Эрвин Шредингер был одной из ключевых фигур в квантовой физике, даже до его знаменитого мысленного эксперимента "Кот Шредингера". Он создал квантовую волновую функцию, которая теперь была определяющим уравнением движения во Вселенной, но проблема в том, что она выражала все движение в виде ряда вероятностей - что идет в прямое противоречие с тем, как большинство ученых того времени (и, возможно, даже сегодня) хотели бы верить в то, как работает физическая реальность.
Одним из таких ученых был сам Шредингер, который придумал концепцию кота Шредингера, чтобы проиллюстрировать проблемы квантовой физики. Давайте рассмотрим эти проблемы и посмотрим, как Шредингер пытался проиллюстрировать их с помощью аналогии.
Квантовая неопределенность
Квантовая волновая функция представляет все физические величины в виде серии квантовых состояний вместе с вероятностью того, что система находится в данном состоянии. Рассмотрим один радиоактивный атом с периодом полураспада в один час.
Согласно волновой функции квантовой физики, через час радиоактивный атом будет находиться в состоянии, когда он одновременно распадается и не распадается. Как только будет произведено измерение атома, волновая функция распадется в одно состояние, но до тех пор она будет оставаться суперпозицией двух квантовых состояний.
Это ключевой аспект копенгагенской интерпретации квантовой физики - дело не только в том, что ученый не знает, в каком состоянии он находится, а скорее в том, что физическая реальность не определена до тех пор, пока не произойдет акт измерения. Каким-то неведомым образом сам акт наблюдения закрепляет ситуацию в том или ином состоянии. Пока это наблюдение не произошло, физическая реальность разделена между всеми возможностями.
К кошке
Шредингер расширил эту идею, предложив поместить гипотетическую кошку в гипотетическую коробку. В коробку с кошкой мы поместим пузырек с ядовитым газом, который мгновенно убьет кошку. Пузырек подсоединяется к аппарату, который подключается к счетчику Гейгера - устройству, используемому для обнаружения радиации. Вышеупомянутый радиоактивный атом помещают рядом со счетчиком Гейгера и оставляют там ровно на один час.
Если атом распадется, то счетчик Гейгера зафиксирует излучение, разобьет пробирку и убьет кошку. Если атом не распадется, то пробирка останется целой, а кошка - живой.
По истечении часа атом находится в состоянии, когда он и распался, и не распался. Однако, учитывая то, как мы построили ситуацию, это означает, что пузырек одновременно разбит и не разбит, и, в конечном счете, согласно копенгагенской интерпретации квантовой физики, кот одновременно мертв и жив.
Интерпретации кота Шредингера
Стивен Хокинг известен тем, что сказал: "Когда я слышу о коте Шредингера, я достаю пистолет". Это отражает мысли многих физиков, потому что в этом мысленном эксперименте есть несколько аспектов, которые вызывают вопросы. Самая большая проблема с аналогией заключается в том, что квантовая физика обычно работает только в микроскопическом масштабе атомов и субатомных частиц, а не в макроскопическом масштабе кошек и флаконов с ядом.
Копенгагенская интерпретация утверждает, что акт измерения чего-либо приводит к коллапсу квантовой волновой функции. В данной аналогии, действительно, акт измерения происходит с помощью счетчика Гейгера. Существует множество взаимодействий в цепи событий - невозможно изолировать кошку или отдельные части системы так, чтобы она была действительно квантово-механической по своей природе.
К тому времени, когда кошка сама входит в уравнение, измерение уже произведено... тысячи раз измерения были произведены атомами счетчика Гейгера, аппаратом для разбивания пузырьков, пузырьком, ядовитым газом и самой кошкой. Даже атомы коробки производят "измерения", если учесть, что если кошка упадет замертво, она вступит в контакт с другими атомами, чем если бы она беспокойно вышагивала вокруг коробки.
Открывает ли ученый коробку или нет, не имеет значения, кошка либо жива, либо мертва, а не является суперпозицией двух состояний.
Тем не менее, при некоторых строгих взглядах на копенгагенскую интерпретацию требуется наблюдение сознательного субъекта. Эта строгая форма интерпретации в целом является меньшинством среди физиков сегодня, хотя остаются некоторые интригующие аргументы в пользу того, что коллапс квантовых волновых функций может быть связан с сознанием. (Для более подробного обсуждения роли сознания в квантовой физике я предлагаю книгу "Квантовая загадка: Физика сталкивается с сознанием" Брюса Розенблюма и Фреда Каттнера).
Еще одна интерпретация - это интерпретация многих миров (MWI) квантовой физики, которая предполагает, что ситуация на самом деле разветвляется на множество миров. В некоторых из этих миров кошка будет мертва после открытия коробки, в других - жива. Хотя интерпретация многих миров увлекательна для публики и, конечно же, для авторов научной фантастики, она также является мнением меньшинства среди физиков, хотя нет никаких конкретных доказательств за или против нее.
#физика #кот шрёдингера #квантовая физика
