуты мысленным экспериментом Шредингера. В каком-то смысле каждое существо можно назвать ни живым и ни мертвым (находящимся в суперпозиции) до тех пор, пока есть хотя бы один человек, за ним не наблюдающий.

Не ищите здесь «восточного мистицизма», сгибания ложек или экстрасенсорики. Ищите правдивую историю квантовой механики, истина в которой более удивительна, чем любой вымысел. Такова наука: она не нуждается в нарядах с плеча другой философии, ведь она и сама полна красот, таинств и сюрпризов. Эта книга пытается ответить на конкретный вопрос: «Что такое реальность?» И ответ (или ответы) может удивить вас. Возможно, вы в него не поверите. Но вы поймете, как смотрит на мир современная наука.

Ничто не реально

Кот, который фигурирует в заглавии, – это мифическое существо, но Шрёдингер существовал на самом деле. Эрвин Шрёдингер был австрийским ученым, в середине 1920-х годов сыгравшим огромную роль в создании уравнений определенной ветви науки, которая теперь называется квантовой механикой. Однако сказать, что квантовая механика – это лишь ветвь науки, едва ли верно, ведь она лежит в основе всей современной науки. Ее уравнения описывают поведение очень маленьких объектов – размера атомов и меньше – и представляют собой единственное описание мира мельчайших частиц. Без этих уравнений физики не смогли бы разработать проекты рабочих атомных электростанций (или бомб), создать лазеры или объяснить, каким образом не снижается температура Солнца. Без квантовой механики химия по-прежнему пребывала бы в Темных веках и вовсе не появилась бы молекулярная биология: не было бы ни знаний о ДНК, ни генной инженерии – ничего.

Квантовая теория – это величайшее достижение науки, гораздо более значительное и гораздо более применимое в прямом, практическом смысле, чем теория относительности. И все же она делает кое-какие странные предсказания. Мир квантовой механики действительно так необычен, что даже Альберт Эйнштейн счел его непонятным и отказался признавать все следствия теории, выведенные Шрёдингером и его коллегами. Как и многие другие ученые, Эйнштейн решил, что удобнее поверить в то, что уравнения квантовой механики были лишь своеобразным математическим трюком, который по случайности предоставил разумное объяснение поведению атомных и субатомных частиц, но в них содержится более глубокая истина, которая лучше соотносится с нашим обыденным чувством реальности. Ведь квантовая механика утверждает, что реального нет и мы не можем ничего сказать о поведении вещей, когда не наблюдаем их. Мифический кот Шрёдингера был призван прояснить различия между квантовым и обычным миром.

В мире квантовой механики перестают работать законы физики, знакомые нам из обычного мира. Вместо этого событиями управляют вероятности. Радиоактивный атом, например, может распасться и, скажем, выпустить электрон, а может и нет. Можно провести эксперимент, представив, что есть ровно пятидесятипроцентная вероятность того, что один из атомов сгустка радиоактивного вещества в определенный момент распадется и детектор зарегистрирует этот распад, если он произойдет. Шрёдингер, столь же расстроенный выводами квантовой теории, как и Эйнштейн, попытался продемонстрировать их абсурдность, представив, что такой эксперимент проходит в закрытой комнате или коробке, где находятся живой кот и флакон с ядом, причем если распад происходит, сосуд с ядом разбивается и кот погибает. В обычном мире вероятность смерти кота составляет пятьдесят процентов и, не заглядывая в коробку, мы можем смело заявить лишь одно: кот внутри либо жив, либо мертв. Но тут-то и проявляет себя странность квантового мира. В соответствии с теорией ни одна из двух возможностей, которые существуют для радиоактивного вещества, а следовательно, и кота, не представляется реальной, если не происходит наблюдения за происходящим. Атомный распад не случился и не не случился, кот не погиб и не не погиб, пока мы не заглянем в коробку, чтобы узнать, что произошло. Теоретики, которые принимают чистую версию квантовой механики, утверждают, что кот существует в некотором неопределенном состоянии, будучи при этом ни живым и ни мертвым, пока наблюдатель не заглянет в коробку и не увидит, как сложилась ситуация. Ничто не реально, если не установлено наблюдение.

