Прочитайте онлайн новый ум короля: о компьютерах, мышлении и законах физики

Часто спрашивают, что это за порода такая и как такого достать!

Все благодаря литературе и кино, а так же огромной популярности самого эксперимента Шрёдингера. А на самом деле та кошечка, которая и послужила прообразом этого самого знаменитого Кота, была совершенно обычная. Она имела черепаховый окрас и была еще совсем молоденькой! И очень хорошо, что после эксперимента она оказалась абсолютно жива! Кстати, после публикации отчета о своем мысленном эксперименте, сам Шрёдингер получил массу предложений продать котят, которые потом появились у его любимицы. Так что сейчас в мире должно быть достаточно много потомков самого знаменитого Кота в истории, а вернее кошечки!

Суть эксперимента, или тот самый парадокс Шрёдингера

Что же это такое – кот Шредингера, как можно понимать этот опыт? «Действующими лицами» в этом эксперименте являются живая кошка и радиоактивные атомы. Вот достаточно простое объяснение этому эксперименту:

  • У нас есть ящик, в этом ящике будет сидеть кошка (или кот – без разницы), а еще там будет находиться специальный механизм. Этот механизм состоит из емкости с достаточно ядовитым газом и атомного ядра. Причем это ядро имеет период распада за один час с вероятностью 50%, то есть равную в сторону «за» или «против». В момент распада запускается механизм, который открывает эту емкость с ядом в виде газа. То есть, ядро все-таки распалось – котик умер от отравления. Ядро осталось целым – котик здоров и весел.
  • Кошка (или же кот) заперт в этом ящике и сидит там ровно один час.
  • Сама квантовая же механика вроде сообщает нам, что как сам наш кот, так и ядро атома, находятся одновременно в обоих  состояниях (это суперпозиция). Пока мы еще не открыли злосчастный ящик, вероятность ситуации «наш котик жив» или «наш котик, к сожалению, умер» находится в соответствии 50% на 50%. То есть наш кот, который сидит в этом ящике, одновременно и мертвый и живой!
  • Причем промежуточного состояния между жив — мертв в данной ситуации нет! И она совершенно не зависит от наблюдателя, а только от ядра!

То есть, если уж совсем просто – наблюдения над ядром и котом нет

И именно поэтому их состояние можно описать двояко – ядро распалось и котик мертв, ядро не распалось и котик жив. Одновременно, без проверки, котик и мертв и жив, потому что ядро и распалось и не распалось. И только при контроле через час можно с уверенностью «поставить диагноз». А до истечения этого часа и ядро и наш котик находится сразу в двух фазах – и положительной, и отрицательной! В этом и есть парадокс! Потому что нельзя быть одновременно и мертвым и живым – противоречит всем законам. Но до проверки через час сказать, в каком точно состоянии находится это ядро, а, следовательно, и наша кошка, просто невозможно. Любое утверждение будет ложным!

И вот при помощи этого эксперимента явственно видно, что таки квантовая механика носит в себе очень существенные и парадоксальные изъяны. Пресловутый кот Шрёдингера это ясно доказал. Ведь быть в одно и то же время и живым, и мертвым,  невозможно, а именно это и происходит с подачи этой самой квантовой механики! Опыт показывает, что такой парадокс просто немыслим по опередению здравого смысла. А это значит, и вся квантовая механика парадоксальна и требует дополнений в виде правил, только они смогут указать на условия, при наличии которых будет существовать только один вариант.

В чем заключается суть эксперимента — кот Шредингера

Знаменитый мыслительный эксперимент, кот Шредингера, поставил прославленный австрийский физик, Нобелевский лауреат — Эрвин Рудольф Йозеф Александр Шредингер.

Суть его эксперимента заключалась в следующем. В закрытую со всех сторон камеру был помещен кот. Камера оснащена специальным механизмом, который содержит радиоактивное ядро и ядовитый газ. Параметры работы механизма подобраны так, что вероятность распада радиоактивного ядра за один час составляет ровно 50%. Если ядро распадается, механизм срабатывает и открывает емкость с ядовитым газом, в результате чего кот Шредингера умирает.

