Что такое кот шредингера, шредингер кот, все о коте шредингера, парадокс кота шредингера, опыт шредингера с котом, кот в коробке, ни живой ни мертвый кот, жив ли кот шредингера, эксперимент с котом
Это кот, который и жив и мёртв одновременно. Таким неблагополучным состоянием он обязан Нобелевскому лауреату по физике, австрийскому учёному Эрвину Рудольфу Йозефу Александру Шрёдингеру.
Разделы:
Суть эксперимента / парадокса
Кот находится в закрытом ящике, где имеется механизм, содержащий радиоактивное ядро и ёмкость с ядовитым газом. Характеристики опыта подобраны так, что возможность того, что ядро распадётся за 1 час, составляет 50%. Если ядро распадается, оно приводит механизм в действие, открывается ёмкость с газом, и кот погибает. Согласно квантовой механике, если над ядром не делается наблюдения, то его состояние описывается суперпозицией (смешением) двух состояний - распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике, и жив, и мёртв сразу.
Стоит открыть ящик - и экспериментатор должен увидеть только какое-нибудь одно состояние - «ядро распалось, кот мёртв» либо «ядро не распалось, кот жив». Но пока в процессе нет наблюдателя, злополучная зверушка остаётся «мёртвоживой».
Маргинали
- Беда не приходит одна
Под сомнением не только здоровье хвостатого обитателя ящика, но и его гендерная принадлежность: в оригинале эксперимента кот Шрёдингера был таки кошкой (die Katze). - «Мёртвоживых» котов нет
Важно помнить, что опыт Шрёдингера не призван доказать существование «мёртвоживых» котов (и, вопреки высказыванию во второй части игры «Portal», не был придуман как оправдание для убийства котов). Очевидно, что кот обязательно должен быть или живым, или мёртвым, поскольку промежуточного состояния не существует.
Опыт показывает, что квантовая механика не способна описать поведение макросистем (к каковым относится кот): она неполна без неких правил, которые указывают, когда система выбирает одно конкретное состояние, при каких условиях происходит коллапс волновой функции и кот или остаётся живым, или становится мёртвым, но перестаёт быть смешением того и другого.
Автор полагает, что решающее слово следовало бы оставить за котом, который, пусть и не смысля ни бельмеса в квантовой механике, уж точно лучше всех осведомлён о своём состоянии. Однако его компетентность как наблюдателя, очевидно, вызывает у учёных сомнения. Исключение представляют Ганс Моравек, Бруно Маршал и Макс Тегмарк, предложившие модификацию шрёдингерского эксперимента, известную как «квантовое самоубийство» , и представлющую собой эксперимент с котом с точки зрения кота. Учёные преследовали цель показать разницу между копенгагенской и многомировой интерпретациями квантовой механики. В случае, если многомировая интерпретация верна, кот, к радости сочувствующих, становится Цоем всегда остаётся жив, поскольку наблюдать результат эксперимента участник способен лишь в том мире, в котором выживает.
- Надав Кац из Калифорнийского университета и его коллеги опубликовали результаты лабораторного опыта, в котором им удалось «вернуть» квантовое состояние частицы обратно, причём после измерения этого состояния. Таким образом, можно сохранить жизнь коту вне зависимости от условий коллапса волновой функции. Неважно, жив он, или мёртв: всегда можно отыграть обратно [ссылка] .
- 03.06.2011г. РИА «Новости» сообщило, что китайские физики смогли создать восьмифотонного «кота Шрёдингера» [ссылка] , что должно способствовать разработке будущих квантовых компьютеров
Образ в культуре
Пожалуй, никто не сделал больше для популяризации квантовой механики, чем бедолага-кот. Даже самые далёкие от этой сложной области знания люди, взволнованные судьбой вероятно страдающей зверушки, пытаются разобраться в тонкостях эксперимента, надеясь, что не всё так плохо. Кот вдохновляет деятелей искусства и массовой культуры.
Упомянем же основные его заслуги:
- Боже мой, похоже я сбил кота!
- Он умер?