Эта идея была ненавистна Эйнштейну, как и многим другим. «Бог не играет в кости», – сказал он, ссылаясь на теорию о том, что мир определяется совокупностью результатов по сути случайного «выбора» возможностей на квантовом уровне. Что же до нереальности состояния кота Шрёдингера, Эйнштейн не принял ее во внимание, предположив, что должен существовать некий глубинный «механизм», который определяет истинно фундаментальную реальность вещей. Он много лет пытался разработать опыты, которые помогли бы показать эту глубинную реальность в работе, но скончался раньше, чем вообще стало возможным провести подобный эксперимент. Возможно, это к лучшему, что он не дожил до того момента, когда стал ясен результат цепочки рассуждений, запущенной им.

Летом 1982 года группа ученых из университета Париж-Юг под руководством Алена Аспе завершила серию экспериментов, разработанных для выявления глубинной реальности, определяющей нереальный квантовый мир. Этой глубинной реальности – фундаментальному механизму – присвоили имя «скрытых параметров». Суть эксперимента заключалась в наблюдении за поведением двух фотонов, или частиц света, летящих в противоположных направлениях от источника. Полностью эксперимент описан в десятой главе, но в целом его можно считать проверкой реальности. Два фотона из одного источника могут фиксироваться двумя детекторами, которые измеряют свойство, называемое поляризацией. В соответствии с квантовой теорией этого свойства не существует, пока оно не измерено. В соответствии с идеей о «скрытых параметрах» каждый фотон обладает «реальной» поляризацией с момента своего возникновения. Так как два фотона вылетают одновременно, величины их поляризации зависят друг от друга, но природа зависимости, которая измеряется на деле, различается в соответствии с двумя представлениями о реальности.

Результаты этого важнейшего эксперимента однозначны. Зависимость, предсказанная теорией скрытых параметров, не была обнаружена, а зависимость, предсказанная квантовой механикой, – была. Более того, как и предсказывала квантовая теория, измерения, проведенные на одном фотоне, оказывали мгновенный эффект на природу другого фотона. Некоторое взаимодействие неразрывно связывало фотоны, хотя они и разлетались в разные стороны со скоростью света, а теория относительности утверждает, что ни один сигнал не может передаваться быстрее, чем свет. Эксперименты доказали, что в мире нет глубинной реальности. «Реальность» в обыденном смысле не подходит для размышления о поведении фундаментальных частиц, которые составляют Вселенную, причем эти частицы в то же время, похоже, неразрывно связаны друг с другом в некоторое неделимое целое, где каждая знает, что происходит с другими.

Поиск кота Шрёдингера – это поиск квантовой реальности. Из этого короткого обзора может показаться, что поиск этот не увенчался успехом, так как в квантовом мире реальности в привычном смысле слова не существует. Но история на этом не заканчивается, и поиск кота Шрёдингера может привести нас к новому пониманию реальности, которая превосходит – и в то же время включает в себя – общепринятое толкование квантовой механики. Однако искать придется долго, и начать нужно с ученого, который, возможно, испугался бы сильнее Эйнштейна, будь у него шанс узнать данные нами сейчас ответы на мучившие его вопросы. Изучая три столетия назад природу света, Исаак Ньютон и не подозревал, наверное, что он уже ступил на путь, ведущий к коту Шрёдингера.

Часть первая

Кто не шокирован квантовой теорией, тот ее не понял.

Нильс Бор 1885-1962

Глава первая

Исаак Ньютон изобрел физику, и на ней покоится вся остальная наука. Хотя Ньютон, конечно, отталкивался от работ других, именно его публикация трех законов движения и теории гравитации свыше трех столетий назад вывела науку на путь, который в конце концов привел к покорению космоса, лазерам, атомной энергии, генной инженерии, пониманию химии и всего остального. На протяжении двух столетий ньютоновская физика (то, что сейчас называют «классической физикой») правила миром науки. Новые революционные идеи продвинули физику в двадцатом веке гораздо дальше Ньютона, однако без тех двух столетий научного роста эти идеи могли бы никогда не появиться. Эта книга не является историей науки: она рассказывает о новой физике – квантовой, а не о тех классических идеях. Однако даже в работе Ньютона трехсотлетней давности уже есть признаки того, что изменения неизбежны: они содержатся не в его трудах о движении планет и их орбитах, а в его исследованиях природы света.

