Необычный физик и его знаменитый эксперимент
Многие слышали о коте Шредингера, но мало кто знает, кем был сам Эрвин Шредингер. А ведь это удивительный человек! Нобелевский лауреат по физике, почётный профессор в университетах разных стран, он не только совершил революцию в науке, но и писал стихи, увлекался философией и биологией. Я недавно рассказывал своим друзьям про этот знаменитый парадокс, и оказалось, что многие думают, будто какой-то злой учёный действительно запер кота в ящике с ядом! Давайте же разберёмся, что на самом деле придумал Шредингер и почему его мысленный эксперимент до сих пор вызывает столько споров.
Гений-чудак: какими странностями славился Шредингер
Даже среди физиков, которые часто бывают немного странными, Шредингер выделялся своими чудачествами. Однажды его не хотели пускать в гостиницу, потому что в своей небрежной одежде он больше напоминал бродягу, чем знаменитого учёного. А на одной важной научной конференции вместо запланированного доклада о ядерной энергии он вдруг начал читать лекцию по философии! Представляете реакцию организаторов?
Когда я изучал биографию Шредингера для подготовки статьи, меня особенно поразило, что его знаменитый эксперимент с котом — это своего рода научный троллинг. Он никогда не мучил настоящих животных, всё происходило только в его воображении. Эксперимент был призван показать абсурдность некоторых интерпретаций квантовой механики, если их применять к обычным объектам.
Физика для чайников: что такое квантовая механика
Чтобы понять суть эксперимента, нужно немного разобраться в квантовой механике. Не пугайтесь, я объясню на простом примере. Представьте два пустых спичечных коробка. Если вы положите обычную спичку в один из них, то по законам нашего привычного мира спичка будет находиться только там. Это классическая физика Ньютона, с которой мы имеем дело каждый день.
Но если вместо спички взять электрон (крошечную частицу), всё становится странным. По законам квантовой физики электрон будет находиться в обоих коробках одновременно! Когда-то на уроке физики наш учитель объяснял это так: "Представьте, что вы одновременно и на уроке, и дома на диване. Для нас это невозможно, а для электрона — обычное дело".
Квантовые частицы существуют в так называемой суперпозиции — они могут находиться в нескольких состояниях или нескольких местах одновременно. Как будто параллельно проживают несколько жизней!
Зачем Шредингеру понадобился кот в коробке
Шредингер был не согласен с тем, как некоторые физики интерпретировали квантовую механику. Главный вопрос, который его волновал: где проходит граница между квантовым миром (где частицы могут быть в нескольких местах одновременно) и нашим обычным миром (где предметы находятся только в одном месте)?
Представьте себе такую ситуацию: я кладу телефон на стол и выхожу из комнаты. По-вашему, телефон просто лежит там, где я его оставил, верно? А вот некоторые интерпретации квантовой механики того времени как бы утверждали, что, пока никто не смотрит, телефон находится во всех возможных положениях одновременно! Шредингер своим мысленным экспериментом хотел показать, насколько абсурдной становится эта логика, если её применить к крупным объектам.
Кот Шредингера: как устроен знаменитый эксперимент
В 1935 году Шредингер описал свой мысленный эксперимент. Вот как он выглядит в упрощённом пересказе:
Представьте стальной ящик, в который помещают кота. Кроме кота там находится небольшое количество радиоактивного вещества, счётчик Гейгера и механизм со стеклянной ампулой ядовитого газа. Если в течение часа произойдёт распад хотя бы одного атома радиоактивного вещества (а вероятность этого составляет 50%), счётчик его зафиксирует, запустит механизм, который разобьёт ампулу, и кот погибнет. Если распада не произойдёт, кот останется жив.
Когда я рассказываю об этом эксперименте своим знакомым, многие спрашивают: "И что тут такого особенного?" А особенное вот что: по законам квантовой механики, пока ящик закрыт и никто не видит, что происходит внутри, радиоактивное вещество находится одновременно в двух состояниях — распавшемся и нераспавшемся. А значит, и кот должен находиться одновременно в двух состояниях — живом и мёртвом! И только когда мы открываем ящик и смотрим внутрь, система "решает", какое из состояний выбрать.
Наблюдатель меняет всё: истинный смысл парадокса
Ключевую роль в понимании парадокса играет так называемый "принцип наблюдателя". В квантовой механике считается, что частицы существуют в неопределённом состоянии (суперпозиции) до тех пор, пока мы не попытаемся их измерить или наблюдать. В момент наблюдения суперпозиция "схлопывается", и частица принимает конкретное состояние.
Однажды на вечеринке я попытался объяснить этот принцип другу: "Представь, что ты не можешь решить, какую футболку надеть — чёрную или белую. По квантовой логике, пока ты не посмотрел в шкаф, на тебе "надеты" обе футболки одновременно. И только когда ты открываешь шкаф, вселенная решает, какую футболку ты сегодня наденешь". Друг посмотрел на меня как на сумасшедшего, и именно такую реакцию хотел вызвать Шредингер у своих коллег-физиков!
Суть парадокса в том, что кот — это макрообъект, состоящий из триллионов атомов. Он не может подчиняться законам квантового мира. Кот совершенно точно либо жив, либо мёртв, независимо от того, смотрим мы на него или нет. Именно на это противоречие и хотел указать Шредингер.
Что имел в виду Шредингер своим экспериментом
Через этот мысленный эксперимент Шредингер хотел сказать своим коллегам: "Послушайте, если ваша интерпретация квантовой механики верна, то кот должен быть и живым, и мёртвым одновременно, пока мы не откроем ящик. Но это абсурд! Значит, что-то не так в нашем понимании перехода от квантового мира к обычному".
Парадоксально, но эксперимент, придуманный для критики определённой интерпретации квантовой механики, стал одним из самых известных её символов. Сейчас фраза "кот Шредингера" используется даже в повседневной речи, когда говорят о чём-то, находящемся в неопределённом состоянии.
Я часто замечаю, как люди употребляют это выражение, даже не зная его истинного смысла. Например, моя подруга недавно сказала о своих отношениях с парнем: "Мы как кот Шредингера — то ли вместе, то ли нет". И хотя физики могли бы поморщиться от такого применения научного термина, мне кажется, Шредингер был бы доволен, что его идея живёт в массовой культуре и заставляет людей задумываться о парадоксах нашего мира.