XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Оригинальная статья Шрёдингера: «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 означает ничего неясного или противоречивого. Есть разница между нечётким или расфокусированным фото и снимком облаков или тумана».[1]

Согласно квантовой механике, если над ядром не производится наблюдение, то его состояние описывается суперпозицией (смешением) двух состояний — распавшегося ядра и не распавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике, и жив, и мёртв одновременно. Если же ящик открыть, то экспериментатор может увидеть только какое-нибудь одно конкретное состояние — «ядро распалось, кот мёртв» или «ядро не распалось, кот жив».

Цель эксперимента — показать, что квантовая механика неполна без некоторых правил, которые указывают, при каких условиях происходит коллапс волновой функции. Это будет аналогично и для атомного ядра. Оно обязательно должно быть либо распавшимся, либо не распавшимся.

Кот Шрёдингера проник в массовую культуру. Вместе с информацией о коте, который и жив, и мертв, обыватель получает информацию о том, что квантовые объекты могут "находиться в двух состояниях сразу". Он не понимает природы этого, может вообще не знать, что это за объекты и какими могут быть их характеристики. Но разум обывателя уже подготовлен к восприятию одного из самых парадоксальных постулатов современной физики. Когда-то Стругацкие писали о восприятии человеком релятивистской физики: «…вовсе не нужно понимать, как происходит искривление пространства-времени, нужно только, чтобы такое представление с детства вошло в быт и стало привычным». Нечто подобное происходит с квантовой физикой, но не потому, что мы сталкиваемся в быту с квантовыми явлениями, а лишь благодаря выдуманному коту. Трудно однозначно судить, хорошо это или плохо, и непонятно, обрадовал бы этот факт самого Эрвина Шрёдингера.[2]

В многомировой интерпретации квантовой механики, которая не считает процесс измерения чем-то особенным, оба состояния кота существуют, но декогерируют. Когда наблюдатель открывает ящик, он запутывается с котом и от этого образуются два соответствующие живому и мёртвому коту состояния наблюдателя, которые не взаимодействуют друг с другом. Тот же механизм квантовой декогеренции важен и для совместных историй. В этой интерпретации только «мёртвый кот» или «живой кот» могут быть в совместной истории.

Физики научились вычислять волновую функцию очень, но сразу начались философские проблемы. Здание квантовой физики, в фундамент которого легла волновая функция, стояло прочно, но появились парадоксы. Например, нельзя одновременно узнать импульс и координату частицы; другой пример — два фотона, разнесенные на космические расстояния, каким-то образом «чувствуют» друг друга… С нашим электроном на орбите тоже не всё в порядке: в момент, когда мы его «ловим» прибором, он перестает быть квантовым объектом и становится классическим. Грубый макроскопический мир вторгся в мир частиц и вступил с ним в конфликт.

В 1972 году Джон Клаузер и Стюарт Фридман провели опыт, в 1981 другой эксперимент осуществил Ален Аспэ. В обоих случаях оказалось, что квантовая запутанность реально существует и характеристика пары запутанных частиц неопределенна до ее измерения у одной из частиц. В частности, в эксперименте Аспэ общая спиральность фотонов была равна нулю, но у какого фотонов спиральность +1, а у какого -1, определялось лишь в момент измерения. До этого момента каждый фотон находился в суперпозиции двух состояний.

Радикальный ответ дал Нильс Бор и его последователи: в тот момент, когда мы измеряем квантовый объект, он автоматически становится частью макромира и ведет себя по правилам обычной классической физики. То есть, измеряя, мы разрушаем квантовую систему. Называется «коллапс волновой функции». Понять, почему так происходит, мы не можем, но эксперименты это подтверждают.

В дальнейшем удалось экспериментально получить пары квантово запутанных частиц. В 2007 году расстояние между квантово запутанными частицами было равно метру (в опыте физиков Мичиганского университета), в 2008 швейцарские физики добилисьрасхождения запутанных фотонов уже на 18 километров. А чуть позже в лабораториях на островах Тенерифе и Ла Пальма в Канарском архипелаге квантово запутанные фотоны разделялись уже 144 километрами. В результате таких опытов выяснилось, что если каким-то образом взаимодействие между запутанными частицами происходит, оно должно распространяться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме не менее чем в 100 000 раз.

Еще был Хью Эверетт, придумавший многомировую интерпретацию: при каждом событии мир делится на части, связанные друг с другом. Интерпретация чудовищная в своей грандиозности, но довольно популярная у физиков до сих пор…

Дым сражений за философские основы понимания природы нисколько не рассеялся и в наши дни. Появились изощренные инструменты, которыми физики проверяют, что же лежит в основе реального мира.[3]

Итак, мы добрались до 2015 года, до публикации австралийских ученых. В экспериментах с поляризованными фотонами они проверили, реальна ли волновая функция, или мы пользуемся ею за неимением лучшего описания реальности. Оказалось — да, волновая функция реальна. [3]

Литература

Квантовая запутанность кота Шрёдингера [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: https://philocv.wordpress.com/2013/03/25/квантовая-запутанность-кота-шрединг/– зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 14.01.2019)

Запутанный кот Шрёдингера [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: https://polit.ru/article/2013/08/31/ps_cat/– зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 14.01.2019)

Квантовая реальность кота шрёдингера [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: https://kot.sh/statya/109/kvantovaya-realnost-kota-shryodingera – зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 14.01.2019)