Кіт Шредінгера простими словами. Суть експерименту. Що означає феномен «Кота Шредінгера»? Квантовий чеширський кіт Квантова фізика кіт

Була свого роду «вторинність». Сам він рідко займався певною науковою проблемою. Його улюбленим жанром роботи був відгук на чиєсь наукове дослідження, розвиток цієї роботи або її критика. Незважаючи на те, що сам Шредінгер був індивідуалістом за характером, йому завжди була потрібна чужа думка, опора для подальшої роботи. Незважаючи на цей своєрідний підхід, Шредінгер вдалося зробити чимало відкриттів.

Біографічні дані

Теорія Шредінгера зараз відома не лише студентам фізико-математичних факультетів. Вона буде цікава кожному, хто відчуває інтерес до популярної науки. Ця теорія була створена відомим фізиком Е. Шредінгером, який увійшов в історію як один із творців квантової механіки. Вчений народився 12 серпня 1887 року у сім'ї власника фабрики з виготовлення клейонки. Майбутній учений, який прославився на весь світ своєю загадкою, захоплювався у дитинстві ботанікою та малюванням. Першим його наставником був батько. У 1906 році Шредінгер розпочав навчання у Віденському університеті, під час якого і почав захоплюватися фізикою. Коли настала Перша світова війна, вчений пішов на службу артилеристом У вільний час займався вивченням теорій Альберта Ейнштейна.

На початку 1927 року у науці склалася драматична ситуація. Е. Шредінгер вважав, що основою теорії про квантові процеси повинна бути ідея про безперервність хвиль. Гейзенберг, навпаки, вважав, що фундаментом для цієї галузі знань має бути концепція про дискретність хвиль, а також ідея про квантові стрибки. Нільс Бор не приймав жодної з позицій.

Досягнення у науці

За створення концепції хвильової механіки 1933 року Шредінгер отримав Нобелівську премію. Проте, вихований у традиціях класичної фізики, вчений було мислити іншими категоріями і вважав квантову механіку повноцінної галуззю знання. Його не могло задовольнити двоїсте поведінка частинок, і він намагався звести його виключно до хвильового. У своїй дискусії з Н. Бором Шредінгер висловився так: «Якщо ми плануємо зберегти в науці ці квантові стрибки, тоді я взагалі шкодую, що пов'язав своє життя з атомною фізикою».

Подальші роботи дослідника

При цьому Шредінгер був не лише одним із творців сучасної квантової механіки. Саме він був тим ученим, який увів у науковий ужиток термін «об'єктність опису». Це можливість наукових теорій описувати реальність без спостерігача. Його подальші дослідження були присвячені теорії відносності, термодинамічних процесів, нелінійної електродинаміки Борна. Також вченим було зроблено кілька спроб створити єдину теорію поля. Крім того, Е. Шредінгер володів шістьма мовами.

Найзнаменитіша загадка

Теорія Шредінгера, в якій фігурує цей кіт, виросла з критики вченого квантової теорії. Один з її основних постулатів говорить, що поки за системою не проводиться спостереження, вона перебуває в стані суперпозиції. А саме, у двох і більше станах, що виключають існування один одного. Стан суперпозиції у науці має таке визначення: це здатність кванта, яким може бути також електрон, фотон, або, наприклад, ядро ​​атома, знаходитися одночасно у двох станах або навіть у двох точках простору в той момент, коли ніхто за ним не спостерігає.

Об'єкти у різних світах

Простій людині дуже складно зрозуміти таке визначення. Адже кожен об'єкт матеріального світу може бути або в одній точці простору або в іншій. Проілюструвати цей феномен можна так. Спостерігач бере дві коробки і кладе в одну з них кульку для тенісу. Буде ясно, що в одній коробці він знаходиться, а в іншій – ні. Але якщо в одну з ємностей покласти електрон, то вірним буде наступне твердження: ця частка знаходиться одночасно у двох коробках, хоч би яким парадоксальним це здавалося. Так само електрон в атомі не знаходиться в строго певній точці в той чи інший момент часу. Він обертається навколо ядра, розташовуючись по всіх точках орбіти одночасно. У науці цей феномен називається «електронною хмарою».

Що хотів довести вчений?

Таким чином, поведінка дрібних і великих об'єктів реалізується за різними правилами. У квантовому світі існують одні закони, а макросвіті - абсолютно інші. Однак немає такої концепції, яка б пояснювала перехід від світу матеріальних предметів, звичних для людей, до мікросвіту. Теорія Шредінгера і була створена, щоб продемонструвати недостатність досліджень у галузі фізики. Вчений хотів показати, що є наука, метою якої є опис невеликих об'єктів, і є сфера знань, що вивчає звичайні предмети. Багато в чому завдяки роботам вченого й відбувся поділ фізики на дві області: квантову та класичну.