Джон Гриббин

В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

Мне все это не нравится, и я сожалею, что вообще был в этом замешан.

Эрвин Шрёдингер 1887-1961

Ничто не реально.

Джон Леннон 1940-1980

IN SEARCH OF SCHRÖDINGER’S CAT

Quantum Physics and Reality

Перевод с английского З. А. Мамедьярова, Е. А. Фоменко

Благодарности

Мое знакомство с квантовой теорией состоялось более двадцати лет назад, еще в школе, когда я обнаружил, что теория оболочечного строения атома магическим образом объясняла всю периодическую систему элементов и практически всю химию, с которой я мучился на множестве скучных уроков. Я сразу же начал копать дальше, прибег к помощи библиотечных книг, как утверждалось, «слишком сложных» для моей скромной научной подготовки, и сразу же заметил прекрасную простоту объяснения атомного спектра с позиции квантовой теории и впервые открыл для себя, что лучшее в науке одновременно прекрасно и просто, а этот факт слишком многие учителя – случайно или нарочно – скрывают от своих учеников. Я чувствовал себя прямо как герой романа «Поиск» Ч. П. Сноу (хотя и прочитал его гораздо позже), который открыл то же самое:

Я заметил, как перепутанные случайные факты вдруг встали на свои места… «Но это истина, – сказал я себе. – Это прекрасно. И это истина». (Издание А, 1963, с. 27.)

Отчасти благодаря этому озарению в университете я решил изучать физику. В положенный срок мои амбиции осуществились, и я стал студентом университета Сассекса в Брайтоне. Но там простоту и красоту глубинных идей затмило многообразие деталей и математических методов решения конкретных проблем с помощью уравнений квантовой механики. Применение этих идей к миру современной физики давало, пожалуй, примерно такое же представление о глубинной красоте и истине, какое дает пилотирование Boeing 747 о дельтапланеризме. Хотя сила изначального озарения по-прежнему оказывала наиболее существенное влияние на мою карьеру, долгое время я не обращал внимания на квантовый мир и открывал для себя другие прелести науки.

Угольки того раннего интереса разгорелись вновь благодаря сочетанию нескольких факторов. В конце 1970-х и начале 1980-х годов начали появляться книги и статьи, которые с переменным успехом пытались объяснить странный квантовый мир далекой от науки аудитории. Некоторые из так называемых «популярных текстов» были так чудовищно далеки от правды, что я не мог даже вообразить, что найдется читатель, который поймет истинность и красоту науки, изучив их, а потому захотел рассказать все как есть. В то же время появились сведения о длительных сериях научных экспериментов, которые доказали реальность ряда самых странных аспектов квантовой теории, и эти сведения заставили меня снова отправиться в библиотеки и освежить свое представление об этих удивительных вещах. И наконец, однажды на Рождество представители ВВС пригласили меня принять участие в радиопрограмме в качестве своеобразного научного оппонента Малкольма Маггериджа, который только что объявил о своем обращении в католичество и был главным гостем в то праздничное время. После того как этот великий человек высказал свою точку зрения, подчеркнув загадочность христианства, он повернулся ко мне и сказал: «Но здесь есть тот, кто знает все ответы – или утверждает, что знает их все». Время было ограниченно, и я постарался дать достойный отпор, указав, что наука не утверждает, будто располагает всеми ответами, и как раз религия, а не наука, полностью полагается на безграничную веру и убеждение, что истина известна. «Я ни во что не верю», – сказал я и начал было объяснять свою позицию, но в этот момент программа подошла к концу. Все рождественские каникулы друзья и знакомые напоминали мне об этих словах, а я часами твердил, что отсутствие у меня безграничной веры во что-либо не мешает мне жить нормальной жизнью, используя вполне разумную рабочую гипотезу о том, что солнце вряд ли исчезнет за одну ночь.

