В 1927 году квантовый мир бросил вызов классической логике. Волны и частицы, суперпозиция и коллапс — от этих вопросов «закипали» головы лучших физиков XX века. От простого опыта с электронами до кота, который одновременно жив и мёртв: квантовая физика умеет удивлять и ставить под сомнение привычное понимание реальности.
Тема Фестиваля НАУКА 0+ в этом году – «Твоя квантовая вселенная». Она отражает инициативу ООН, провозгласившей 2025-й год Международным годом квантовой науки и технологий. В рубрике #КванТЫ мы погружаем вас в квантовый мир!
Приходите на Фестиваль в Москве 10-12 октября — там мы разберём парадоксы ещё глубже!
В 1927 году Джордж Томсон и Клинтон Дэвиссон провели эксперименты с электронами. Они обстреливали кристалл никеля, и на экране появлялась дифракционная картина — полосы, характерные для волн. Даже если электроны запускали по одному, результат был тем же: подтверждение волновой природы частиц.
Идеализированный вариант эксперимента — перегородка с двумя щелями. Волны света, проходя через щели, интерферируют, усиливая или гася друг друга. Электроны ведут себя так же: они словно проходят через обе щели одновременно и создают полосатую картину областей, куда прилетают с высокой и низкой вероятностью. Возникает загадка: каждый электрон должен лететь как частица, но результат выглядит так, как будто он – волна вероятности.
Согласно квантовой механике, поведение электрона описывает волновая функция. Она как бы «размазана» в пространстве, проходит через обе щели и интерферирует сама с собой. Но на детекторе мы всегда видим частицу в одной точке. Возникает вопрос: что же существует до измерения — частица или волна?
В октябре 1927 года на V Сольвеевском конгрессе в Брюсселе собрались лучшие физики мира — Бор, Эйнштейн, Гейзенберг и другие. Здесь разгорелись жаркие споры о смысле квантовой механики. Бор предложил «копенгагенскую интерпретацию»: волновая функция — это инструмент предсказания, а говорить о существовании чего-либо имеет смысл только после измерения.
Но что считать измерением? Если прибор сделан из атомов, а атомы тоже квантовые, где провести границу? А если нужен наблюдатель с сознанием, то выходит, что люди превращают волны в частицы силой мысли. Эти вопросы породили знаменитую проблему квантового измерения.
Пытаясь наиболее наглядно продемонстрировать проблему, Шрёдингер придумал свой знаменитый мысленный эксперимент: кот в коробке связан с распадом атома и ампулой с ядом. При распаде атома счетчик срабатывает, молоток разбивает ампулу — и кот умирает.
Но атом — квантовый объект, поэтому, пока коробка закрыта, он без измерения не распадается, а переходит в суперпозицию состояний «распался» и «не распался». Должен ли тогда счетчик сработать и не сработать, молоток ударить и не ударить, ампула разбиться и не разбиться, а кот стать живым и мертвым одновременно?
Если считать, что квантовые свойства всей системы исчезают в момент открывания коробки экспериментатором, то да, должны.
Но именно абсурдность существования одновременно живого и мертвого кота была для Шредингера главным аргументом, указывающим на то, что исчезновение квантовых свойств не должно зависеть от присутствия наблюдателя.
Как именно квантовые системы становятся неквантовыми, Шредингер не знал. Но не знал он и того, что впервые описанный Эйнштейном в том же году, когда был придуман кот, феномен запутывания станет первым шагом на пути к ответу.
Еще больше котов, квантов и трудов ученых – на Фестивале НАУКА 0+. Ждем вас в Москве 10-12 октября: https://festivalnauki.ru/