Согласно законам квантовой механики, если за ядром не проводится наблюдений, то его состояния описываются по принципу суперпозиции двух базовых состояний – ядра не распавшегося и ядра распавшегося. Тут и возникает тот самый парадокс: сидящий в камере кот Шредингера может быть и мертв, и жив одновременно. Однако если камеру открыть, то наблюдатель увидит только одно какое-то состояние:

  • ядро распалось и кот Шредингера мертв;
  • ядро не распалось и кот Шредингера жив.

С точки зрения логики в результате экспериментатор будет иметь что-то одно: либо живого кота, либо мертвого. Но потенциально животное в камере находится в обоих состояниях сразу. Подобным экспериментом Эрвин Шредингер пытался доказать свое мнение об ограниченности квантовой механики.

Таким образом, можно заключить по итогам данного эксперимента, что кот в одной из своих потенциальных фаз «мертв» или «жив» приобретает эти свойства только после того, как в процесс вмешивается сторонний наблюдатель. Причем под наблюдателем здесь подразумевается конкретная личность, обладающая ясным зрением и сознанием. И пока этого наблюдателя нет, кот будет находиться в камере в подвешенном состоянии: между жизнью и смертью.

Не удивительно, что подобный эксперимент вызвал живой интерес и у коллег ученого, и у далеких от научного мира людей. Смысл происходящего с мифическим котом в оборудованной камере получило сразу несколько научных интерпретаций. Причем никто не мешает вывести свою разновидность объяснения и интерпретации того, жив ли кот Шредингера, или мертв.

Если рассматривать современную науку, то можно с уверенностью заявить, что на страницах исследований самых разных ученых со всего мира кот Шредингера живее всех живых. До сих пор периодически предлагаются решения этого известного парадокса и развиваются на его основе концепции в рамках весьма интересных разработок.

Друзья Вигнера[]

Юджин Вигнер

Это усложнённый вариант эксперимента Шрёдингера в Копенгагенской интерпретации. Юджин Вигнер ввёл категорию «друзей». После завершения опыта экспериментатор открывает коробку и видит живого кота. Вектор состояния кота в момент открытия коробки переходит в состояние «ядро не распалось, кот жив». Таким образом, в лаборатории кот признан живым. За пределами лаборатории находится друг. Друг ещё не знает, жив кот или мёртв. Друг признает кота живым только тогда, когда экспериментатор сообщит ему исход эксперимента. Но все остальные друзья ещё не признали кота живым, и признают только тогда, когда им сообщат результат эксперимента. Таким образом, кота можно признать полностью живым (или полностью мёртвым) только тогда, когда все люди во вселенной узнают результат эксперимента. До этого момента в масштабе Большой Вселенной кот, согласно Вигнеру, остаётся живым и мёртвым одновременно. Тогда, вспомнив про кота-наблюдателя, мы можем сказать, что для живого кота первый наблюдатель и есть «друг», а то значит, по Вигнеру, факт устанавливает наблюдение даже на уровне макросистем. Тогда, скажем мы, фактически, суперпозицию можно разделить на локальную (суперпозицию предмета) и общую (суперпозиция предмета для иных наблюдателей, «друзей»)- в системе коей увеличение количества наблюдателей предмета будет вести к отсутствию локальной суперпозиции (начиная с появления первого наблюдателя — кота) и уменьшению общей. А то значит, что мир буквально делится на области, в коей кот находится в суперпозиции и области, в коей тот находится в некой одной позиции, то есть мир на квантовом уровне определяет не некое одно наблюдение, а совокупность наблюдений и макросистемы, зависящие от субатомных систем, становятся зависящими от субатомных.

Интерпретации (А что с котом?)[]

Кот находится в весьма неблагоприятном положении

Однако, различные интерпретации квантовой механики не согласны с нашим привычным мышлением жителей макромира и готовы оспорить таковое решение. Но прежде чем начать, мы должны понять, что ни одна таковая интерпретация не влияет на жизнь бедной зверушки — по философии позитивизма в целом и по критерию фальсифицируемости Поппера в частности, таковые и вовсе являются ненаучными, ибо интерпретации эти не сколь не влияют на саму квантовую физику, а оперируют, как раз, непроверяемыми концепциями, касающимися ненаблюдаемого, к примеру, Кота Шредингера. Фактически, главная цель всех интерпретаций (некоторые из коих согласуется далеко не хорошо) квантовой механики сделать процесс рассуждения при рассмотрении хода экспериментов квантовой физике проще, а саму квантовую физику — на уровне бытийного мышления чуть понятней. Итак, начнём.