- Не могу сказать точно. Шрёдингер ходил по комнате в поисках нагадившего котёнка, а тот сидел в коробке ни жив ни мертв. Разное: Коту Шрёдингера уделяют внимание художники, пытаясь средствами живописи и графики передать неоднозначность его положения. Также изображения этой зверушки можно увидеть на футболках и на кружках . Террористов, о которых точно не известно, живы они или убиты, иногда называют «террористами Шрёдингера». Из известных личностей в таком состоянии пребывали, к примеру, Ясир Арафат, когда находился в состоянии комы перед смертью, а также Осама Бен Ладен. Согласно Абсурдопедии, кот в мешке - это упрощенная версия эксперимента с котом Шрёдингера [ссылка] . Стивен Хокинг перефразировал ставшую крылатой фразу Ганса Йоста «Когда я слышу о культуре, я хватаюсь за пистолет» так: «Когда я слышу про кота Шрёдингера, моя рука тянется за ружьём!». Объясняестя это тем, что, как и многие другие физики, Хокинг придерживается мнения, что «Копенгагенская школа» интерпретации квантовой механики подчёркивает роль наблюдателя безосновательно. В связи с открытием кафедры теологии МИФИ в сети получила распространение такая картинка:
Кот Шрёдингера – самый загадочный из всех котиков, котов, кошек, котеек, которых так обожает человечество. Вирусные видео «с котиками» разлетаются по Всемирной паутине с миллионами ежедневных просмотров, а изображения милых котят на рекламных билбордах способны заставить нас купить любой товар. На поприще популяризации науки тоже есть свои усатые-полосатые герои. Точнее, один - кот Шрёдингера. Наверняка вы о нем слышали, даже если не занимаетесь вопросами квантовой механики. Так почему почти сотню лет знаменитый кот не дает покоя физикам и лирикам, а также становится одним из наиболее любопытных объектов современной массовой культуры?
Кот Шрёдингера как метафора
Как это парадоксально ни звучит, но австрийский физик-теоретик и обладатель Нобелевской премии Эрвин Шрёдингер является «отцом» самого таинственного кота, а не хозяином. Ведь кот Шрёдингера - это мысленный эксперимент, теоретический парадокс и действительно потрясающая метафора для описания квантовой суперпозиции.
А был ли котик?
Вопрос «А был ли у Шрёдингера кот?» до сих пор остается открытым. Хотя, если верить ряду источников, в одном из ранних изданий Physics Today есть фотография ученого с его домашним котом Мильтоном. С другой стороны, в оригинальном тексте статьи 1935 г., где Эрвин Шрёдингер описал свой гипотетический эксперимент, и вовсе значится не кот, а кошка (die Katze). Почему главным персонажем своей концепции физик выбрал именно представителя кошачьих? Как же кошка превратилась в кота? Этим вопросам, похоже, суждено остаться риторическими.
Кот Шрёдингера мертв с вероятностью 50%
Designua / shutterstock.comОднако если источником вдохновения для исследователя все-таки послужил его личный питомец, то, видимо, поводом к этому стала разбитая котом ваза или испорченные обои. Потому как главное, что кот Шрёдингера делает в ходе эксперимента, так это находится запертым в стальном ящике и… умирает. Правда, с вероятностью в 50%. А точнее, кроме бедного животного внутрь бокса помещен специальный механизм, содержащий радиоактивное ядро и емкость с ядовитым газом. Если ядро распадается, то механизм срабатывает, и от выпущенного газа кот погибает. Если не срабатывает - живет. Но узнать его судьбу может только наблюдатель, открывший ящик. До тех пор кот одновременно жив и мертв.
Без кота квантовая механика не та
Вся эта парадоксальная на первый взгляд ситуация наглядно иллюстрирует одно из положений квантовой механики. Согласно ему, атомное ядро находится одновременно во всех возможных состояниях: распада и не распада. Если над атомом не производится наблюдение, то его состояние описывается смешением этих двух характеристик. Поэтому кот, читай - ядро атома, и жив, и мертв. А это попросту невозможно. Значит, квантовой механике недостает некоторых правил, определяющих условия, при которых судьба кота однозначно ясна.
Кот Шрёдингра: разновидности
Не удивительно, что смысл происходящего с мифическим котом в стальной коробке имеет несколько интерпретаций.