Теорія Шредінгера: опис

Свій знаменитий уявний експеримент вчений описав у 1935 році. У його проведенні Шредінгер спирався на принцип суперпозиції. Шредінгер підкреслював, що доки ми не спостерігаємо за фотоном, він може бути як часткою, так і хвилею; як червоним, і зеленим; як круглим, і квадратним. Цей принцип невизначеності, що безпосередньо випливає з концепції квантового дуалізму, Шредінгер і використав у своїй відомій загадці про кота. Сенс експерименту коротко полягає в наступному:

• У закриту коробку міститься кіт, а також ємність, в якій міститься синильна кислота та радіоактивна речовина.
• Ядро протягом години може розпадатися. Імовірність цього становить 50%.
• Якщо атомне ядро ​​розпадеться, це буде зафіксовано лічильником Гейгера. Механізм спрацює, і ящик із отрутою буде розбитий. Кіт помре.
• Якщо ж розпаду не станеться, то кіт Шредінгера буде живим.

Згідно з цією теорією, поки не здійснюється спостереження за котом, він знаходиться одночасно в двох станах (мертвий і живий), так само, як і ядро ​​атома (що розпалося або не розпалося). Звичайно, це можливо лише за законами квантового світу. У макросвіті кіт може бути і живим, і мертвим одночасно.

Парадокс спостерігача

Щоб зрозуміти суть теорії Шредінгера, необхідно мати уявлення про феномен спостерігача. Його сенс полягає в тому, що об'єкти мікросвіту можуть знаходитися одночасно в двох станах тільки тоді, коли за ними немає спостереження. Наприклад, у науці відомий так званий «Експеримент з двома щілинами та спостерігачем». На непрозору пластинку, у якій було зроблено дві вертикальні щілини, вчені спрямовували пучок електронів. На екрані, що знаходився за пластиною, електрони малювали хвилеву картину. Іншими словами, вони залишали чорні та білі смуги. Коли ж дослідники захотіли поспостерігати, як електрони пролітають через щілини, то частинки відобразили на екрані лише дві вертикальні смуги. Вони вели себе як частинки, а не як хвилі.

Копенгагенське пояснення

Сучасне пояснення теорії Шредінгера зветься копенгагенським. Виходячи з парадоксу спостерігача, воно звучить наступним чином: доти, доки ніхто не спостерігає за ядром атома в системі, воно знаходиться одночасно в двох станах - розпався і не розпався. Однак твердження про те, що кіт живий і мертвий одночасно, є вкрай помилковим. Адже в макросвіті ніколи не спостерігаються ті ж явища, що й у мікросвіті.

Тому йдеться не про систему «кіт-ядро», а про те, що між собою пов'язані лічильник Гейгера та ядро ​​атома. Ядро може вибрати той чи інший стан у момент, коли вимірюються. Однак даний вибірмає місце не в той момент, коли експериментатор відчиняє ящик з котом Шредінгера. Насправді, відкриття ящика має місце у макросвіті. Іншими словами, у системі, яка дуже далека від атомного світу. Тому ядро ​​вибирає свій стан саме у той момент, коли воно потрапляє на детектор лічильника Гейгера. Таким чином, Ервін Шредінгер у своєму уявному експерименті описав систему недостатньо повно.

Загальні висновки

Таким чином, не зовсім коректно пов'язувати макросистему із мікроскопічним світом. У макросвіті квантові закони втрачають чинність. Ядро атома може бути одночасно у двох станах тільки в мікросвіті. Те саме не може бути сказано щодо кота, оскільки він є об'єктом макросвіту. Тому тільки на перший погляд складається враження, що кіт переходить із суперпозиції в один із станів у момент відкриття ящика. Насправді, його доля визначається в той момент, коли атомне ядро ​​взаємодіє з детектором. Висновок можна зробити таким: стан системи в загадці Ервіна Шредінгера ніяк не пов'язаний із людиною. Воно залежить немає від експериментатора, як від детектора - предмета, який «веде спостереження» за ядром.

Продовження концепції

Теорія Шредінгера простими словамиописується так: поки спостерігач не дивиться на систему, вона може бути одночасно у двох станах. Однак ще один вчений - Юджін Вігнер, пішов далі і вирішив довести концепцію Шредінгера до повного абсурду. "Дозвольте! - сказав Вігнер, - А що якщо поруч із експериментатором, який спостерігає за котом, стоїть його колега?" Напарник не знає про те, що саме побачив сам експериментатор у той момент, коли відкрив коробку з котом. Кіт Шредінгера виходить із стану суперпозиції. Однак не для колеги спостерігача. Тільки в той момент, коли останньому стане відома доля кота, тварину можна назвати живою або мертвою. Крім того, на планеті Земля мешкають мільярди людей. І останній вердикт можна буде винести лише тоді, коли результат експерименту стане надбанням всіх живих істот. Звичайно, всім людям можна розповісти долю кота та теорію Шредінгера коротко, проте це дуже довгий та трудомісткий процес.