Копенгагенская интерпретация

Копенгагенская интерпретация отрицает, что до открытия ящика кот находится в состоянии смешения живого и мёртвого, то есть защищает позиции Шредингера и обыденной житейской логики. Одни полагают, что до тех пор, пока ящик закрыт, система находится в суперпозиции состояний «распавшееся ядро, мёртвый кот» и «нераспавшееся ядро, живой кот», а когда ящик открывают, то только тогда происходит коллапс волновой функции (принятие одной из позиций) до одного из вариантов. Другие же — что «наблюдение» происходит, когда частица из ядра попадает в детектор; однако, увы, в копенгагенской интерпретации нет чёткого правила, которое говорит, когда это происходит, и потому эта интерпретация неполна до тех пор, пока такое правило в неё не введено или не сказано, как его можно ввести в принципе.

Многомировая интерпретация

Многомировая интерпретация гласит, что, просто говоря, наблюдение субатомных объектов или объектов от них зависящих приводить к «расщеплению» мира на два мира с различно случившимися наблюдениям. То есть, по Многомировой интерпретации, когда мы открываем ящик с котом, мы видим, к примеру, живого кота, но в тот же момент Вселенная «расщепляется», и мы же в другой вселенной видим кота мёртвого (или живого, если те мы, что видели живого кота, увидели мёртвого). Это, кстати, может наглядно показывать наличие совершенно противоположных Вселенных — к примеру, некто Х увидев кота живого в детстве вырастет обычным человеком, но тот же Х при прочих предпосылках, можно предположить, увидев кота мёртвого, всю жизнь, возможно, будет ненавидеть физиков — и повторение таковых процессов когда-нибудь приведёт к существованию полностью диаметральных Вселенных. Из этого следует весьма забавный вывод, что чем больше происходит экспериментов по квантовой механике, к примеру, чем больше происходит «Котов Шредингера» в реальности, тем более различные Вселенные появляются на свет.

Кот-Наблюдатель (уточнение)

Эрвин Шрёдингер

Также стоит помнить, что кот как таковой, даже ничего не понимая в квантовой физике, также является наблюдателем, что полностью исключает факт его нахождения в суперпозиции. Тогда, с точки зрения Копенгагенской интерпретации, кот, в случае своей смерти, окажется в одной позиции, а человек, позже открывший коробку, будет своего рода «другом Вигнера», коего мы разберём ниже (из-за чего пока оставим уточнение в Копенгагенской интерпретации). Но, с точки зрения Многомировой интерпретации, кот наблюдая сам себя одной своей версией всегда будет оставаться жив, а другой, не наблюдающей, мёртв, что означает то, что кот сам для себя будет живой, а для наблюдателя, вскрывшего коробку — либо живой, либо мёртвый. При сомнениях относительно способности кота наблюдать, кота заменяют человеком и получают МЭ «Квантовое самоубийство». Однако, в данном случае появляются вопросы относительно расщепления сознания — и тогда, вероятно, мы вернёмся на круги своя в лице

того, что одна версия кота-наблюдателя будет наблюдать смерть, а другая — всю тот же унылый контейнер. И не что не гарантирует Вам, что Вы будете тем котом-наблюдателем, что выживет — хотя, если Многомировая интерпретация верна, одна из ваших версий-наблюдателей выживет спустя огромное количество времени, выйдет из ящика и докажет факт существования Многомировой интерпретации.

