Звенящая тишина окутывает разум, лишь стоит попутным мыслям взять инициативу. Ни шелест крон деревьев, ни гаснущая жизнь ночного города не в силах донести ни звука. Лишь одиноко мерцающая в небе звезда напоминает о том, что мир вокруг не замер. Звёзды вообще о многом могут поведать, но об этом в следующий раз. Сегодня эта тишина вызвана одним, хоть и мысленном, но всё же экспериментом. Как многие могли догадаться, в эксперименте будет принимать участие кот. В мире не так уж и много мысленных экспериментов с котом, и разумеется, речь пойдёт о коте Шрёдингера.
Сам эксперимент. Представим, что имеется коробка/ящик со следующим содержимым: радиоактивное вещество, счётчик Гейгера, бутылка с ядом, механизм разбития бутылки и главный герой сцены - кот. Если атом радиоактивного вещества распадается, то счётчик Гейгера фиксирует распад, а специальный механизм разбивает бутылку с ядом. Соответственно, кот погибает. Если распада не происходит, то кот остаётся в живых. Дело в том, что распад атомов процесс случайный, мы никак не можем ускорить его с помощью привычных методов, таких как изменение температуры, давления и т.д.. Иными словами, он носит вероятностный характер. Но в нашем эксперименте условия подобраны таким образом, что распад происходит в определённый период, с вероятностью 0.5, то есть либо произойдёт, либо нет. В процентном соотношении 50 на 50, в течении часа.
Итак, когда мы определились с правилами, начинается самое интересное. Мы помещаем кота в коробку с данным механизмом и ждём час. Мы не знаем произошёл ли распад или нет, разбил ли механизм бутылку с ядом, и остался ли наш кот в живых. Но не знаем мы этого лишь до того момента, пока не откроем коробку. Пока мы этого не сделали кот остаётся живыми и мёртвым одновременно.
Очень важно, здесь хотелось бы уделить особое внимание одному аспекту. Многие приводят в пример игру в напёрстки, или просто угадать в какой руке предмет и т.д. Ведь в этих играх также не известно где именно находится, к примеру, шарик. И почему бы не сказать, что пока мы не открыли ладонь/подняли стакан, то шарик может находиться сразу в двух руках/стаканах? Действительно, почему?
Дело в том, что “супер” бывают не только герои и обложки, но и позиции. С этого момента, добро пожаловать в квантовый мир. Сжато, суперпозиция означает что частица находится в двух позиция одновременно, но с определенной вероятностью. А самое интересное, что точное положение определяется в процессе измерения. Как только мы захотим посмотреть в какой же именно позиции в данный момент частица находится, она примет одно из значений. При чём абсолютно случайно, но в соответствии с вероятностью для каждой позиции. Это могут быть разные значения, к примеру с вероятность 80% для позиции А, и 20% для позиции Б. Или 50 на 50. Не так важно. Имеет значение то, что нельзя заранее и точно сказать какую именно позицию примет частица. Лишь факт измерения, в нашем случае наблюдение заставляет частицу принять определенную позицию. До этого момента она находится в состоянии суперпозиции.
Для нашей обыденной логики и опыта это очень странно и непонятно, от того сложно в такое поверить и воспринять. Но расчёты и эксперименты доказывают состоятельность этой версии. Как мы можем убедиться, в версии с игрой в наперстки отсутствует самый важный элемент нашего эксперимента - прямое (на сколько это возможно) воздействие квантовых частиц на макрообъекты. Отсутствуют квантовые частицы, суперпозиции которых определяли бы положение шарика под стаканами.
Именно в этом заключается парадокс эксперимента Шрёдингера. На заре квантовой механики Шрёдингер был одним из тех, кто противился Копенгагенской интерпретации Бора и Гейзенберга. Наряду с другими учёными, такими как Эйнштейн, Розен, и прочие, Шрёдингер пытался показать явные упущения данной (вероятностной) интерпретации.
Существует множество вариаций данного эксперимента, при которых изменяется способ передачи суперпозиции квантовой частицы макрообъекту. В качестве частицы может выступать фотон, вместо распада может браться поляризация фотона. Может меняться механизм измерения, макрообъект и т.д. Суть всегда будет заключаться именно в том, что квантовая частица в состоянии суперпозиции будет влиять на состояние объекта, который не имеет возможности быть в таком состоянии (в привычном для нас мире). В этом заключается парадокс, поэтому кот одновременно и жив, и мёртв, потому что имеет место прямая зависимость между состоянием кота (жив-мёртв) и суперпозицией квантовой частицы. А вовсе не потому, что мы не открыли коробку и не видим.
В данном эксперименте зависимость прямая, можно лишь попытаться представить какова непрямая зависимость нашего мира от состояний этих частиц. Ведь наш мир есть лишь частный случай их мира. И все объекты нашего макромира могут быть описаны волновыми функциями, хоть это и не так просто. Но в этом нет необходимости. Именно поэтому мы пользуемся классической механикой, которая вполне комфортно себя чувствуют на этом уровне. Но следует только перейти на уровень субатомных частиц, как мы увидим, что классическая Ньютоновская механика перестаёт работать.
Вернёмся к нашему эксперименту. Как гласит классическое толкование, то состояние кота определяется именно в тот момент, когда мы открываем коробку и смотрим, “а что же здесь произошло”. Иными словами наблюдатель, в момент наблюдения (оно же измерение) определяет какую же позицию “выбрала” частица. До этого момента кот находится в состоянии суперпозиции, то есть “жив-мёртв” одновременно.
Данный парадокс можно попробовать объяснить и другим способом. А что если определяющее позицию объекта наблюдение происходит не в тот момент, когда мы открываем коробку, а в момент, когда устройство внутри коробки измеряет состояние квантовой частицы. Помимо архитектуры (то самое из прошлого, что мы так усердно учили в школе) у фон Неймана имеется ещё и редукция. Редукция волновой функции предполагает мгновенное изменение описания квантового состояния, либо самого квантового состояния (объективная редукция) объекта (волновой функции), при его измерении.
Следовательно, жив кот или мёртв определяется не в момент, когда мы открываем коробку, а в момент, когда измеряющий прибор внутри механизма измеряет квантовую частицу. Из-за измерения частица определяет свою позицию в соответствии с вероятностью для каждого из возможных вариантов, и (всё же случайно) определяет состояние кота. Поэтому на момент, когда мы открываем коробку состояние кота уже определено, а пока коробка закрыта он вовсе не находится в состоянии суперпозиции. Измерение уже произошло, мы вмешались в замкнутую систему, и квантовая частица вышла из состояния суперпозиции. Всё стало определенно.
Неполнота квантовой механики вызывала много споров, и это породило прочие интерпретации и парадоксы подобные нашему, к примеру ЭПР-парадокс или многомировая интерпретация. Но об этом мы порассуждаем в другой раз, и кто знает куда снова заведут мысли. А на сегодня, полагаю, что информации вполне достаточно. И мне остаётся лишь пожелать мыслей в ночь и добрых снов.