Принципи квантового дуалізму у фізиці так і не були спростовані уявним експериментом Шредінгера. У якомусь сенсі кожну істоту можна назвати ні живою і ні мертвою (що знаходиться в суперпозиції) доти, доки є хоча б одна людина, яка за нею не спостерігає.

Як пояснив нам Гейзенберг, через принцип невизначеності опис об'єктів квантового мікросвіту носить інший характер, ніж звичний опис об'єктів Ньютонівського макросвіту. Замість просторових координат і швидкості, якими ми звикли описувати механічний рух, наприклад, кулі по більярдному столу, в квантовій механіці об'єкти описуються так званою хвильовою функцією. Гребінь «хвилі» відповідає максимальній ймовірності знаходження частки у просторі в момент виміру. Рух такої хвилі описується рівнянням Шредінгера, яке й говорить нам про те, як змінюється згодом стан квантової системи.

Тепер про кота. Всім відомо, що коти люблять ховатися в коробках. Ервін Шредінгер теж був у курсі. Більше того, з суто нордичним бузувірством він використав цю особливість у знаменитому уявному експерименті. Суть його полягала в тому, що в коробці з пекельною машиною замкнений кіт. Машина через реле приєднана до квантової системи, наприклад, радіоактивно розпадається речовини. Імовірність розпаду відома і становить 50%. Пекельна машина спрацьовує коли квантовий стан системи змінюється (відбувається розпад) і котик гине повністю. Якщо надати систему "Котик-коробка-пекельна машина-кванти" самій собі на одну годину і згадати, що стан квантової системи описується в термінах ймовірності, то стає зрозумілим, що дізнатися чи живий котик, в даний момент часу, напевно не вийде, так само, як не вийде точно передбачити падіння монети орлом або рішкою наперед. Парадокс дуже простий: хвильова функція, що описує квантову систему, змішує в собі два стани кота - він живий і мертвий одночасно, так само як пов'язаний електрон з рівною ймовірністю може знаходиться в будь-якому місці простору, рівновіддаленого від атомного ядра. Якщо ми не відкриваємо коробки, ми не знаємо точно, як там котик. Не здійснивши спостереження (читай вимірювання) над атомним ядром ми можемо описати його стан тільки суперпозицією (змішенням) двох станів: ядра, що розпалося і не розпалося. Кіт, що знаходиться в ядерній залежності, і живий і мертвий одночасно. Питання так: коли система перестає існувати як змішання двох станів і вибирає одне конкретне?

Копенгагенська інтерпретація експерименту говорить нам про те, що система перестає бути змішанням станів і вибирає одне з них у той момент, коли відбувається спостереження, воно ж вимір (коробка відкривається). Тобто сам факт виміру змінює фізичну реальність, призводячи до колапсу хвильової функції (котик або стає мертвим, або залишається живим, але перестає бути змішанням того й іншого)! Вдумайтеся, експеримент та виміри, що його супутні, змінюють реальність навколо нас. Особисто мені цей факт виносить мозок набагато сильніше за алкоголь. Відомий Стів Хокінг теж важко переживає цей парадокс, повторюючи, що коли він чує про кота Шредінгера, його рука тягнеться до браунінгу. Гострота реакції видатного фізика-теоретика пов'язана з тим, що на його думку, роль спостерігача в колапсі хвильової функції (звалювання її до одного з двох імовірнісних) станів сильно перебільшена.

Звичайно, коли професор Ервін у далекому 1935 р. замислював своє кото-знущання це був дотепний спосіб показати недосконалість квантової механіки. Справді, кіт може бути живий і мертвий одночасно. В результаті однієї з інтерпретацій експерименту стала очевидність протиріччя законів макросвіту (наприклад, другого закону термодинаміки - кіт або живий, або мертвий) і мікросвіту (кіт живий і мертвий одночасно).

Вищеописане застосовується практично: в квантових обчисленнях і квантової криптографії. По волоконно-оптичному кабелю пересилається світловий сигнал, що у суперпозиції двох станів. Якщо зловмисники підключаться до кабелю десь посередині і зроблять там відведення сигналу, щоб підслуховувати інформацію, що передається, то це зхлопне хвильову функцію (з точки зору копенгагенської інтерпретації буде проведено спостереження) і світло перейде в один із станів. Провівши статистичні проби світла на приймальному кінці кабелю, можна буде виявити, чи знаходиться світло в суперпозиції станів або над ним вже здійснено спостереження та передачу в інший пункт. Це уможливлює створення засобів зв'язку, які виключають непомітний перехоплення сигналу та підслуховування.

