КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА ВХОДИТ В ЧАТ - 2. Кот Шрёндергера
Ну чтож, раз первая копипаста взлетела и, по непонятным мне причинам, даже появилась подписота, будем продолжать влиять на умы уважаемых анонимусов и продолжим нести хуйню просвещение и научпоп в массы, дабы расширить кругозор.
Кот Шрёдингера — физико-математический мем. Эксперимент с помещением кота в газенваген придуман Эрвином Шрёдингером, чтобы показать, что квантовая механика — penis canina и что при распространении её на макросистемы (объекты размером с кота, скажем) возникают непредвиденные проблемы.
Правда, что это за эксперимент и что призван иллюстрировать кот, мало кто понимает. Кот Шрёдингера? Ну, это такой кот, который сидит в коробке и одновременно и жив, и мёртв… Потому что наука!
— Суть
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: «а жив ли кот?»
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 безо 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. Что, может быть, сомнительно, ибо души и возможности «наблюдать» у детектора нет. Однако для изменения состояния системы нужно взаимодействие с частицей, и детектор при собственно детектировании, похоже, делает именно это. Многомировая интерпретация же делает акцент на реализацию обоих состояний кота в альтернативных вселенных.
Истоки появления
Дело в том, что, как и Эйнштейн, Шрёдингер был противником квантовой механики, с её вероятностями, неопределённостями и квантовыми флуктуациями. Потому вся эта котовасия предполагалась для указания на несформированность КМ, на то, что мы, дескать, ещё чего-то не понимаем.
Кстати, Шрёдингер придумал своё уравнение только чтобы макнуть КМ мордой в грязь, но оказалось, что уравнение-то прекрасно сходится с экспериментом. Schrödinger-FFFFFFUUUUUU.jpg.
ИРЛ
Физики из института квантовой оптики Макса Планка и Института фотонных наук хотят провести в реальности известный мысленный эксперимент «кота Шрёдингера». Доктор Ориол Ромеро-Исарт (Oriol Romero-Isart) и его коллеги предлагают провести эксперимент по «подвешиванию» вируса табачной мозаики (tobacco mosaic virus) в суперпозиции двух квантовых состояний. Его фаллическая стержнеобразная форма (50 нанометров в диаметре и 1 микрометр в длину) больше всего понравилась ученым. Фрейд и Юнг рыдают обнявшись.
Для начала они предлагают поместить вирус в вакуум, где его поймает в ловушку созданное лазером электромагнитное поле. Затем другим лазером команда исследователей намеревается замедлить движение вируса, пока он совсем не остановится в одном из самых низких энергетических состояний. Как только это произойдёт, физики с помощью фотона заставят его перейти в суперпозицию двух квантовых состояний: до проведения измерения вирус, по идее, должен будет находиться в «смеси» движения и неподвижности одновременно.
Квантовая механика
Началось всё с того, что в начале двадцатого века физики обнаружили: микрообъекты (элементарные частицы, а также и частицы поменьше, о которых тогда не знали) ведут себя очень странно — совсем не так, как им положено по классической ньютоновской механике. Например, эксперимент показал, что электрон ведёт себя одновременно как частица и как волна (это называется «корпускулярно-волновой дуализм»).
А ещё обнаружилось, что, наблюдая микрообъекты, наблюдатель неизбежно влияет на них своим наблюдением. Взять, например, фотон. Он умеет всего три вещи — излучаться, лететь со скоростью света и поглощаться. Наблюдать его иначе чем в момент поглощения мы не можем (потому что наблюдение фотона — это и есть поглощение). Соответственно, был сформулирован принцип неопределённости Гейзенберга — уравнение, демонстрирующее, что мы не можем одновременно знать положение и момент импульса частицы с произвольной точностью. Этот принцип хорошо иллюстрируется анекдотом о том, как Гейзенберга остановил полицейский за превышение скорости: «Вы знаете, с какой скоростью вы ехали? — Нет, зато я точно знаю, где сейчас нахожусь!»