- копенгагенская разновидность
Есть копенгагенская интерпретация квантовой механики, авторами которой являются Нильс Бор и Вернер Гейзенберг. Согласно ей, кот остается и в том, и в другом состоянии вне зависимости от наблюдателя. Ведь решающий момент происходит не тогда, когда открывается ящик, а когда срабатывает механизм. То есть условно животное уже давно погибло от газа, а ящик все еще заперт. Иными словами, в копенгагенской интерпретации нет никакого «мертвого-живого» состояния, потому как оно определяется детектором, реагирующим на распад ядра.
- разновидность Эверетта
Существует также многомировое толкование, или интерпретация Эверетта. Она трактует опыт с котом Шрёдингера как два отдельно существующих мира, расщепление на которые происходит в тот момент, когда открывается ящик. В одной вселенной кот жив-здоров, в другой он не пережил эксперимент.
- «квантовое самоубийство»
Так или иначе поочередно бедного кота Шрёдингера «перемучало» немало ученых-физиков. Одни, например, предлагали рассматривать ситуацию с котом с точки зрения самого животного - ведь он-то лучше всех физиков мира знает, мертв он или жив. Действительно, не поспоришь. Этот подход получил название «квантового самоубийства» и гипотетически позволяет проверить, какая из указанных интерпретаций верна.
Каждый может вывести свою разновидность
Если посмотреть на современную физическую науку, то можно с уверенностью сказать, что на страницах исследований многострадальный котик Шрёдингера живее всех живых. Периодически ученые предлагают свои решения этого известного парадокса, а также развивают концепцию в рамках весьма интересных разработок.
- «вторая коробка»
Например, в прошлом году исследователи из Йельского университета «дали» коту Шрёдингера вторую коробку для его смертельных пряток. На основе этого подхода ученые попробовали смоделировать систему, необходимую для работы квантового компьютера. Ведь, как известно, одна из главных сложностей в создании этого вида машины заключается в необходимости корректировать ошибки. И, как оказалось, привлечение котиков Шрёдингера - перспективный способ управления избыточной квантовой информацией.
- «микрокошка»
А буквально пару недель назад международной команде ученых, возглавляемой российскими специалистами в области квантовой оптики, удалось «развести» микроскопических шрёдингеровских кошек для того, чтобы продвинуться в поисках границы между квантовым и классическим мирами. Так кот Шрёдингера помогает физикам развивать квантовые технологии коммуникации и криптографии.
Кот Шрёдингера – звезда поп-культуры
Africa Studio / shutterstock.com
Если из своей злополучной коробки кот никак не может сбежать, то выбраться за пределы научных концепций и страниц исследований ему удалось. Да еще как!
Персонаж загадочного кота с нелегкой судьбой с завидным постоянством появляется в произведениях массовой культуры. Так, кот Шрёдингера фигурирует в книгах Терри Пратчетта, Фредрика Пола, Дугласа Адамса и других всемирно известных писателей. Конечно же, не обошлось без упоминания кота в популярных телепроектах, таких как «Теория большого взрыва» и «Доктор Кто». Не говоря о том, что образ кота Шрёдингера постоянно встречается в видеоиграх и текстах песен. А интернет-портал ThinkGeek уже заработал целое состояние на продаже футболок, где на одной стороне помещена надпись: «Кот Шрёдингера жив», а на другой - «Кот Шрёдингера мертв».
У котов получается лучше
Согласитесь, можно наблюдать удивительную вещь: самый известный научный кот - это всего лишь визуализированная модель для проверки гипотезы. Однако участие в ней хвостатого любимца придало эксперименту значительную долю поэтичности и шарма. А может быть, просто дело в том, что котики все делают лучше? Вполне возможно.
И помните: в результате эксперимента Шрёдингера ни один котик не пострадал.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
Несмотря на то, что планетарная модель атома доказала свою состоятельность, существующая на тот момент теория не могла в полном объеме объяснить все процессы , которые наблюдались в реальной жизни. Оказалось, что в действительности, на микроуровне почему-то не работает классическая ньютоновская механика. Т.е. прототип модели, позаимствованный из реальной жизни, не соответствует наблюдениям ученых того времени в случае рассмотрения атома вместо нашей солнечной системы.
На основании этого концепция была существенно переработана. Появилась такая дисциплина, как квантовая механика . У истоков этого направления стоял выдающийся физик Эрвин Шредингер.
