Кот Шрёдингера

Кот Шрёдингера — мысленный эксперимент, предложенный австрийским физиком-теоретиком Эрвином Шрёдингером в 1935 году. Эксперимент призван продемонстрировать парадоксальность и кажущуюся неполноту квантовой механики при переходе от субатомного мира к макроскопическим объектам. В рамках эксперимента рассматривается гипотетическая система, в которой кот, помещённый в закрытый ящик, согласно квантово-механическому описанию, одновременно находится в состоянии «жив» и «мёртв» до момента открытия ящика и наблюдения. Этот парадокс иллюстрирует проблему квантовой суперпозиции и редукции волновой функции, а также ставит вопрос о роли наблюдателя в квантовой физике.

История возникновения

В 1935 году Эрвин Шрёдингер опубликовал статью «Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik» («Современное положение дел в квантовой механике»), в которой подверг критике Копенгагенскую интерпретацию квантовой механики, развитую Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом. Шрёдингер, будучи одним из создателей волновой механики, не был согласен с вероятностной трактовкой квантовых явлений и идеей о том, что физическая система не обладает определёнными свойствами до момента измерения.

В качестве аргумента он предложил мысленный эксперимент, который должен был показать абсурдность применения квантово-механических принципов к макроскопическим объектам. Шрёдингер писал: «Можно также сконструировать случаи, в которых довольно бурлескный результат получается. Некоего кота запирают в стальную камеру вместе со следующей адской машиной (которую следует защитить от прямого вмешательства кота): внутри счётчика Гейгера находится крошечное количество радиоактивного вещества, столь малое, что в течение часа может распасться только один атом, но с той же вероятностью может и не распасться; если это происходит, счётчик срабатывает и через реле разбивает колбу с синильной кислотой. Если предоставить всю эту систему самой себе в течение часа, то мы скажем, что кот всё ещё жив, если за это время атом не распался. Первый же распад атома отравил бы кота. Пси-функция всей системы в целом будет выражать это, смешивая в себе или размазывая живого и мёртвого кота (простите за выражение) в равных долях».

Описание эксперимента

Устройство системы

Эксперимент предполагает следующую конфигурацию:

• Герметичный ящик (стальная камера), полностью изолированный от внешней среды.
• Кот, помещённый внутрь ящика.
• Радиоактивный источник (например, кусочек урана-238) с периодом полураспада, равным одному часу. Вероятность распада одного атома за час составляет ровно 50 %.
• Счётчик Гейгера, регистрирующий продукты распада.
• Механизм, соединённый со счётчиком: при срабатывании счётчика разбивается колба с ядовитым газом (синильной кислотой), что мгновенно убивает кота.

Квантово-механическое описание

С точки зрения квантовой механики, до момента наблюдения (открытия ящика) радиоактивный атом находится в суперпозиции двух состояний: «распался» и «не распался». Поскольку состояние кота напрямую связано с состоянием атома, волновая функция всей системы описывает кота как находящегося в суперпозиции состояний «жив» и «мёртв». Только акт наблюдения (открытие ящика) вызывает коллапс волновой функции, и кот оказывается в одном из двух определённых состояний.

Интерпретации парадокса

Копенгагенская интерпретация

Согласно этой интерпретации, квантовая механика не описывает реальность саму по себе, а лишь даёт вероятностные предсказания результатов измерений. До измерения говорить о реальном состоянии системы бессмысленно. Таким образом, кот не является ни живым, ни мёртвым до открытия ящика — эти понятия просто неприменимы к системе, находящейся в суперпозиции. Критики этой интерпретации, включая самого Шрёдингера и Альберта Эйнштейна, считали такой подход неполным и указывали на его парадоксальность.

Многомировая интерпретация

Предложенная Хью Эвереттом в 1957 году, многомировая интерпретация (интерпретация Эверетта) утверждает, что коллапса волновой функции не происходит. Вместо этого все возможные результаты квантового измерения реализуются в разных, параллельных вселенных. В одной вселенной кот остаётся жив, в другой — умирает. Наблюдатель, открывающий ящик, также расщепляется на две версии, каждая из которых видит свой результат. Эта интерпретация устраняет парадокс, но вводит концепцию бесконечного множества параллельных миров.