Ще однією найсвіжішою інтерпретацією уявного експерименту Шредінгера є оповідання Шелдона Купера, героя серіалу «Теорія великого вибуху»(«Big Bang Theory»), який він сказав для менш освіченої сусідки Пенні. Суть оповідання Шелдона у тому, що концепція кота Шредінгера можна застосувати у відносинах для людей. Щоб зрозуміти, що відбувається між чоловіком і жінкою, які стосунки між ними: хороші чи погані, – потрібно просто відкрити ящик. А до цього відносини є одночасно і добрими, і поганими.

Як гіпотетичному прикладі того, наскільки цілком звичний нам у повсякденному житті, макроскопічний об'єкт (кіт) міг би виявляти квантові властивості.

Сама сіль цих властивостей полягає в так званому квантовому переплутуванні або заплутаності (англ. "entanglement"). Назва цього явища, загалом, відбиває його суть. Справді, у розглянутому прикладі переплутаними (іншими словами, жорстко пов'язаними один з одним) виявляються стани радіоактивного ядра та кота. Важливим аспектом саме квантового переплутування є наявність невизначеності у цих станах. Тобто, ми не знаємо чи живий кіт чи ні, не знаємо також, розпалося чи ні ядро. Однак нам достовірно відомо, що розпадеться ядро ​​– помре кіт, не розпадеться – кіт буде живий.

Інтерес до цього явища серед сучасних учених великий, і він пов'язаний з ідеєю створення квантового комп'ютера, і навіть організацією безпечних каналів зв'язку. Це і змушує щоразу робити спроби створення в лабораторіях якщо не котів, то хоча б кошенят Шредінгера, тобто. об'єкти більш відчутні і великі (мезоскопічні), отже, піддаються більш простому контролю, ніж окремі мікрочастинки, але які виявляють самі властивості квантового переплутування, як і Шредингеровський кіт.

Але й менш екзотичних, ніж лабораторні Шредінгерівські кошенята, прикладів квантового переплутування природою створено достатню кількість. Мабуть, найдоступніший прояв переплутаності має місце все в тому ж улюбленому всіма нами атомі. Візьмемо найпростіший з атомів – перший елемент таблиці Менделєєва – водень. Як і всі інші атоми, складається він з ядра і електронів, але краса саме атома водню в тому, що електрон у нього всього один, а ядро ​​являє собою, знову ж таки, єдину і майже зовсім елементарну частинку - протон, що відрізняється від електрона, головним чином, позитивним знаком електричного зарядуі дуже нехилою масою (що перевищує масу електрона майже в 2000 разів).

В одному зі своїх я розповідав про те, що деякі мікрочастинки, зокрема, електрон мають таку характеристику як спин, або, якщо користуватися простою аналогією, крутяться навколо своєї осі в якомусь із двох напрямків (за або проти годинникової стрілки), який , своєю чергою, визначається одним із двох значень так званої проекції спина. Так ось протон, як і електрон, має спин і може "обертатися" вправо або вліво. При цьому, виявляється, що "найкомфортнішим" станом з найменшою енергією для електрона і протона, що утворюють атом водню, є те, в якому вони обертаються в протилежних напрямках, як би компенсуючи спини один одного, так що загальна його проекція дорівнює нулю (цей факт , До речі, використовується для різних астрофізичних спостережень).

У цій-то особливості водню і криється заповітна переплутаність і крихітне, розміром з атом, Шредінгерівське кошеня. Дійсно, поки ми не поставили відповідних експериментів і не виміряли проекції спини частинок, ми не знаємо, чи протон обертається вправо чи вліво. Те саме ми можемо сказати і про електрон. Однак, що знаємо ми точно, то це те, що якщо електрон обертається проти годинникової стрілки, то протон - по ній, і навпаки.

У своїй знаменитій статті 1935 року А.Ейнштейн, Б.Подільський і Н.Розен вказали на вади квантової теорії, яка оперує подібними заплутаними станами (їх називають EPR-парами за першими літерами прізвищ авторів статті), зокрема, що призводить до суперечності, що здається. теорією відносності та парадоксальним порушенням причинно-наслідкових зв'язків. Але про це вже в.

А так квантове заплутування уявляють деякі художники...

До свого сорому хочу зізнатися, що чув цей вислів, але взагалі не знав що воно означає і хоча б по якій темі вживається. Давайте я вам розповім, що вичитав в інтернеті про цього кота.

« кіт Шредінгера» – так називається знаменитий уявний експеримент знаменитого австрійського фізика-теоретика Ервіна Шредінгера, який також є лауреатом Нобелівської премії. За допомогою цього вигаданого досвіду вчений хотів показати неповноту квантової механіки під час переходу від субатомних систем до макроскопічних систем.