Поэтому физики ввели понятие волновой функции. Значение этой функции (точнее, квадрата её модуля) в некоторой точке-состоянии соответствовало вероятности, с какой наше наблюдение застанет частицу в данном состоянии. Иначе говоря, с точки зрения наблюдателя можно считать, что частица одновременно находится в разных состояниях с разной вероятностью. Это называется «суперпозицией состояний».
Модель волновой функции, а также использующее эту функцию уравнение Шрёдингера позволили объяснить некоторые необычные свойства микрообъектов. Но остался вопрос: а как ведёт себя частица на самом деле? Волновая функция ведь описывает результат наших измерений, то есть результат взаимодействия частицы с наблюдателем. А как ведёт себя частица в отсутствие наблюдателя?
Копенгагенская интерпретация и появление кота
Одним из ответов на этот вопрос была так называемая копенгагенская интерпретация. Согласно ей, частица действительно находится сразу во многих состояниях с разной вероятностью. Конечно, макрообъекты так себя не ведут, но мы ведь уже знаем, что в микромире свои правила? Ну так вот, частица живёт себе в суперпозиции состояний, пока наблюдатель не «наблюдёт» её и своим наблюдением не схлопнет волновую функцию, оставив частицу в одном фиксированном состоянии.
Именно здесь на сцену выходит наш кот. Эрнест Шрёдингер, один из «зубров» квантовой механики, резко высказался против копенгагенской интерпретации и, чтобы опровергнуть её, придумал мысленный эксперимент — того самого кота.
Итак, есть наглухо закрытая коробка, в которой сидит кот, а также находится радиоактивный атом, который может распасться, а может и нет. Если атом распадётся и специальный детектор это уловит, то в коробке разобьётся ампула с ядовитым газом, и бедный кот помрёт. Если же атом не распадётся, то кот останется в живых.
Штука в том, что наружный мир никак не действует на систему внутри нашей коробки. (Да, в реальности такую коробку сделать крайне сложно, но на то у нас и мысленный эксперимент.) Мы никак не можем сказать, жив кот в коробке или уже умер. Открыв коробку, мы увидим или труп, или живого и сердитого кота. Но каким был кот до того, как мы открыли коробку? Раз у нас не было никаких способов это проверить, то, наверное, кот, как и частица в копенгагенской интерпретации, находился в суперпозиции двух состояний: был одновременно и жив, и мёртв. Верно?
Подтвердить это не удалось (или, как выразился сам Шрёдингер, «бурлеск»), ибо пришлось бы убить реального кота. В этом и есть суть мысленного эксперимента Шрёдингера: мы знаем, что макрообъекты так себя не ведут, и у нас нет оснований полагать, что так себя ведут микрообъекты.
Споры об интерпретациях квантовой механики (а этих интерпретаций было предложено довольно много) не утихают до сих пор, но нас сейчас интересуют не эти споры, а кот. Что же было с ним дальше?
Дальнейшие приключения кота
Дальше с котом Шрёдингера случилось нечто неожиданное. Хотя изначально кот был антипримером, оказалось, что его удобно использовать, наоборот, как пример для объяснения суперпозиции состояний. Преподаватели (и, будем надеяться, студенты) понимали, что в мёртво-живого кота поверить сложно, однако он существует и тем самым ломает интуитивную систему мира; но на таком как бы абсурдном примере оказалось удобно иллюстрировать, как свойства микрообъектов отличаются от свойств макрообъектов. Ну и кроме того, он прекрасно олицетворял саму абсурдность, непостижимость, непознаваемость физики для тех, кто в ней не разбираются.
А потом… Харизматичный и парадоксальный кот Шрёдингера, как и подобает коту, пошёл гулять сам по себе по мировой культуре. Уже в полном отрыве от спора об интерпретациях квантовой механики (и, увы, часто без особого понимания соответствующей физики) кота поминают или обсуждают во множестве произведений. Оттака хуйня малята.
