Выражение «Кот Шрёдингера» наверное можно встретить в современном мире повсеместно и везде. Правда зачастую это выражение понимают, как что – то загадочное и магическое, что совсем далеко от истины. Кот Шрёдингера это не магия от начала и до конца, и разбору этой непростой темы мы займёмся в этой статье.
Кот Шрёдингера появился не как научная концепция в первой половине двадцатого века, а как критика насчёт сложившейся тогда обстановке в квантовой механики в дневниках одного из отцов квантовой механики Эрвина Шрёдингера. Он хотел показать, что квантовая механика крайне контр интуитивна и её следствия почти невозможно применить в макромире.
Опишем этот непонятный с первого взгляда мысленный эксперимент, слегка видоизменив его.
У нас есть закрытый короб, в котором находится кот. В коробе кроме кота находится механизм, его устройство такое: есть атом с 50% распада в течение часа, ампула с ядом, «молоточек», который разобьёт ампулу, если атом распадётся.
Проходит час, мы стоим перед коробом, но не знаем распался ли атом или нет, следовательно кот с 50% жив и с 50% - мёртв.
Эта вероятность в квантовой механике называется суперпозицией, то есть микрочастицы до измерения способны иметь 2 прямо противоположные вероятности исхода. Но не стоит понимать суперпозицию, как сухую вероятность. До измерения квантовая система находится сразу во всех состояниях.
Попробуем понять кота Шрёдингера с другой стороны. Далее будет взята аналогия из книги Алексея Семихатова «100 недосказанности». Поменяем кота на волшебную карту, допустим, мы играем в «дурака». Козырные карты – буби. Ваша карта состоит из комбинации карт: 10 и 7 крести, это можно записать так:
«10 крести» + «7 крести»
Однако замечу деталь, это не математическая сумма, а комбинация возможностей. То есть нельзя записать "17 крести", это критическая ошибка.
Ваш противник кладёт карту 6 крести. Вы должны сделать ход своей волшебной картой. Вы защищаетесь, ваша карта приняла вид «10 крести». Но где же «7 крести»? собственно нигде, потому что она схлопнулась в одну из вероятностей. Сначала вероятность 10 и 7 крести были равны, те. Равны обе 50%, но когда мы сделали ход карта принимает определённый вид, исключая другой. Теперь вероятность равна 100% и 0%.
Такую комбинацию в физике называют волновой функцией(её обозначают ψ), проще говоря – это комбинация всех возможностей. Именно она определяет вероятности в эксперименте с котом. Волновая функция фигурирует и управляет большой частью квантового мира. Благодаря ей мы можем сказать, является ли свет частицей или волной, см статью ниже.
Теперь снова вернёмся к коту. Его волновая функция такая:
«атом распался → кот мёртв» + «атом не распался → кот жив»
Пока мы не посмотрим внутрь короба, волновая функция, описывающая кота для нас не схлопнется, потому что не будет испытывать взаимодействия, когда же мы посмотрим, то, следовательно, мы взаимодействуем с его функцией, вынуждаем её схлопнуться, правильнее – сколлапсировать, так говорит копенгагенская интерпритация. Но существует и много мировая интерпритация Эверетта, по ней волновой функции вообще не существует. Приняв её в опыте с котом, можно сказать так: от исходной вселенной выделяются две «боковых» и в каждой происходит свой исход. Возьмём вселенную №1 и № 2.
Вселенная №1. «атом распался → кот мёртв»
Вселенная №2. «атом не распался → кот жив»
И одна, и вторая вселенная равнозначны. Следовательно, никаких вероятностей не существует, а мы попали в ту вселенную, где случился тот или иной исход.
По «копенгагену» кот с равными вероятностями и жив, и мёртв. Но это не значит то, что кот живой мертвец. Нет, это совсем не так. Кот, если так можно сказать, знает своё состояние, следовательно для него волновая функция уже определена. Это можно сравнить с понятной для всех концепции:
Учитель, который составил тест ученикам, уже знает ответы на него, то есть ему уже не нужно проверять всё заново и прорешивать, а ученик, который делает тест не знает ответы сразу, он пишет тест. А на следующий день только узнает свою оценку.
Мы как раз – таки ученик, который сейчас не знает ответ, а узнает его только чуть позже, выражаясь языком квантовой механики, ваша оценка находится в неопределённом или запутанном состоянии, то есть его волновая функция не схлопнулась. Для нас «волновая функция теста» такая:
Ψ { «z – правильных ответов, х – неправильных → оценка 5» + «а – правильных ответов, с – неправильных → оценка 4» + «s- правильных ответов, f – неправильных → оценка 3» + «v – правильных ответов, j – неправильных → оценка 2» }
То есть мы можем составить только комбинацию возможных ответов, то есть вероятности, а учителю этого не нужно делать, потому что это не имеет смысла.
Когда мы узнаём один ответ, то сразу все другие ответы не имеют смысла в данной системе(сами представьте, если учитель поставил 5 и 2 в одном и том же тесте).
Собственно в этом и суть «копенгагена». Кот не имеет для нас никакого состояния до измерения, что весьма важно.
Снова вернёмся к побочному вопросу, куда же деваются остальные возможности? Да, это прозвучит странно, но никаких возможностей вообще не существует. И оценка 2 и оценка 5 абсолютно равнозначны по вероятностям, но ни той, ни другой не существует до того, как учитель их поставит. Учитель, зная ваши ответы, «схлопывает волновую функцию теста» на основе них.
В опыте кот – учитель, участник опыта – ученик, если пользоваться нашей формулировкой.
Подведём итоги.
Конечно, мы не сказали ещё много интересного, потому что статья растянулась бы и увеличилась в 2 – 3 раза. Ведь кот Шрёдингера это лишь вступительная октава в симфонии квантовой механики.
Кот Шрёдингера возник как парадокс, который сначала был понятен только видным учёным, но спустя столетие он стал темой, знакомой чуть ли не каждому, правда, ввиду не понимания многие придают ему какие - то волшебные и загадочные свойства, что далеко не так.
Кот находится в неопределённом состоянии только для нас, причём не важно человека или любого другого животного. Кот – это взаимоисключающие вероятности, равные друг другу процентно, но и вероятности не всегда важны в его описании, вспомним например «многомировку» .
Замечу кое – что, такой эксперимент с котом просто не возможен в макромире из-за того, что кот способен взаимодействовать со своим окружением.
Придётся здесь закончить, чтобы не увеличивать статью. Приношу извинения за то, что в некоторых местах для упрощения пришлось не совсем верно описать некоторые принципы квантовой механики. Но основной темой было развенчание мифов вокруг кота Шрёдингера.