Оригінальна стаття Ервіна Шредінгера побачила світ 1935 року. Ось цитата:

Можна побудувати і випадки, у яких досить бурлеску. Нехай який-небудь кіт замкнений у сталевій камері разом з наступною диявольською машиною (яка повинна бути незалежно від втручання кота): усередині лічильника Гейгера знаходиться крихітна кількість радіоактивної речовини, така невелика, що протягом години може розпастися тільки один атом, але з такою ж ймовірністю може і не розпастися; якщо ж це станеться, трубка, що зчитує, розряджається і спрацьовує реле, що спускає молот, який розбиває колбочку з синильною кислотою.

Якщо на годину надати всю цю систему самій собі, то можна сказати, що кіт буде живий після цього часу, якщо розпаду атома не відбудеться. Перший розпад атома отруїв би кота. Пси-функція системи в цілому виражатиме це, змішуючи в собі або розмазуючи живого і мертвого кота (вибачте за вираз) в рівних частках. Типовим у випадках є те, що невизначеність, спочатку обмежена атомним світом, перетворюється на макроскопічну невизначеність, яка може бути усунена шляхом прямого спостереження. Це заважає нам наївно прийняти «модель розмиття» як дійсність, що відображає. Саме собою це означає нічого незрозумілого чи суперечливого. Є різниця між нечітким або розфокусованим фото та знімком хмар або туману.

Іншими словами:

1. Є ящик та кіт. У ящику є механізм, що містить радіоактивне атомне ядро ​​та ємність з отруйним газом. Параметри експерименту підібрано так, що ймовірність розпаду ядра за 1 годину становить 50%. Якщо ядро ​​розпадається, відкривається ємність із газом і кіт гине. Якщо розпаду ядра не відбувається - кіт залишається живий-здоровий.
2. Закриваємо кота в ящик, чекаємо годину і запитуємо: чи живий кіт чи мертвий?
3. Квантова ж механіка говорить нам, що атомне ядро ​​(а отже і кіт) знаходиться у всіх можливих станах одночасно (див. квантова суперпозиція). Перш ніж ми відкрили ящик, система «кіт-ядро» знаходиться в стані «ядро розпалося, кіт мертвий» з ймовірністю 50% і в стані «ядро не розпалося, кіт живий» з ймовірністю 50%. Виходить, що кіт, що сидить у ящику, і живий, і мертвий одночасно.
4. Відповідно до сучасної копенгагенської інтерпретації, кіт-таки живий/мертвий без будь-яких проміжних станів. А вибір стану розпаду ядра відбувається над момент відкриття ящика, а ще коли ядро ​​потрапляє у детектор. Тому що редукція хвильової функції системи "кіт-детектор-ядро" не пов'язана з людиною-спостерігачем ящика, а пов'язана з детектором-спостерігачем ядра.

Згідно квантової механіки, якщо над ядром атома не проводиться спостереження, то його стан описується змішанням двох станів - ядра, що розпалося, і ядра, що не розпалося, отже, кіт, що сидить в ящику і втілює ядро ​​атома, і живий, і мертвий одночасно. Якщо ж ящик відкрити, то експериментатор може побачити тільки якийсь один конкретний стан - "ядро розпалося, кіт мертвий" або "ядро не розпалося, кіт живий".

Суть людською мовою: Експеримент Шредінгера показав, що, з погляду квантової механіки, кіт одночасно і живий, і мертвий, чого не може бути. Отже, квантова механіка має суттєві вади.

Питання так: коли система перестає існувати як змішання двох станів і вибирає одне конкретне? Мета експерименту - показати, що квантова механіка неповна без деяких правил, які вказують, за яких умов відбувається колапс хвильової функції, і кіт стає мертвим, або залишається живим, але перестає бути змішанням того й іншого. Оскільки ясно, що кіт обов'язково має бути або живим, або мертвим (не існує стану, проміжного між життям і смертю), це буде аналогічно і для атомного ядра. Воно обов'язково має бути або розпався, або нерозпалим (Вікіпедія).

Ще однією найсвіжішою інтерпретацією уявного експерименту Шредінгера є розповідь Шелдона Купера, героя серіалу "Теорія великого вибуху" ("Big Bang Theory"), який він виголосив для менш освіченої сусідки Пенні. Суть оповідання Шелдона у тому, що концепція кота Шредінгера можна застосувати у відносинах для людей. Щоб зрозуміти, що відбувається між чоловіком і жінкою, які стосунки між ними: хороші чи погані, – потрібно просто відкрити ящик. А до цього відносини є одночасно і добрими, і поганими.

Нижче наведено відеофрагмент цього діалогу «Теорії великого вибуху» між Шелдоном та Пенією.