Кот в коробке

Принято считать, что кот Шредингера может находиться одновременно в двух состояниях, но исследователи из Йельского университета полагают, что кот может быть не только мертвым или живым, но что его можно спасти от гибели. Все дело в обнаруженном предупреждающем знаке для квантовых переходов, которые когда-то считались мгновенными и непредсказуемыми. В результате, судьба кота Шредингера может быть не только предсказана заранее, но даже обращена вспять! Несмотря на то, что знаменитый кот Шредингера – мысленный эксперимент, в нем заключена ключевая загадка квантовой теории.

Основное предположение квантовой механики заключается в том, что в мельчайших масштабах свойства атомов квантованы, что означает, что частицы принимают дискретные, а не непрерывные состояния. Например, электрон может находиться в низкоэнергетическом состоянии, но если добавить немного больше энергии, он не будет медленно переходить в новое высокоэнергетическое состояние. Скорее, в новое состояние он перейдет непредсказуемо. Более того, если не наблюдать за ним, то атом может принимать промежуточные состояния – он будет находиться в обоих состояниях одновременно, а затем, как только вы его заметите, сразу же перейдет в одно состояние или в другое.

Однако эксперимент, проведенный в прошлом году, похоже, усложняет некоторые из основных идей квантовой теории. Согласно результатам исследования, опубликованного в журнале Nature, физикам удалось предсказать вид атомного поведения, называемый квантовым скачком, и даже обратить скачок вспять. Эксперимент оказался возможным на искусственном атоме в лабораторных условиях.

Пока кот находится в коробке, он одновременно и жив и мертв

Необходимо отметить, что подобные исследования поднимают более серьезные вопросы о природе физики и могут иметь важные последствия для совершенствования квантовых компьютеров, работа которых полагается на правила квантовой механики. Подробнее о том, что такое квантовый компьютер и как он работает, читайте в нашем материале.

Формулировка[]

Оригинальная

«Можно построить и случаи, в которых довольно бурлеска. Некий кот заперт в стальной камере вместе со следующей адской машиной (которая должна быть защищена от прямого вмешательства кота): внутри счётчика Гейгера находится крохотное количество радиоактивного вещества, столь небольшое, что в течение часа может распасться только один атом, но с такой же вероятностью может и не распасться; если же это случится, считывающая трубка разряжается и срабатывает реле, спускающее молот, который разбивает колбочку с синильной кислотой. Если на час предоставить всю эту систему самой себе, то можно сказать, что кот будет жив по истечении этого времени, коль скоро распада атома не произойдёт. Первый же распад атома отравил бы кота. Пси-функция системы в целом будет выражать это, смешивая в себе или размазывая живого и мёртвого кота (простите за выражение) в равных долях.

Типичным в подобных случаях является то, что неопределённость, первоначально ограниченная атомным миром, преобразуется в макроскопическую неопределённость, которая может быть устранена путём прямого наблюдения. Это мешает нам наивно принять «модель размытия» как отражающую действительность. Само по себе это не оз

Схематическое изображение

начает ничего неясного или противоречивого. Есть разница между нечётким или расфокусированным фото и снимком облаков или тумана»

Простым слогом писанная

Как известно, в квантовой механики субатомные системы (то есть очень маленькие) в момент отсутствия наблюдения находятся в суперпозиции — то есть в двух состояния одновременно. Почему дело обстоит так, очень легко понять на примере подкиданной монетки. Предположим, вы, играя в орлянку, подкидываете монету. Невооружённым глазом Вы не можете понять во время полёта монетки как выпадет таковая. Но, как известно, Вы можете поставить некий датчик, к примеру, камеру замедленной съёмки, и понять коим образом монета располагается в пространстве во время полёта — мало того, Вам вовсе не необходимо наблюдение и Вы сполна можете, зная об весе монете, её положении во время броска и силе этого броска, при расчётах заранее знать положение монеты. Иным же образом всё обстоит на квантовом уровне — само наблюдение есть действие за малостью наблюдаемого. Дабы увидеть, к примеру, направленность вращения электрона по оси (спин), Вы должны запустить в таковой тот же фотон — поймать «монетку» в полёте. То есть вы не имеете возможности таковую увидеть летя, а то значит, что «монетка», субатомная система, в момент своего полёта недосягаема, а само наблюдение меняет её характеристи