Все это помогло мне разложить по полочкам собственные мысли о сущности науки в процессе длительных дискуссий о базовой реальности – или нереальности – квантового мира, и этого оказалось достаточно, чтобы я убедился, что могу написать книгу, которую вы теперь держите в руках. Работая над ней, я проверил многие из более тонких аргументов в ходе своих регулярных появлений в научной радиопрограмме Вещательной корпорации Британских вооруженных сил, ведущим которой был Томми Вэнс. Пытливые вопросы Тома быстро вскрывали несовершенства моей презентации, и с их помощью я смог организовать свои идеи лучшим образом. Основным источником справочных материалов, которые я использовал при написании книги, стала библиотека университета Сассекса, где содержится, пожалуй, одна из лучших коллекций книг по квантовой теории в мире, а более редкие материалы мне подобрала Мэнди Кэплин из журнала New Scientist, которая настойчиво слала мне сообщения по телетайпу, в то время как Кристина Саттон скорректировала мое неверное представление о физике частиц и теории поля. Моя жена не только оказала мне неоценимую помощь при обзоре литературы и организации материала, но и смягчила множество острых углов. Я также благодарен профессору Рудольфу Пирлсу за то, что он в деталях объяснил мне кое-какие тонкости эксперимента с часами в коробке и парадокса Эйнштейна – Подольского – Розена.

Всем хорошим, что есть в этой книге, она обязана: «сложным» текстам по химии, названий которых я уже не помню и которые я обнаружил в Библиотеке графства Кент в возрасте шестнадцати лет; горе-«популяризаторам» квантовых идей, убедившим меня в том, что я смогу описать их лучше; Малкольму Маггериджу и ВВС; библиотеке университета Сассекса; Томми Вэнсу и BFBS; Мэнди Кэплин и Кристине Саттон и особенно Мин. Любые жалобы, касающиеся тех недостатков, что все же остались в этой книге, должны быть, конечно, адресованы мне.

Джон Гриббин

Июль 1983 года

Введение

Если сложить все книги и статьи о теории относительности, написанные для простых людей, то стопка, вероятно, дотянется до Луны. «Все знают», что теория относительности Эйнштейна – это самое великое достижение науки XX столетия, и все ошибаются. Однако если сложить все книги и статьи о квантовой теории, написанные для простых людей, то они легко поместятся на моем столе. Это не значит, что о квантовой теории не слышали за стенами академий. Квантовая механика даже стала популярна в определенных слоях: при помощи нее пытались объяснить телепатию и сгибание ложек, в ней черпали вдохновение для множества научно-фантастических историй. В популярной мифологии квантовая механика связывается – если связывается вообще – с оккультизмом и экстрасенсорным восприятием, то есть странной, эзотерической ветвью науки, которую никто не понимает и которой никто не может найти практического применения.

Эта книга написана в противовес такому восприятию того, что по сути является самой фундаментальной и важной областью научного знания. Своим происхождением эта книга обязана нескольким обстоятельствам, которые возникли летом 1982 года. Во-первых, я только что дочитал книгу о теории относительности под названием «Искривления пространства» и решил, что пора взяться за демистификацию другой великой ветви науки двадцатого века. Во-вторых, в то время меня все больше раздражали неверные идеи, которые бытовали под именем квантовой теории в среде людей, далеких от науки. Великолепная книга «Дао физики» Фритьофа Капры способствовала появлению множества подражателей, которые не понимали ни физики, ни дао, но чувствовали, что можно сделать деньги, связав западную науку с восточной философией. И наконец, в августе 1982 года из Парижа пришли новости о том, что группа ученых успешно провела важнейший эксперимент, который подтвердил – для тех, кто все еще сомневался, – точность квантово-механического представления о мироздании.

Ничто не реально

Если Вы заинтересовались статьёй по теме из квантовой физики, то велика вероятность того, что Вы любите сериал «Теория большого взрыва». Так вот, Шелдон Купер придумал свеженькую интерпретацию мысленного эксперимента Шрёдингера (видео с этим фрагментом Вы найдёте в конце статьи). Но чтобы понять диалог Шелдона с его соседкой Пенни, обратимся сначала к классической интерпретации. Итак, Кот Шредингера простыми словами.