Интерпретация с декогеренцией

Современная квантовая теория декогеренции объясняет, почему макроскопические объекты, такие как кот, не могут находиться в квантовой суперпозиции в обычных условиях. Взаимодействие с окружающей средой (тепловое излучение, молекулы воздуха) приводит к быстрому разрушению квантовой когерентности, и система переходит в классическое состояние. Таким образом, в реальном эксперименте кот практически мгновенно перешёл бы в одно из определённых состояний из-за взаимодействия с ящиком и воздухом, а не оставался бы в суперпозиции.

Объективный коллапс волновой функции

Некоторые теории (например, модель Гирарди — Римини — Вебера) предполагают, что коллапс волновой функции происходит спонтанно, без участия наблюдателя, с некоторой вероятностью, зависящей от массы и сложности системы. Для макроскопических объектов, таких как кот, коллапс происходит практически мгновенно, что также устраняет парадокс.

Значение и влияние

В физике

Мысленный эксперимент Шрёдингера стал важным инструментом для обсуждения фундаментальных проблем квантовой механики: природы квантовой реальности, роли наблюдателя, границ применимости квантовой теории. Он стимулировал развитие различных интерпретаций квантовой механики и способствовал более глубокому пониманию квантовой декогеренции.

В культуре

Образ «кота Шрёдингера» вышел далеко за пределы физики и стал популярным мемом в массовой культуре. Он используется:

• В литературе (романы «Кот Шрёдингера» Роберта Антона Уилсона, «Квантовая теория кота» Терри Пратчетта).
• В кинематографе (сериалы «Теория большого взрыва», «Рик и Морти», фильм «Квант милосердия» из серии о Джеймсе Бонде).
• В философии и публицистике как метафора неопределённости, двойственности и парадоксальности реальности.

В науке

В 2010-х годах физикам удалось экспериментально реализовать аналоги «кота Шрёдингера» на микроскопических объектах — ионах, атомах и сверхпроводящих цепях. В 2019 году группа учёных из Йельского университета сообщила о создании «кота Шрёдингера» на основе сверхпроводящего кубита, который находился в суперпозиции двух макроскопически различных состояний. Эти эксперименты подтверждают, что квантовая суперпозиция возможна для достаточно сложных систем, хотя и при условии тщательной изоляции от внешней среды.

Критика

Основные возражения против мысленного эксперимента Шрёдингера сводятся к следующему:

• Некорректное применение квантовой механики к макроскопическим объектам. Критики утверждают, что Шрёдингер намеренно создал искусственную ситуацию, в которой квантовые законы применяются к системе, где они не работают из-за декогеренции.
• Игнорирование роли окружающей среды. В реальном эксперименте кот, ящик и воздух неизбежно взаимодействуют, что приводит к быстрому коллапсу суперпозиции.
• Упрощение понятия «наблюдение». В квантовой механике наблюдение — это не обязательно сознательный акт, а любое взаимодействие с окружением. Счётчик Гейгера, соединённый с механизмом, уже является «наблюдателем» в квантовом смысле.

Источники

• Schrödinger, E. (1935). Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik. Naturwissenschaften, 23(48), 807-812.
• Everett, H. (1957). Relative State Formulation of Quantum Mechanics. Reviews of Modern Physics, 29(3), 454-462.
• Zurek, W. H. (2003). Decoherence, einselection, and the quantum origins of the classical. Reviews of Modern Physics, 75(3), 715-775.
• Ghirardi, G. C., Rimini, A., & Weber, T. (1986). Unified dynamics for microscopic and macroscopic systems. Physical Review D, 34(2), 470-491.
• Leggett, A. J. (2002). Testing the limits of quantum mechanics: motivation, state of play, prospects. Journal of Physics: Condensed Matter, 14(15), R415-R451.