Кот Шрёдингера: что это за эксперимент и в чём его смысл

Вы наверняка встречали в соцсетях мемы и шутки про Шрёдингера. Например, если какая-то нейросеть не работает в России, но все продолжают ей пользоваться, её называют нейросетью Шрёдингера. Говоря так, комментаторы ссылаются на известный эксперимент с котом Шрёдингера, который как будто и жив, и мёртв одновременно.

В этой статье мы разберёмся, в чём смысл этого эксперимента, чем так знамениты Шрёдингер и его кот и как одна логическая дилемма помогла найти бреши в квантовой физике. Сегодня вы узнаете:

• кто такой Эрвин Шрёдингер;
• в чём суть его эксперимента;
• какие у него есть объяснения;
• как он повлиял на науку и технику;
• что ещё почитать по теме.

Кто такой Эрвин Шрёдингер и чем он знаменит

Эрвин Шрёдингер (1887–1961) — выдающийся австрийский учёный-физик, известный как один из основоположников квантовой теории. За работу по волновой механике в 1933 году он удостоился Нобелевской премии, а сам Эйнштейн говорил, что «её идея исходит от истинного гения».

Чтобы понять, в чём заключается заслуга Шрёдингера, разберёмся, что такое «квантовый» и «волновой». Слово «квант» означает минимальную неделимую порцию чего-либо. Например, квант света — это фотон, а квант электрического поля — это электрон. У кванта есть множество удивительных и даже странных свойств. Например:

• В зависимости от условий он может быть как частицей, так и волной — это называется корпускулярно-волновым дуализмом.
• Он может находиться одновременно в нескольких местах и состояниях одновременно — такое его свойство называется суперпозицией.

Достижение же Шрёдингера состоит в том, что он смог буквально «поймать квант за руку». Говоря формально — придумал уравнение волновой функции, которое помогает определить вероятность нахождения кванта в какой-либо точке пространства. За это уравнение, которое позже назовут его именем, он и получил Нобелевскую премию с формулировкой «за открытие новых форм квантовой теории».

Вообще, жизнь Шрёдингера столь же трагична, столь и удивительна: в ней было и участие в Первой мировой войне, и годы безуспешных научных изысканий, и вынужденная эмиграция от нацистов, и дружба с величайшими учёными мира, включая Эйнштейна, Нильса Бора и Вернера Гейзенберга.

Как и многие гении, Шрёдингер по натуре был довольно эксцентричным и даже в чём-то странным — например, он всю жизнь путешествовал с рюкзаком в прогулочных ботинках. Однажды из-за этого ему даже чуть было не отказали в заселении в гостиницу, когда он приехал на Сольвеевскую конференцию для нобелевских лауреатов:

О личности и вкладе Шрёдингера в мировую науку можно рассказывать ещё долго. Но мы совсем забыли про кота.

Зачем понадобился эксперимент Шрёдингера

Как мы отметили чуть выше, согласно квантовой механике, мельчайшие частицы могут находиться сразу во многих местах одновременно. Такое их свойство называется суперпозицией, и постулируется оно так:

Получается, что мы не можем точно знать, в каком состоянии или точке пространства находится в данный момент какая-то частица, пока не станем за ней наблюдать. Говоря научно — волновая функция коллапсирует и квантовая система принимает одно из состояний лишь при появлении наблюдателя.

Звучит весьма странно — спрашивается, какое дело частице до того, смотрят на неё или нет? Но спешим успокоить: этот парадокс наблюдателя вызывает вопросы не только у вас — это вообще одна из главных проблем квантовой механики. Так, например, иллюстрировал её Альберт Эйнштейн:

Стоит оговориться, что Эйнштейн таким образом не высмеивал саму квантовую механику, а лишь пытался образно сформулировать наличие серьёзной бреши в этой науке.

Шрёдингер же пошёл иным путём: он решил экспериментально доказать, что состояние системы не зависит от того, наблюдают за ней или нет. Эксперимент был мысленный, поэтому любители животных могут не переживать: в ходе эксперимента ни один кот не пострадал!

Эксперимент с «котом Шрёдингера»

В 1935 году Шрёдингер опубликовал статью из трёх частей под названием «Современное состояние квантовой механики», в которой был описан знаменитый парадокс с котом. Итак, вот в чём его суть:

• Представим, что у нас есть стальной звукоизолированный ящик (контейнер, коробка).
• Внутри ящика установлена «адская машинка» — специальное устройство, в котором стоит счётчик Гейгера с помещённым в него атомом радиоактивного вещества. Вероятность, что этот атом распадётся в течение часа, — 50%. Если атом распадается, то счётчик приводит в действие специальный механизм — молоточек, разбивающий колбу с ядовитой синильной кислотой.
• Помещаем в ящик обычного кота и закрываем крышку. Через час мы его откроем и сможем увидеть, жив кот или умер от отравления ядовитым веществом.

Если следовать копенгагенской интерпретации квантовой механики, пока коробка закрыта, несчастное животное, как и радиоактивный атом, находится в суперпозиции — то есть кот Шрёдингера и жив, и мёртв одновременно. Понятно, что этого не может быть: не может же кот отравиться ядом лишь наполовину.

Своим «опытом» Шрёдингер хотел показать неполноту общепринятой концепции. Мол, если она не работает с макроскопическим объектом, коим является кот, то как мы можем применить её к микроскопическому объекту, коим является атом? Он предлагал искать другие способы понимания квантовой реальности, которые бы не противоречили здравому смыслу.