Ілюстрація Шредінгера є найкращим прикладомдля опису головного парадоксу квантової фізики: згідно з її законами, частки, такі як електрони, фотони і навіть атоми існують у двох станах одночасно («живих» та «мертвих», якщо згадувати багатостраждального кота). Ці стани називаються суперпозиціями.

Американський фізик Арт Хобсон (Art Hobson) з університету Арканзасу (Arkansas State University) запропонував своє рішення цього феномена.

«Вимірювання в квантовій фізиці базуються на роботі деяких макроскопічних механізмів, таких як лічильник Гейгера, за допомогою яких визначається квантовий стан мікроскопічних систем - атомів, фотонів та електронів. Квантова теорія має на увазі, що якщо ви приєднаєте мікроскопічну систему (частку) до деякого макроскопічного пристрою, що розрізняє два різні стани системи, то прилад (лічильник Гейгера, наприклад) перейде в стан квантової заплутаності і теж виявиться одночасно у двох суперпозиціях. Однак неможливо спостерігати це явище безпосередньо, що робить його неприйнятним», – розповідає фізик.

Хобсон каже, що у парадоксі Шредінгера кіт грає роль макроскопічного приладу, лічильника Гейгера, приєднаного до радіоактивного ядра, визначення стану розпаду чи «нерозпаду» цього ядра. У такому разі живий кіт буде індикатором «нерозпаду», а мертвий кіт – показником розпаду. Але згідно з квантовою теорією, кіт, так само як і ядро, повинен перебувати у двох суперпозиціях життя та смерті.

Натомість, за словами фізика, квантовий стан кота має бути заплутаним із станом атома, що означає, що вони перебувають у «нелокальному зв'язку» один з одним. Тобто, якщо стан одного із заплутаних об'єктів раптово зміниться на протилежне, то стан його пари точно також зміниться, на якій відстані вони не перебували б. При цьому Хобсон посилається на експериментальні підтвердження цієї квантової теорії.

«Найцікавіше теоретично квантової заплутаності - це те, що зміна стану обох частинок відбувається миттєво: ніяке світло чи електромагнітний сигнал не встиг би передати інформацію від однієї системи до іншої. Таким чином, можна сказати, що це один об'єкт, розділений на дві частини простором, і неважливо, наскільки велика відстань між ними», - пояснює Хобсон.

Кіт Шредінгера більше не живий і мертвий одночасно. Він мертвий, якщо станеться розпад, і живий, якщо розпад так і не станеться.

Додамо, що схожі варіанти вирішення цього феномена були запропоновані ще трьома групами вчених протягом останніх тридцять років, проте вони були сприйняті всерйоз і залишилися непоміченими у широких наукових колах. Хобсон зазначає, що рішення парадоксів квантової механіки, хоча б теоретичні, абсолютно необхідні її глибинного розуміння.

Шредінгер

А ось зовсім недавно ТЕОРЕТИКИ ПОЯСНИЛИ, ЯК ГРАВІТАЦІЯ ВБИВАЄ КОТА ШРЕДІНГЕРА, але це вже складніше...

Як правило, фізики пояснюють феномен того, що суперпозиція можлива у світі частинок, але неможлива з котами чи іншими макрооб'єктами, перешкодами від довкілля. Коли квантовий об'єкт проходить крізь поле або взаємодіє з випадковими частинками, він відразу приймає лише один стан - як би його виміряли. Саме так і руйнується суперпозиція, як вважали вчені.

Але навіть якщо якимось чином стало можливим ізолювати макрооб'єкт, що перебуває в стані суперпозиції, від взаємодій з іншими частинками та полями, то він все одно рано чи пізно прийняв би єдиний стан. Принаймні це вірно для процесів, що протікають на поверхні Землі.

«Десь у міжзоряному просторі, можливо, кіт і мав би шанс зберегти квантову когерентність, але на Землі чи поблизу будь-якої планети це вкрай малоймовірно. І причина цього – гравітація», - пояснює провідний автор нового дослідження Ігор Піковський (Igor Pikovski) із Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики.

Піковський та його колеги з Віденського університету стверджують, що гравітація має руйнівний вплив на квантові суперпозиції макрооб'єктів, і тому ми не спостерігаємо подібних явищ у макросвіті. Базова концепція нової гіпотези, до речі, стисло викладена в художньому фільмі «Інтерстеллар».

Ейнштейнівська загальна теорія відносності свідчить, що дуже потужний об'єкт викривлятиме поблизу себе простір-час. Розглядаючи ситуацію на дрібнішому рівні, можна сказати, що для молекули, поміщеної біля поверхні Землі, час йтиме трохи повільніше, ніж для тієї, що знаходиться на орбіті нашої планети.