ки (что показывают неравенства Белла) — в момент же полёта она находится в нескольких позициях сразу, то есть в «суперпозиции». Шрёдингер предлагает поместить кота (то есть макросистему) в коробку и сделать жизнь такового зависящей от находящейся в суперпозиции субатомной системы. Тогда, ибо жизнь кота находится в зависимости от неопределённой субатомной системы, сам кот начинает подчинятся субатомным правилам и впадает в мир, наполненный законами квантового мира, то есть в суперпозицию — став одновременно и живым, и мёртвым, то есть «живомёртвым» котом. Но, очевидно, кот не может быть одновременно живым и мёртвым — он либо жив либо мёртв, что мы не узнаем пока не откроем контейнер, то есть макросистема не подчинилась законам микромира.

Немного истории: кот, ящик и эффекты Зенона

Если кто не знает, что это за кот Шредингера, напомним легенду. Согласно Копенгагенской интерпретации квантовой механики, физический объект (вроде атома) не имеет определенных свойств, пока мы не проводим его измерения. В ответ на это физик Эрвин Шредингер предложил мысленный эксперимент. Он предположил, что если такая интерпретация верна, мы могли бы поместить радиоактивное вещество в небольшой контейнер рядом со счетчиком Гейгера, связать счетчик с молотком и поместить молоток над капсулой с кислотой, чтобы тот раздавил ее в момент распада атома.

Если все это засунуть в ящик с котом, мы не сможем измерить свойства атома, потому что, насколько мы знаем, атом одновременно распался и не распался (на то он и полураспад). Как следствие, кот будет и жив и мертв одновременно, пока мы не заглянем внутрь.

Такова легенда. Но у нее двойное дно.

В 1974 году ученые задались вопросом: зависит ли время жизни нестабильной системы от измерительного устройства?

Этот парадокс стал известен как квантовый эффект Зенона: что произойдет, если мы будем непрерывно наблюдать за нестабильным атомом? Распадется ли он?

Согласно эффекту Зенона, при постоянном наблюдении он никогда не испустит ни единой частицы излучения. В 1989 году это было впервые продемонстрировано в эксперименте, проведенном Национальным институтом стандартов и технологий США, и странная гипотеза стала странной реальностью.

Уже через десять лет был предложен противоположный эффект Зенона — эффект Антизенона. Частое измерение радиоактивного атомного ядра может ускорить его распад, в зависимости от процесса.

Осталось только понять, что такое «измерение».

Чтобы измерить нечто вроде радиоактивного атома, провести наблюдение над ним и считать его параметры и свойства, с ним нужно как-то взаимодействовать, чтобы информация вышла наружу в каком-нибудь виде. В процессе этого множество возможностей атома схлопываются в единый исход, который мы и видим. Но является ли это схлопывание причиной эффекта Зенона? Или можно ли ускорить или замедлить распад атома, не приводя к его схлопыванию в абсолютное состояние?

Взрывчатка Шрёдингера[]

Замена

Ваш любимый динамит

Тогда, исходя из «друзей» и «кота-наблюдателя», скажем мы, кота необходимо заменить нечем, что не сможет себя наблюдать, ибо в обоих интерпретациях, как мы поняли, именно кот мешает находится в суперпозиции себе — и пусть на месте кота будет маленькое количество взрывчатки, какая взорвётся при распаде радиоактивного вещества, но при том не одна её частица не коснётся стенок коробки и не передаст таковой импульс. Тогда не что не будет говорить стороннему наблюдателю коробки о взрыве или отсутствии взрыва и до открытия таковой, как и в случае с котом, но и наблюдатель — кот будет отсутствовать. Тогда, заявив об отсутствии «объективной реальности», мы сделаем вывод, что взрывчатка и правда находится в суперпозиции.