В этой статье мы рассмотрим:

Короткая историческая справка
Описание эксперимента с Котом Шрёдингера
Разгадка парадокса Кота Шрёдингера

Сразу хорошая новость. Во время эксперимента кот Шредингера не пострадал . Потому что физик Эрвин Шрёдингер, один из создателей квантовой механики, провёл только мысленный эксперимент.

Перед тем, как погрузиться в описание эксперимента, сделаем мини экскурс в историю.

В начале прошлого века учёным удалось заглянуть в микромир. Несмотря на внешнюю схожесть модели «атом-электрон» с моделью «Солнце-Земля», оказалось, что в микромире не работают привычные нам ньютоновские законы классической физики. Поэтому появилась новая наука –квантовая физика и ёё составляющая – квантовая механика. Квантами назвали все микроскопические объекты микромира.

Внимание! Один из постулатов квантовой механики – «суперпозиция». Он пригодится нам для понимания сути эксперимента Шрёдингера.

«Суперпозиция» – это способность кванта (им может быть электрон, фотон, ядро атома) находится не в одном, а в нескольких состояниях одновременно или находится в нескольких точках пространства одновременно, если никто за ним не наблюдает

Нам это сложно понять, потому что в нашем мире объект может иметь только одно состояние, например, быть, или живым, или мёртвым. И может находиться только в одном определённом месте в пространстве. О «суперпозиции» и ошеломляющих результатах экспериментов квантовой физики можете почитать в этой статье .

Вот простая иллюстрация отличия поведения микро и макро объектов. Положите в одну из 2-х коробок шар. Т.к. шар – это объект нашего макро мира, Вы с уверенностью скажете: «Шар лежит только в одной из коробок, при этом во второй – пусто». Если же вместо шара возьмёте электрон, то верным будет высказывание, что он находится одновременно в 2-х коробках. Так работают законы микромира. Пример: электрон в реальности не вращается вокруг ядра атома, а находится во всех точках сферы вокруг ядра одновременно. В физике и химии, этот феномен имеет название «электронного облака».

Резюме. Мы поняли, что поведение очень маленького объекта и большого объекта подчиняются разным законам. Законам квантовой физики и Законам классической физики соответственно.

Но нет науки, которая описывала бы переход от макромира в микромир. Так вот, Эрвин Шрёдингер описал свой мысленный эксперимент как раз для того, чтобы продемонстрировать неполноту общей теории физики. Он хотел, чтобы парадокс Шредингера показал, что есть наука для описания больших объектов (классическая физика) и наука для описания микрообъектов (квантовая физика). Но не хватает науки для описания перехода от квантовых систем к макросистемам .

Описание эксперимента с Котом Шредингера

Эрвин Шрёдингер описал мысленный эксперимент с котом в 1935 году. Оригинальная версия описания эксперимента представлена в Википедии (Кот Шредингера Википедия ).

Вот версия описания эксперимента Кот Шредингера простыми словами:

В закрытый стальной ящик поместили кота.
В «ящике Шредингера» есть устройство с радиоактивным ядром и ядовитым газом, помещённым в ёмкость.
Ядро может распасться в течение 1 часа или нет. Вероятность распада – 50%.
Если ядро распадётся, то счётчик Гейгера зафиксирует это. Сработает реле и молоточек разобьёт ёмкость с газом. Котик Шрёдингера умрёт.
Если – нет, то шредингеровский кот будет жив.

Согласно закону «суперпозиции» квантовой механики в то время, когда мы не наблюдаем за системой, ядро атома (а следовательно, и кот) находится в 2-х состояниях одновременно. Ядро находится в состоянии распавшееся/нераспавшееся. А кот – в состоянии жив/мертв одновременно.

Но мы точно знаем, если «ящик Шредингера» открыть, то кот может быть только в одном из состояний:

если ядро не распалось – наш кот жив
если ядро распалось – котик мёртв

Парадокс эксперимента заключается в том, что согласно квантовой физике: до открытия коробки кот, и жив, и мёртв одновременно , но согласно законам физики нашего мира – это невозможно. Кот может быть в одном конкретном состоянии – быть живым или быть мёртвым . Нет смешанного состояния «кот жив/мёртв» одновременно.