Через вплив гравітації на простір-час молекула, що потрапила під цей вплив, зазнає відхилення у своєму становищі. І це, своєю чергою, має вплинути і її внутрішню енергію - коливання частинок у молекулі, які змінюються з часом. Якщо молекулу ввести у стан квантової суперпозиції двох локацій, співвідношення між становищем і внутрішньої енергією незабаром змусило б молекулу «вибрати» лише одну з двох позицій у просторі.

"У більшості випадків явище декогеренції пов'язане із зовнішнім впливом, але в даному випадку внутрішнє коливання частинок взаємодіє з рухом самої молекули", - пояснює Піковський.

Цей ефект поки що ніхто не спостерігав, оскільки інші джерела декогеренції, такі як магнітні поля, Теплове випромінювання та вібрації, як правило, набагато сильніше, і викликають руйнування квантових систем задовго до того, як це зробить гравітація. Але експериментатори прагнуть перевірити висловлену гіпотезу.

Подібна установка може бути використана для перевірки здатності гравітації руйнувати квантові системи. Для цього необхідно буде порівняти вертикальний і горизонтальний інтерферометри: у першому суперпозиція повинна незабаром зникнути через розтяг часу на різних «висота» шляху, тоді як у другому квантова суперпозиція може і зберегтися.

Не шукайте тут «східного містицизму», згинання ложок чи екстрасенсорики. Шукайте правдиву історію квантової механіки, істина в якій більш дивовижна, ніж будь-яка вигадка. Така наука: вона не потребує вбрання з плеча іншої філософії, адже вона і сама сповнена краси, таїнств і сюрпризів. Ця книга намагається відповісти на конкретне запитання: Що таке реальність? І відповідь (або відповіді) може здивувати вас. Можливо, ви не повірите в нього. Але ви зрозумієте, як дивиться на світ сучасна наука.

Кіт, який фігурує в назві, - це міфічне істота, але Шредінгер існував насправді. Ервін Шредінгер був австрійським ученим, який у середині 1920-х років відіграв величезну роль у створенні рівнянь певної гілки науки, яка тепер називається квантовою механікою. Однак сказати, що квантова механіка – це лише галузь науки, навряд чи вірно, адже вона є основою всієї сучасної науки. Її рівняння описують поведінку дуже маленьких об'єктів – розміру атомів і менше – і є єдинеопис світу найдрібніших частинок. Без цих рівнянь фізики не змогли б розробити робітничі проекти атомних електростанцій(або бомб), створити лазери або пояснити, як не знижується температура Сонця. Без квантової механіки хімія, як і раніше, перебувала б у Темних століттях і зовсім не з'явилася б молекулярна біологія: не було б ні знань про ДНК, ні генної інженерії – нічого.

Квантова теорія – це найбільше досягненнянауки, набагато значніша і набагато застосовніша у прямому, практичному сенсі, ніж теорія відносності. І все-таки вона робить деякі дивні передбачення. Світ квантової механіки справді такий незвичайний, що навіть Альберт Ейнштейн вважав його незрозумілим і відмовився визнавати всі наслідки теорії, виведені Шредінгером та його колегами. Як і багато інших вчених, Ейнштейн вирішив, що зручніше повірити в те, що рівняння квантової механіки були лише своєрідним математичним трюком, який випадково надав розумне пояснення поведінці атомних і субатомних частинок, але в них міститься глибша істина, яка краще співвідноситься з нашим. Звичайним почуттям дійсності. Адже квантова механіка стверджує, що реального немає і ми не можемо нічого сказати про поведінку речей, коли їх не спостерігаємо. Міфічний кіт Шредінгера був покликаний прояснити різницю між квантовим і звичайним світом.

У світі квантової механіки перестають працювати закони фізики, знайомі нам зі звичайного світу. Натомість подіями керують ймовірності. Радіоактивний атом, наприклад, може розпастись і, скажімо, випустити електрон, а може й ні. Можна провести експеримент, уявивши, що є рівно п'ятдесятивідсоткова ймовірність того, що один із атомів згустку радіоактивної речовини в певний момент розпадеться і детектор зареєструє цей розпад, якщо він станеться. Шредінгер, настільки ж засмучений висновками квантової теорії, як і Ейнштейн, спробував продемонструвати їхню абсурдність, уявивши, що такий експеримент проходить у закритій кімнаті або коробці, де знаходяться живий кіт і флакон з отрутою, причому якщо розпад відбувається, посудина з отрутою розбивається і кіт гине. У звичайному світі ймовірність смерті кота становить п'ятдесят відсотків і, не заглядаючи в коробку, ми можемо сміливо заявити лише одне: кіт усередині або живий, або мертвий. Але тут і проявляє себе дивність квантового світу. Відповідно до теорії жодназ двох можливостей, які існують для радіоактивної речовини, а отже, і кота, не видається реальною, якщо не відбувається спостереження за тим, що відбувається. Атомний розпад не трапився і не трапився, кіт не загинув і не загинув, поки ми не заглянемо в коробку, щоб дізнатися, що сталося. Теоретики, які приймають чисту версію квантової механіки, стверджують, що кіт існує в деякому невизначеному стані, будучи при цьому ні живим і ні мертвим, поки спостерігач не зазирне в коробку і не побачить, як склалася ситуація. Ніщо реально, якщо встановлено спостереження.