Взрывчатка-наблюдатель

Однако, тогда мы можем настоять на том, что утверждение важности наблюдения весьма сомнительно, если таковое есть лишь частный случай взаимодействия субатомной системы с макросистемой. Сказав это, мы, вероятно, окажемся гораздо ближе, чем если будет утверждать, что мир определяется только наблюдением — ибо, если мы начнём измерять спин электрона, но не будем смотреть результат такового измерения — изменится ли результат измерения? Тогда даже взрывчатка может быть «наблюдателем» — по взаимодействию себя, макросистемы, с субатомной

Фактически, мы попадаем в ловушку: ибо мы есть макросистемы и только мы судим (как минимум, мы так считаем) о субатомных системах, мы связываем два этих действия и считаем, что наблюдение и есть только то взаимодействие с субатомным миром, что приводит к коллапсу волновой функции. Однако, мы даже так предположив, не можем понять, что истинно — «только наблюдение» и «любое взаимодействие», что ещё раз показывает что, по критерию фальсифицируемости, интерпретации квантовой механики, конечно, весьма интересны и близки к науке и факту, но при том ненаучны за своей непроверяемостью.

Друзья взрывчатки

Тогда, если соединить «Друзей Вигнера» и «Взрывчатку-наблюдателя», можно получить весьма понятную картину. Предположим наш второй наблюдатель — простейший робот, начинённые взрывчаткой, а «друзья» — мир действия, полностью состоящий из динамитов Тогда предположим, что робот, увидев взорванную взрывчатку и также взрывается. Наш наблюдатель№2 открывает коробку и видит, также допустим, что взрывчатка в коробке взорвалась. Тогда наш робот также взорвётся — и запустит цепную реакцию взрыва динамитов, пока мир нашего МЭ не взорвётся весь полностью. То есть для мира данного взрывчатка будет взорвавшейся, а, предположим, для соседней динамитной планеты. пока до неё не долетит свет от этой, взрывчатка будет находится в суперпозиции. И тогда мы поймём что дело не в наблюдении, а взаимодействии с макросистемой.

Зенон против Антизенона

Все это возвращает нас к эксперименту, проведенному Вашингтонским университетом.

Чтобы определить, будет ли передача информации форсировать эффект Зенона или Антизенона, ученые использовали устройство, которое во многом ведет себя как атом со множеством энергетических состояний.

Этот «искусственный атом» смог испытать гипотезу, как энергетические состояния — электромагнитные моды — могут влиять на эти эффекты.

Точно так же меньше мод означает меньше опций для распада, чем объясняется, почему атомный горшок под постоянным наблюдением никогда не сварит. Мерч и его команда сумели манипулировать числом мод в своем искусственном атоме, прежде чем использовать стандартные измерения, проверяя его состояние каждую микросекунду и ускоряя или замедляя его «распад».

Чтобы убедиться, что именно наблюдение или вмешательство оказалось ключевым, ученые сделали так называемое квазиизмерение, которое создает помехи, не приводя к коллапсу атомного состояния. Каким будет результат, не знал никто.

Следовательно, именно нарушение в процессе измерения, а не само непосредственное измерение приводит к появлению эффектов Зенона и Антизенона.

Зная это, мы можем применять новые методы управления квантовыми системами с использованием динамики Зенона.

Что же все это означает для бедного кота Шредингера?

Как предсказать квантовый скачок?

Искусственные атомы называют кубитами. Они применяются в качестве основных единиц информации в квантовом компьютере. При каждом измерении кубита он выполняет квантовый скачок, но эти скачки непредсказуемы, а все попытки построить квантовые вычисления крайне проблематичны. В попытках спасти кота Шредингера, команда из Йельского университета разработала эксперимент для косвенного наблюдения сверхпроводящего кубита.

Для проведения эксперимента ученые подготовили специальную установку, включающую три микроволновых генератора для облучения кубита, которые находились в герметичном трехмерном корпусе из алюминия. В ходе исследования физики использовали два специально настроенных микроволновых сигнала. Один луч микроволнового света давал энергию для квантового скачка, а другой позволял ученым следить за ситуацией. Обнаружить квантовые скачки удалось когда «атом» возбуждался или терял энергию. Как пишет The Guardian, исследователи считают, что «квантовые скачки» – это не столько резкие скачки между энергетическими уровнями атомов, но постепенные переходы, больше похожие на скольжение.

