Парадокс кота Шрёдингера¶
Кот Шрёдингера (парадокс Шрёдингера) — мысленный эксперимент, предложенный в 1935 году австрийским физиком-теоретиком Эрвином Шрёдингером для демонстрации кажущейся абсурдности квантовой механики при её экстраполяции на макроскопические объекты. Эксперимент иллюстрирует проблему квантовой суперпозиции и роли наблюдения в квантовой теории, показывая, что согласно копенгагенской интерпретации, система может находиться одновременно во всех возможных состояниях до момента измерения.
¶История возникновения
Парадокс был сформулирован Шрёдингером в статье «Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik» («Современное положение в квантовой механике»), опубликованной в журнале Naturwissenschaften. Учёный стремился показать несостоятельность копенгагенской интерпретации, утверждавшей, что квантовые системы не имеют определённых свойств до момента измерения. Шрёдингер писал, что если бы квантовые законы действовали на макроскопическом уровне, то можно было бы представить кота, одновременно живого и мёртвого, что противоречит повседневному опыту.
¶Суть мысленного эксперимента
В классическом описании эксперимента в закрытый стальной ящик помещают кота, а также небольшое количество радиоактивного вещества, счётчик Гейгера и колбу с ядовитым газом. Вероятность распада одного атома радиоактивного вещества за час составляет 50 %. Если распад происходит, счётчик регистрирует его и разбивает колбу, выпуская газ, который убивает кота. Если распад не происходит, кот остаётся жив.
С точки зрения квантовой механики, до открытия ящика атом находится в суперпозиции распавшегося и нераспавшегося состояний. Соответственно, кот, чья жизнь связана с состоянием атома, также должен находиться в суперпозиции живого и мёртвого состояний. Только после открытия ящика и наблюдения волновая функция «схлопывается», и кот оказывается в одном из двух состояний.
¶Интерпретации и решения парадокса
¶Копенгагенская интерпретация
Согласно этой интерпретации, квантовое описание применимо только к микроскопическим объектам. Макроскопические системы, такие как кот, не могут находиться в суперпозиции, поскольку они постоянно взаимодействуют с окружающей средой (декогеренция). Таким образом, кот либо жив, либо мёртв с самого начала, а квантовая неопределённость относится только к атому.
¶Многомировая интерпретация
В многомировой интерпретации (Эверетт, 1957) волновая функция никогда не схлопывается. Вместо этого все возможные исходы реализуются в параллельных вселенных. В одной вселенной кот жив, в другой — мёртв. Наблюдатель, открывая ящик, также расщепляется на две версии, каждая из которых видит свой результат.
¶Объективный коллапс волновой функции
Некоторые теории (например, теория Гирарди — Римини — Вебера) предполагают, что волновая функция коллапсирует спонтанно при достижении системой определённого размера или массы. В таких моделях кот никогда не находится в суперпозиции, а коллапс происходит до того, как квантовые эффекты могут повлиять на макроскопическое состояние.
¶Декогеренция
Современная квантовая теория объясняет, что взаимодействие с окружающей средой (тепловое излучение, молекулы воздуха) практически мгновенно разрушает квантовую когерентность макроскопических объектов. В реальном эксперименте кот не может находиться в суперпозиции из-за постоянного взаимодействия с ящиком, воздухом и собственным телом. Декогеренция делает суперпозицию ненаблюдаемой, но не решает фундаментальную проблему выбора одного из состояний.
¶Критика и значение
Парадокс кота Шрёдингера не является реальным физическим экспериментом, а служит иллюстрацией концептуальных трудностей квантовой механики. Многие физики, включая Альберта Эйнштейна, считали, что квантовая механика неполна и что должны существовать скрытые параметры, определяющие состояние системы до измерения. Эйнштейн писал, что «Бог не играет в кости», имея в виду, что природа не может быть основана на вероятности.
Парадокс стимулировал развитие различных интерпретаций квантовой механики, а также практических экспериментов по квантовой суперпозиции макроскопических объектов. В 2010-х годах физикам удалось создать квантовую суперпозицию для молекул, состоящих из десятков атомов, что подтверждает применимость квантовых законов к объектам, промежуточным между микро- и макромиром.
¶В культуре
Образ кота Шрёдингера стал популярным в массовой культуре, науке и философии. Он используется как метафора для ситуаций, где два противоположных состояния сосуществуют до момента принятия решения или получения информации. В литературе и кино парадокс часто упоминается в контексте параллельных миров, квантовой физики и теории вероятностей.
¶Экспериментальные проверки
Хотя мысленный эксперимент с котом не может быть реализован в буквальном виде из-за этических и практических ограничений, учёные проводили опыты с квантовой суперпозицией микроскопических объектов. Например, в 2011 году группа физиков из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре создала суперпозицию состояний для сверхпроводящего контура размером в несколько микрометров. В 2019 году исследователи из Австрии и Германии продемонстрировали квантовую суперпозицию для молекулы из 2000 атомов.
¶Источники
- Schrödinger, E. (1935). «Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik». Naturwissenschaften.
- Everett, H. (1957). «Relative State Formulation of Quantum Mechanics». Reviews of Modern Physics.
- Zurek, W. H. (2003). «Decoherence, einselection, and the quantum origins of the classical». Reviews of Modern Physics.
- Ghirardi, G. C., Rimini, A., Weber, T. (1986). «Unified dynamics for microscopic and macroscopic systems». Physical Review D.
- Фейнман, Р. (1965). «Фейнмановские лекции по физике. Том 8: Квантовая механика».