Ця ідея була ненависна Ейнштейну, як і багатьом іншим. "Бог не грає в кістки", - сказав він, посилаючись на теорію про те, що світ визначається сукупністю результатів по суті випадкового "вибору" можливостей на квантовому рівні. Що ж до нереальності стану кота Шредінгера, Ейнштейн не взяв її до уваги, припустивши, що має існувати якийсь глибинний «механізм», який визначає істинно фундаментальну реальність речей. Він багато років намагався розробити досліди, які б допомогли показати цю глибинну реальність у роботі, але помер раніше, ніж взагалі стало можливим провести подібний експеримент. Можливо, це на краще, що він не дожив до того моменту, коли став зрозумілим результат ланцюжка міркувань, запущеного ним.

Влітку 1982 року група вчених з університету Париж-Юг під керівництвом Олена Аспе завершила серію експериментів, розроблених виявлення глибинної реальності, визначальною нереальний квантовий світ. Цій глибинній реальності – фундаментальному механізму – надали ім'я «прихованих параметрів». Суть експерименту полягала у спостереженні за поведінкою двох фотонів, або частинок світла, що летять у протилежних напрямках джерела. Повністю експеримент описаний у десятому розділі, але загалом його вважатимуться перевіркою реальності. Два фотони з одного джерела можуть фіксуватися двома детекторами, які вимірюють властивість, що називається поляризацією. Відповідно до квантової теорії цієї властивості не існує, поки вона не виміряна. Відповідно до ідеї про «приховані параметри» кожен фотон має «реальну» поляризацію з моменту свого виникнення. Так як два фотони вилітають одночасно, величини їх поляризації залежать один від одного, але природа залежності, яка вимірюється на ділі, відрізняється відповідно до двох уявлень про реальність.

Результати цього найважливішого експерименту є однозначними. Залежність, передбачена теорією прихованих параметрів, була виявлено, а залежність, передбачена квантової механікою, – була. Більш того, як і передбачала квантова теорія, вимірювання, проведені на одному фотоні, мали миттєвий ефект на природу іншого фотона. Деяка взаємодія нерозривно пов'язувала фотони, хоча вони й розліталися в різні сторонизі швидкістю світла, а теорія відносності стверджує, що жоден сигнал неспроможна передаватися швидше, ніж світло. Експерименти довели, що у світі немає глибинної реальності. «Реальність» у повсякденному розумінні не підходить для роздумів про поведінку фундаментальних частинок, які становлять Всесвіт, причому ці частки в той же час, схоже, нерозривно пов'язані один з одним у деяке неподільне ціле, де кожна знає, що відбувається з іншими.

Пошук кота Шредінгера – це пошук квантової реальності. З цього короткого огляду може здатися, що пошук цей не увінчався успіхом, оскільки в квантовому світі реальності у звичному значенні слова не існує. Але історія на цьому не закінчується, і пошук кота Шредінгера може привести нас до нового розуміння реальності, яка перевершує – і в той же час включає загальноприйняте тлумачення квантової механіки. Однак шукати доведеться довго, і почати потрібно з вченого, який, можливо, злякався б сильніше Ейнштейна, якби у нього шанс дізнатися дані нами зараз відповіді на його запитання. Вивчаючи три століття тому природу світла, Ісаак Ньютон і не підозрював, мабуть, що він уже ступив на шлях, що веде до кота Шредінгера.

Хто не шокований квантовою теорією, той її не зрозумів.

Нільс Бор 1885-1962

Ісаак Ньютон винайшов фізику, і на ній лежить вся інша наука. Хоча Ньютон, звичайно, відштовхувався від робіт інших, саме його публікація трьох законів руху та теорії гравітації понад три століття тому вивела науку на шлях, який зрештою призвів до підкорення космосу, лазерів, атомної енергії, генної інженерії, розуміння хімії та всього іншого . Упродовж двох століть ньютонівська фізика (те, що зараз називають «класичною фізикою») правила світом науки. Нові революційні ідеї просунули фізику в двадцятому столітті набагато далі за Ньютона, однак без двох століть наукового зростання ці ідеї могли б ніколи не з'явитися. Ця книга не є історією науки: вона розповідає про нову фізику – квантову, а не про ті класичні ідеї. Однак навіть у роботі Ньютона трисотрічної давності вже є ознаки того, що зміни неминучі: вони містяться не в його працях про рух планет та їх орбіти, а в його дослідженнях природи світла.