«Квантовые скачки атома в некоторой степени аналогичны извержениям вулкана. Они абсолютно непредсказуемы в долгосрочной перспективе, пишут авторы исследования

Отмечу, что в обычных атомах «состояния» представлены расположением электрона вокруг ядра атома, но в этом искусственном атоме состояние представлено квантованым свойством, значение которого изменяется по мере прохождения электронами ограждения короба из алюминия. Технически эта квантовая система – двухкубитный квантовый компьютер, следующий тем же принципам, что и другие квантовые системы, включая электроны вокруг атомов.

Однако, даже не смотря на потрясающие результаты, у исследователей было лишь мгновение до того, как произошел переход между состояниями. Это означает, что ученые не могут предсказать точный день и время перехода состояния атома. Но этот уровень предвидения может быть полезен для квантовых компьютеров. Технология, основанная на этом эксперименте, может позволить исследователям квантовых вычислений идентифицировать ошибки прямо по мере их возникновения.

Важно понимать, что предстоит еще много работы, прежде чем эти исследования будут интегрированы в существующие квантовые компьютеры. Другие эксперты в этой области приветствовали исследование, а профессор Влатко Ведрал из Оксфордского университета охарактеризовал его как «очень красивый эксперимент»

А как вы думаете, можно ли спасти кота Шредингера? Ответ будем ждать здесь!

осуществимость

Эффект декогеренции

Основная статья : Декогеренция

Согласно теории декогеренции, ситуация, описанная Шредингером, в действительности не возникает, поскольку макроскопические системы всегда подавляют когерентные свойства квантовомеханического состояния. Взаимный обмен несколькими фотонами теплового излучения между окружающей средой, стенкой ящика и кошкой приведет к полной декогеренции макроскопических состояний за очень короткое время из-за внутренних тепловых взаимодействий. Это приводит к эффективному коллапсу волновой функции в смысле Копенгагенской интерпретации через чрезвычайно короткое время . Теория декогеренции серьезно относится к тому, что отравляющий аппарат и кошка являются макроскопическими объектами, которые необратимо реагируют не на «процесс измерения», открывая коробку, а непосредственно на первые непосредственные эффекты атомного распада.

Реальные эксперименты с когерентными системами

Несмотря на влияние декогеренции, мысленный эксперимент можно проверить реальными экспериментами. Взаимодействие с окружающей средой должно быть полностью экранировано. Такая изоляция может быть очень хорошо достигнута с фотонами в качестве объектов исследования, поскольку сами фотоны не подвержены влиянию других фотонов и, следовательно, на них мало влияет декогеренция. В случае твердого вещества изолировать намного сложнее и до сих пор было возможно только с очень маленькими объектами. Например, в эксперименте с фуллеренами можно было показать, что такая единственная молекула, состоящая из 60 атомов углерода, может одновременно проходить разными путями через разные промежутки в препятствии. Условия эксперимента, которые в достаточной мере защищали от декогеренции здесь, включали высокий вакуум, темноту и очень короткий период времени между генерацией и проверкой наложения. В квантовых компьютерах делаются попытки подавить декогеренцию электронов путем ограничения их степеней свободы с помощью очень низких температур и сверхпроводимости. Наложенные состояния затем используются для выполнения параллельных арифметических операций.

Эти эксперименты подтверждают предположение, что законы квантовой механики применимы и к макроскопическим системам.

Эксперимент с двумя щелями

В начале XIX века в научном сообществе, представители которого мыслили в духе детерминизма классической физики, всерьез встал вопрос о том, что представляет собой свет: частицы или волны. Ньютон считал, что свет состоит из мельчайших частиц, «корпускул», что и позволяет объяснить его преломление. С другой стороны, теория Гука-Гюйгенса приводит к выводу, что свет проявляет волновые свойства. Ключевым экспериментом, призванным конкретизировать природу света, стал опыт с двумя щелями, поставленный Томасом Юнгом в 1801 году. Именно Томас Юнг, опираясь на феномен интерференции волн, окончательно сформулировал волновую теорию света, которую проиллюстрировал при помощи своего знаменитого эксперимента:

