Кот Шрёдингера

Много кто слышал выражение «кот Шрёдингера», но возможно не все понимают даже упрощенный его смысл.

В данной статье мы объясним, что такое кот Шрёдингера простыми словами, кто такой Эрвин Шрёдингер, в чем суть эксперимента, как он повлиял на квантовую физику.

Кот Шрёдингера – что это

Понятие «Кот Шрёдингера» стало одним из самых известных и популярных мысленных экспериментов в физике, особенно в квантовой механике. Термин, предложенный австрийским физиком Эрвином Шрёдингером в 1935 году, наглядно демонстрирует парадоксы и странности квантового мира, подчёркивая идею суперпозиции.

С помощью этого эксперимента ученый показал неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим системам.

Кто такой Эрвин Шрёдингер

Эрвин Шрёдингер – один из наиболее выдающихся физиков XX века, внёсший значительный вклад в развитие квантовой механики. Он родился 12 августа 1887 года в Вене, Австрия.

Шрёдингер проявил интерес к науке с юных лет. Получив образование в Венском университете, он продолжил свои исследования, сотрудничая с рядом европейских учебных заведений. Наиболее известной работой Шрёдингера стала его волновая функция, фундаментальный элемент квантовой механики, которая описывает вероятностную природу частиц.

В 1933 году Шрёдингер был удостоен Нобелевской премии по физике, разделив её с английским физиком Полем Дираком за открытие новых продуктивных форм атомной теории. Помимо квантовой механики, Эрвин Шрёдингер также известен своими работами в биологии; его книга «Что такое жизнь?», опубликованная в 1944 году, предвосхитила появление молекулярной биологии.

Несмотря на значительные достижения, заслуги Шрёдингера в основном ассоциируются с его мысленным экспериментом с котом, подчеркивающим противоречивость и сложность квантовой механики.

Суть и описание эксперимента

Идея эксперимента заключается в следующем: представим себе кота, запертого внутри непрозрачного ящика. Вместе с котом в ящике находится устройство, содержащее радиоактивный атом, счетчик Гейгера, ампулу с ядом и молоточек. Если атом распадется, счетчик сработает, молоточек разобьет ампулу, и кот погибнет. В квантовом мире, атом может находиться в состоянии суперпозиции, то есть одновременно распавшимся и нераспавшимся, и, как следствие, кот должен быть одновременно живым и мертвым, пока ящик не откроют и не произведут измерение.

Объяснения и критика

Эксперимент Шрёдингера стремится проиллюстрировать абсурдность определенных интерпретаций квантовой суперпозиции.

Попробуем объяснить простыми словами.

Представьте себе коробку и кота внутри. В коробке находится устройство с радиоактивным атомом и контейнером, заполненным отравляющим газом.

Мы помещаем кота в коробку, где находится устройство с радиоактивным атомом и контейнером, заполненным отравляющим газом. Условия эксперимента устроены так, что вероятность распада атома в течение одного часа составляет 50%. Если ядро распадается, контейнер открывается, и газ убивает кота. Если распада не происходит, кот остается жив.

Ожидаем один час и задаемся вопросом: жив ли кот или мёртв?

Согласно квантовой механике, атомное ядро, а также и кот, одновременно находятся во всех возможных состояниях. До открытия коробки система «ядро–кот» пребывает в состоянии «ядро распалось, поэтому кот мёртв» с вероятностью 50% и «ядро не распалось, поэтому кот жив» также с 50%. Следовательно, кот в коробке одновременно и жив, и мёртв.

Согласно принятой копенгагенской интерпретации, кот либо жив, либо мёртв, без какого-либо промежуточного состояния. Выбор состояния ядра происходит не в момент открытия коробки, а тогда, когда ядро взаимодействует с детектором. Это объясняется тем, что свертка волновой функции системы «кот—детектор-ядро» связана не с наблюдателем над ящиком, а с наблюдателем детектором-ядра.

Квантовая механика утверждает, что атом может находиться в состоянии распада и нераспада одновременно, и, следовательно, кот должен быть одновременно живым и мертвым до тех пор, пока коробка не будет открыта и не произойдет наблюдение состояния кота.

Таким образом, эксперимент кота Шрёдингера ставит под вопрос, взаимодействие ли наблюдателя с квантовой системой определяет ее состояния.