Объяснения эксперимента

Эксперимент Шрёдингера произвёл фурор в научных кругах. Ещё бы: один из фундаментальных принципов квантовой механики — принцип суперпозиции — был поставлен под сомнение. Стало появляться множество попыток как-то сгладить противоречие — от вполне тривиальных до совсем фантастических.

Так, копенгагенская интерпретация продолжает настаивать на том, что выход частицы из состояния суперпозиции связан с появлением наблюдателя. Более того, само измерение не является пассивным процессом — оно влияет на систему и заставляет её выбрать одно из состояний.

Дело в том, что из-за несовершенства измерительных приборов мы не можем одинаково точно измерить два параметра частицы — например, её импульс и положение в пространстве. Чем точнее мы измеряем одну величину, тем хуже измерения в другой. Это называется принципом неопределённости Гейзенберга. На эту тему у учёных-физиков даже существует анекдот:

Например, чтобы измерить, скажем, импульс частицы, нам нужно пропустить её через детектор — то есть облучить фотонами света. Как только мы это сделаем, под влиянием фотонов частица тут же потеряет скорость — а значит, измерения будут неточны. Такая потеря квантовых свойств при столкновении с внешним миром называется декогеренцией.

Получается, что «эффект наблюдателя» связан не с тем, что частица каким-то образом узнаёт, что мы на неё смотрим. Это мы не можем адекватно изучить всё многообразие состояний частицы — а при попытке измерить её параметры натыкаемся лишь на одно из них, безо всякой суперпозиции.

Копенгагенская версия достаточно хороша, чтобы быть общепринятой, но она имеет один существенный изъян — в ней нет чёткого объяснения, при каких именно условиях частица выбирает одно из состояний. Это как будто происходит случайно и не зависит ни от каких законов. Такой ответ многим физикам кажется неудовлетворительным, а потому сохраняется пространство для других интерпретаций.

Многомировая интерпретация. В 1957 году американский физик Хью Эверетт предложил объяснение, способное перевернуть представление о Вселенной. Так, согласно многомировой теории, суперпозиция атома не исчезает при измерении, а продолжает существовать в параллельных мирах.

Каждый раз, когда мы открываем коробку, мы фактически создаём новую вселенную, где система находится в новом состоянии. Получается, кот может быть жив и мёртв одновременно, но в разных мирах. И мы, как наблюдатели, тоже «расщепляемся»: одна наша версия достаёт из коробки живого питомца, а другая — мёртвого.

Многомировая интерпретация хоть и является радикальной, зато сохраняет универсальность квантовой механики для всех объектов — и на микро-, и на макроуровне. Именно поэтому квантовые физики рассматривают её не как нечто фантастическое, а как полноценную научную теорию.

В общем, мы бы не рекомендовали проводить какие-либо опыты над котами, если вы не хотите случайно оказаться внутри какого-нибудь фильма или мема про мультивселенные :)

Криптография и квантовые компьютеры

Как мы рассказали выше, «опыт» Шрёдингера поставил под сомнение полноту формулировки принципа суперпозиции. Но это не значит, что принцип не работает — напротив, он уже сейчас вовсю используется в науке и технике.

Взять, например, квантовый компьютер. В отличие от обычного смартфона и ноутбука, он работает не с обычными битами, которые принимают значение от 0 до 1, а с кубитами, имеющими бесконечное число состояний. Благодаря этому они могут выполнять несоизмеримо больше операций за один такт.

По сути, квантовый компьютер является механическим воплощением кота Шрёдингера — ведь, чтобы узнать результаты его вычислений, нам нужно измерить состояние кубитов. А при этом как раз и происходит коллапс суперпозиции, и мы, благодаря специальным квантовым алгоритмам, получаем только один ответ из всех возможных.

Другая сфера, где кот Шрёдингера мог бы реализовать свой потенциал, — криптография. Используя принцип суперпозиции, можно создавать надёжные средства защиты данных, которые не смогут «прослушать» мошенники. Называются они квантовыми ключевыми распределителями (QKD) и работают так:

• По оптоволоконному кабелю с помощью фотона света передаётся сигнал.
• Фотон находится в состоянии суперпозиции — например, он может иметь вертикальную и горизонтальную поляризацию.
• Если к кабелю в любом месте подключится злоумышленник, волновая функция коллапсирует и фотон света перейдёт в конкретное состояние.
• Специальный датчик на приёмной станции зафиксирует изменения и сигнализирует о вмешательстве со стороны.
• Профит! Злоумышленник наказан, данные защищены, а принцип суперпозиции в очередной раз доказал свою эффективность.

Конечно, помимо криптографии и квантовых компьютеров, есть и другие сферы, где используется принцип суперпозиции. Как минимум заслуживает внимания квантовая телепортация, с помощью которой можно передавать состояние одного объекта к другому без физического контакта. Но это уже тема для отдельной статьи — нам, любителям котов и парадоксов, пока хватит и этого.

Что почитать по теме

Как сказал нобелевский лауреат Ричард Фейнман, «квантовую физику не понимает никто». Но это не значит, что мы не можем к этому стремиться. Если хотите сделать первые шаги на этом пути, рекомендуем обратить внимание на следующие книги:

• Джон Гриббин, «В поисках кота Шрёдингера».
• Элиезер Юдковский, «Введение в квантовую механику» (есть хороший перевод на «Хабре»: часть 1 и часть 2).
• Майкл Файер, «Абсолютный минимум. Как квантовая теория объясняет наш мир».
• Стивен Хокинг и Леонард Млодинов, «Кратчайшая история времени».
• Олег Фейгин, «Тайны квантового мира».
• Айзек Азимов, «Популярная физика».