Свет последовательно пропускается через два барьера, в первом из которых прорезана одна щель, а во втором — две. Если бы свет состоял из частиц-корпускул, то на экране, расположенном за вторым барьером, образовывалось бы две освещенные полосы, по одной напротив каждой из щелей. На самом же деле на экране образуется интерференционный узор, свидетельствующий, что свет распространяется по принципу волны. В 1818 году на основании этих данных Французская Академия выступила с вопросом о том, сможет ли кто-нибудь непротиворечиво объяснить природу света. В результате опытов Жака Френеля и Симеона Дени Пуассона на оставшуюся часть XIX века установилось представление о волновой природе света, которое было вновь оспорено только в 1900 году, когда Планк предложил вышеупомянутую концепцию «кванта». Промежуточным итогом, позволившим вписать физические свойства света в квантовую механику, стала теория корпускулярно-волнового дуализма, сформулированная Луи де Бройлем в 1924 году. Согласно этой теории, свет одновременно проявляет свойства волны и потока частиц.

На фоне такого развития событий в 1927 году Клинтон Дэвиссон и Лестер Джермер повторили эксперимент с двумя щелями на электронах, чтобы показать их дифракцию. Длина волны электрона зависит от энергии частицы, и оказалось, что электрон с энергией 100 эВ (электрон-вольт) имеет длину волны 0,1 нм, что весьма сопоставимо с расстоянием между атомами в кристаллической решетке. Поскольку к тому времени уже удалось получить дифракцию рентгеновских лучей в кристаллической решетке, дифракция электронов также дала ожидаемый результат: два пучка электронов, пропускаемых через две щели, оставляли на экране такие следы, которые должны оставаться от двух волн.

Именно тогда в полной мере началась эпоха квантовых парадоксов, на протяжении которой довелось узнать, что на микроуровне мир устроен существенно иначе, нежели на макроуровне, устроен абсурдно и контринтуитивно. Так, был обнаружен квантовый туннельный эффект, при котором квантовая частица с некоторой вероятностью может преодолеть барьер, непроницаемый для классической частицы. Была выявлена зависимость результата опыта от акта измерения, наиболее ярко представленная в виде мысленного эксперимента под названием «кот Шрёдингера» (а также его усложненного варианта под названием «друг Вигнера»):

Не вдаваясь в подробное описание этих экспериментов, отмечу: характер течения квантовых экспериментов ключевым образом зависит от присутствия или отсутствия наблюдателя. Так, в вышеупомянутой постановке двухщелевого эксперимента с электронами интерференционная картина сохраняется, только когда за ходом эксперимента никто не смотрит. Если эксперимент пронаблюдать, то происходит коллапс волновой функции частицы, и поток электронов разделяется надвое. Электроны начинают вести себя как корпускулы и оставлять на экране не интерференционный узор, а две полосы напротив двух щелей. Данное явление называется «декогеренцией». По какой-то причине поток частиц теряет квантовую согласованность и перестает вести себя как единая волна.

При этом в 1949 году советским ученым Биберману, Сушкину и Фабриканту удалось продемонстрировать, что дифракционные свойства присущи не только потоку электронов, но и отдельному электрону, проходящему через детектор. Буквально в процессе подготовки этой публикации, 20 августа 2021 года, появилась новость об экспериментальном подтверждении корпускулярно-волнового дуализма у одиночного фотона. Дифракцию одиночного фотона выполнила команда во главе с Тай Хён Юн из Южнокорейского института фундаментальных наук. Таким образом, квантовой механике подчиняются мельчайшие частицы наблюдаемого мира… а вот каковы самые крупные объекты, которые также ей подчиняются?

Заключение

Существует известная шутка Альберта Эйнштейна о парадоксе наблюдателя: «Неужели вы думаете, что Луна существует только тогда, когда вы на неё смотрите?». При этом он не был противником квантовой механики, а лишь указывал коллегам на серьезную брешь в этой фундаментальной области знаний.

Шрёдингер поставил перед собой такую же задачу. Он решил доказать всем, что не наблюдатель определяет состояние системы, и судьба кота определяется отнюдь не в тот момент, когда открывается коробка.

Напоследок остаётся лишь добавить, что рассмотренный сегодня эксперимент является мысленным. А значит, ни один кот во время его проведения не пострадал.