Критики этого эксперимента неоднократно указывали на его противоречивость и странную природу. Некоторые утверждают, что он, скорее, является парадоксом, нежели экспериментом, и что его основная цель — продемонстрировать несоответствие популярных на тот момент взглядов на квантовые состояния. В серии лекций Шрёдингер заметил, что его мысленный эксперимент подчеркивает «смутность» в понимании определения наблюдаемой реальности.

С другой стороны, существует интерпретация многомировой интерпретации Эверетта, по которой обе ситуации — и жизни, и смерти кота — существуют в параллельных вселенных. Эта точка зрения вызвала много различных обсуждений и исследований. Многие квантовые физики считают эксперимент кота Шрёдингера крайне важным инструментом в обучении и объяснении сложных концепций квантовой механики, несмотря на его парадоксальность.

Как он повлиял на науку

Этот мысленный эксперимент выделяет ключевую проблему квантовой механики — отсутствие четкой границы между макро- и микромиром. Он подталкивает исследователей к новым открытиям, заставляя задуматься о природе реальности и взаимодействии человеческого сознания с квантовым миром. Возможно, однажды будет найдено решение, которое позволит примирить теоретическую элегантность квантовой механики с интуитивно понятной картиной мира. На этом пути эксперимент кота Шрёдингера остается вехой, указывающей направления для новых путей размышлений и исследований.

Что еще почитать и посмотреть по теме

Для тех, кто заинтересован углубиться в эту тему, существует множество книг и фильмов, которые смогут пролить свет на различные аспекты этого парадокса и его интерпретации.

Что можно почитать:

• Книга Эрвина Шрёдингера «Что такое жизнь?». Здесь он прямо излагает свои взгляды на квантовую механику и различные философские вопросы. Это позволит понять теоретическую основу, на которой был построен мысленный эксперимент.
• Труды Вернер Гейзенберг и Ричард Фейнман. Их работы погружают читателя в дебри квантовой теории и принципа неопределённости.
• Роман «Гиперион» Дэна Симмонса. В нем присутствуют концепции квантовой физики и параллельных миров, вдохновлённые идеей суперпозиции.
• Произведение Тома Стоппарда «Аркадия». Здесь идеи квантовой теории играют фоновую роль в развитии сюжета.

Что посмотреть:

• Художественный фильм «Кроличья нора» с Николь Кидман в главной роли, который хоть и не посвящён напрямую эксперименту Шрёдингера, но использует его в метафорическом ключе для исследования тем утраты и принятия множества возможных исходов жизни.
• Документальный фильм «Квантовая революция» от ВВС. Он объясняет основные принципы квантовой механики и подробно рассматривает эксперименты и открытия, связанные с этой областью науки.

FAQ

Какие этические вопросы возникают при обсуждении эксперимента Шрёдингера с кошкой?

Этические вопросы касаются использования животного в гипотетическом сценарии, где оно подвергается смертельному риску. Хотя кошка всего лишь метафора для иллюстрации квантовой суперпозиции, этот образ все равно вызывает обсуждение о гуманности использования живых существ в научных концепциях и экспериментах.

Как парадокс Шрёдингера может быть использован для объяснения реальных квантовых явлений?

Парадокс Шрёдингера показывает непредсказуемость квантовых систем, описывающих частицы, которые могут быть в нескольких состояниях одновременно. Это важно для понимания таких явлений, как квантовая запутанность и туннелирование, которые не имеют аналогов в классической физике и демонстрируют глубокую взаимосвязь между измерениями и состоянием системы.

Почему эксперимент Шрёдингера с кошкой остается актуальным в современной науке и философии?

Эксперимент остается актуальным, потому что он вызывает фундаментальные вопросы о природе наблюдения и реальности в квантовой механике. Он побуждает ученых исследовать границы между классической и квантовой физикой и заставляет философов задуматься о том, как восприятие влияет на существование материального мира.

Вывод

Эксперимент «Кот Шрёдингера» является одним из самых известных мысленных экспериментов в квантовой механике, и его влияние распространилось далеко за пределы физики.

Эксперимент Шрёдингера иллюстрирует парадокс квантовой механики, утверждающий, что кот одновременно и жив, и мёртв, что на практике невозможно. Отсюда следует, что у квантовой механики есть значительные ограничения.

Изучение эксперимента и его философских последствий открывает перед нами двери в удивительный мир квантовой механики и приглашает к размышлению о природе реальности, восприятия и знания.