Кот Шрёдингера (в оригинале — «кошка») — мысленный эксперимент, предложенный одним из создателей квантовой механики Эрвином Шрёдингером в 1935 году при обсуждении физического смысла волновой функции. В ходе эксперимента возникает суперпозиция живого и мёртвого кота, что выглядит абсурдно с точки зрения здравого смысла[1].
В статье[2] в журнале Naturwissenschaften[en], опубликованной 29 ноября 1935 года в ответ на работу Эйнштейна, Подольского и Розена, Шрёдингер обсуждает интерпретацию квантовой механики, в частности, физический смысл волновой функции.
Первым делом (в § 4) он отбрасывает возможность, что описание частицы при помощи волновой функции отражает лишь наше незнание точных значений динамических переменных (которые тем не менее реально существуют). Далее (в § 5) Шрёдингер спрашивает: тогда, может быть, переменные на самом деле «размазаны» в соответствии с волновой функцией частицы? Нет, отвечает он. Окружим радиоактивный атом экраном, чувствительным к электронам. Волновая функция вылетающего при распаде электрона — сферическая волна. Однако на самом деле электрон будет попадать в одну конкретную точку экрана (хотя каждый раз в разную), а не будет равномерно «размазан» по нему.
Можно привести и совсем безумные примеры такого рода, говорит Шрёдингер:
Посадим кошку в стальной сейф вместе с адской машиной (защищённой от кошки). В счётчик Гейгера положена крупинка радиоактивного вещества, столь малая, что за час может распасться один из атомов, но с такой же вероятностью может не распасться ни один. Если атом распадается, счётчик через реле приведёт в действие молоточек, который разобьёт колбу с синильной кислотой. Предоставив эту систему самой себе в течение часа, мы скажем, что кошка ещё жива, если за это время не распался ни один атом. Первый же распад привёл бы к отравлению кошки. ψ-функция всей системы выразила бы это тем, что живая и мёртвая кошка (с позволения сказать) смешаны или размазаны в одинаковых пропорциях[3].Оригинальный текст (нем.)показать
Но очевидно, кошка не может быть живой и мёртвой одновременно. Таким образом, заключает Шрёдингер, мы не можем считать, что реальность действительно «размазана» в соответствии с волновой функцией.
Этот эксперимент нравился Эйнштейну, который, как известно, никогда не принимал копенгагенскую интерпретацию квантовой механики. Он писал Шрёдингеру: «Как и прежде, так и теперь я убеждён, что волновое представление материи не есть полное представление положения вещей, хотя оно и оказалось практически полезным. Очень красиво это показывает твой пример с кошкой…»[3].
копенгагенской интерпретации система перестаёт быть смешением состояний и выбирает одно из них в тот момент, когда происходит наблюдение. Эксперимент с котом показывает, что в этой интерпретации природа этого самого наблюдения — измерения — определена недостаточно. Некоторые полагают, что опыт говорит о том, что до тех пор, пока ящик закрыт, система находится в обоих состояниях одновременно: в суперпозиции состояний «распавшееся ядро, мёртвый кот» и «нераспавшееся ядро, живой кот», а когда ящик открывают, то только тогда происходит коллапс волновой функции до одного из вариантов. Другие догадываются, что «наблюдение» происходит, когда частица из ядра попадает в детектор; однако (и это ключевой момент мысленного эксперимента) 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. Точное правило таково: случайность появляется в том месте, где в первый раз используется классическое приближение.
Таким образом, мы можем опираться на следующий подход: в макроскопических системах мы не наблюдаем квантовых явлений (кроме явления сверхтекучести и сверхпроводимости); поэтому, если мы накладываем макроскопическую волновую функцию на квантовое состояние, мы из опыта должны заключить, что суперпозиция разрушается. И хотя не совсем ясно, что́ значит, что нечто является «макроскопическим» вообще, про кота точно известно, что он является макроскопическим объектом. Таким образом, копенгагенская интерпретация "не считает", что до открытия ящика кот находится в состоянии смешения живого и мёртвого.
Парадокс Вигнера
Это усложнённый вариант эксперимента Шрёдингера. 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[4].
Однако большинство физиков считают, что неодушевлённые объекты могут вывести квантовые системы из суперпозиции с помощью декогеренции. Можно сказать, что функция схлопывается объективно: независимо от того, есть ли вообще наблюдатели и их «друзья»[5].