Перед тем, как получить разгадку, посмотрите эту замечательную видео-иллюстрацию парадокса эксперимента с котом Шрёдингера (меньше 2-х минут):

Разгадка парадокса Кота Шрёдингера – копенгагенская интерпретация

Теперь разгадка. Обратите внимание на особую загадку квантовой механики – парадокс наблюдателя . Объект микромира (в нашем случае, ядро) находится в нескольких состояниях одновременно только пока мы не наблюдаем за системой .

Например , знаменитый эксперимент с 2-мя щелями и наблюдателем. Когда пучок электронов направляли на непрозрачную пластину с 2-мя вертикальными щелями, то на экране за пластиной электроны рисовали «волновую картину» — вертикальные чередующиеся тёмные и светлые полосы. Но когда экспериментаторы захотели «посмотреть», как электроны пролетают сквозь щели и установили со стороны экрана «наблюдателя», электроны нарисовали на экране не «волновую картину», а 2 вертикальные полосы. Т.е. вели себя, не как волны, а как частицы.

Похоже на то, что квантовые частицы сами решают, какое состояние им принять в момент, когда их «замеряют».

Исходя из этого, современное копенгагенское пояснение (интерпретация) феномена «Кота Шредингера» звучит так:

Пока никто не наблюдает за системой «кот-ядро», ядро находится в состоянии распавшееся/нераспавшееся одновременно. Но ошибочно утверждать, что и кот жив/мёртв одновременно. Почему? Да потому что в макросистемах квантовые явления не наблюдаются. Правильнее говорить не о системе «кот-ядро», а о системе «ядро-детектор (счётчик Гейгера)».

Ядро выбирает одно из состояний (распавшееся/нераспавшееся) в момент наблюдения (или измерения). Но этот выбор происходит не в тот момент, когда экспериментатор открывает ящик (открытие ящика происходит в макромире, очень далёком от мира ядра). Ядро выбирает своё состояние в момент, когда оно попадает в детектор. Дело в том, что в эксперименте система описана недостаточно.

Таким образом, копенгагенская интерпретация парадокса Кота Шредингера отрицает, что до момента открытия ящика Кот Шредингера был в состоянии суперпозиции – находился в состоянии живого/мёртвого кота одновременно. Кот в макромире может находится и находится только в одном состоянии.

Резюме. Шредингер не совсем полно описал эксперимент. Не правильно (точнее, невозможно связывать) макроскопические и квантовые системы. В наших макросистемах не действуют квантовые законы. В данном эксперименте взаимодействуют не «кот-ядро», а «кот – детектор-ядро». Кот из макромира, а система «детектор-ядро» – из микромира. И только в своём квантовом мире ядро может находиться в 2-х состояниях одновременно. Это происходит до момента измерения или взаимодействия ядра с детектором. А кот в своём макромире может находиться и находится только в одном состоянии. Поэтому, это только на 1-й взгляд кажется, что состояние кота «жив-мёртв» определяется в момент открытия ящика. На самом деле его судьба определяется в момент взаимодействия детектора с ядром.

Окончательное резюме. Состояние системы «детектор-ядро - кот» связано НЕ с человеком – наблюдателем за ящиком, а с детектором – наблюдателем за ядром.

Фух. Чуть мозги не закипели! Но как приятно самой понять разгадку парадокса! Как в старом студенческом анекдоте про преподавателя: «Пока рассказывал, сам понял!».

Интерпретация Шелдона парадокса Кота Шрёдингера

Теперь можно расслабиться и послушать самую свежую интерпретацию мысленного эксперимента Шредингера от Шелдона. Суть его интерпретации в том, что ёё можно применять в отношениях между людьми. Чтобы понять, хорошие отношения между мужчиной и женщиной или плохие – нужно открыть ящик (пойти на свидание). А до этого они, и хорошие, и плохие одновременно.

Ну как Вам этот «милый эксперимент»? В наше время досталось бы Шрёдингеру от защитников животных за такие зверские мысленные эксперименты с котом. А может это был не кот, а Кошка Шредингера?! Бедная девочка, натерпелась от этого Шредингера (((

До встречи в следующих публикациях!

Желаю всем удачного дня и приятного вечера!

P.S. Делитесь своими мыслями в комментариях. И задавайте вопросы.

P.S. Подписывайтесь на блог – форма подписки находится под статьёй.