Понятие суперпозиции
Главным принципом, который отличает новую теорию, является принцип суперпозиции . Согласно этому принципу, квант (электрон, фотон или протон) может находиться в двух состояниях одновременно. Если упростить понимание этой формулировки, то получится факт, который совершенно невозможно представить в нашем сознании. Квант может находиться одновременно в двух местах.
На момент появления, эта теория противоречила не только классической механике, но и здравому смыслу. Даже сейчас, образованный человек, далекий от физики, с трудом может представить себе такую ситуацию. Ведь данное понимание, в конечном счёте, подразумевает, что и самчитатель может находиться сейчас и тут, и там . Именно так человек пытается представить переход от макромира к микромиру.
Человеку, который привык испытывать на себе действие ньютоновской механики и воспринимать себя в одной точке пространства, крайне сложно было представить нахождение сразу в двух местах. Кроме того, как таковой теории и закономерностей при переходе от макро к микро не было . Не было понимания конкретных численных значений и правил.
Однако, приборы того времени позволяли уже четко фиксировать этот «квантовый диссонанс» . Лабораторные приборы подтвердили, что сформулированные постулаты действительно состоятельны и квант способен находиться в двух состояниях. Например, был зафиксирован электронный газ вокруг ядра атома.
Основываясь на этом, Шредингер сформулировал известную концепцию, которая сейчас известна как теория о коте . Целью этой формулировки было показать, что в классической теории физики образовался огромный провал, требующий дополнительного изучения.
Кот Шредингера
Мысленный эксперимент о коте заключался в том, что кота помещали в закрытый стальной ящик . Ящик был оснащен устройством с ядовитым газом и приспособлением с ядром атома .
Исходя из известных постулатов, ядро атома может распасться на составляющие в течение одного часа, но может и не распасться . Соответственно, вероятность данного события составляет 50%.
Если ядро распадается, то срабатывает счётчик-регистратор, и в ответ на данное событие происходит высвобождение ядовитого вещества из описанного ранее приспособления, которым снабжен ящик. Т.е. кот погибает от яда. Если же этого не произойдет, кот не погибает соответственно. Исходя из вероятности распада 50%, вероятность того, что кот выживает – 50%.
Исходя и квантовой теории, атом может находиться в двух состояниях сразу. Т.е. атом и распался, и не распался. Значит регистратор и сработал, разбив емкость с ядом, и не распался. Кот отравился ядом, и кот не отравился ядом одновременно.
Но представить себе такую картину, что открыв ящик, исследователь обнаружил сразу мёртвого и живого кота, просто невозможно. Кот или жив, или мёртв. В этом парадокс ситуации. Сознанию зрителя невозможно представить себе мертво-живого кота.
Парадокс заключается в том, что кот является объектом макромира . Соответственно, говорить про него, что он жив и мёртв, т.е. находится в двух состояниях сразу аналогично кванту, будет не совсем правильным.
Используя данный пример, Шредингер сконцентрировался именно на факте отсутствия четких параллелей между макро- и микромирами . Последующие комментарии, которые дали специалисты, поясняют, что рассматривать следует систему детектор излучения – кот, а не кот-зритель. В системе детектор-кот вероятно лишь одно событие.
Самый известный парадокс квантовой механики связан с именем австрийского физика Эрвина Шредингера.
Это мысленный эксперимент, который проводят над воображаемым котом, помещенным в закрытый ящик. В ящике есть емкость с ядовитым газом, которая открывается и убивает кота после распада радиоактивного ядра. Вероятность того, что ядро распадется в течение 1 часа, составляет 1/2.
Квантовая механика утверждает, что если над ядром не производится наблюдение, то его состояние является смешением двух вероятных исходов. То есть кот, сидящий в ящике, и жив, и мертв одновременно, пока экспериментатор не открыл ящик и не увидел, что на самом деле случилось .
Существует усложненный вариант эксперимента, предложенный Вигнером. Если экспериментатор открывает коробку и видит живого кота, в лаборатории кот признан живым. Но предположим, что у экспериментатора есть друг за пределами лаборатории. Он признает кота живым только тогда, когда экспериментатор сообщит ему об этом. Но все остальные друзья еще не признали кота живым, до тех пор, пока им не сообщили результат. То есть до того момента, пока все люди во Вселенной не узнали ход эксперимента, кот остается живым и мертвым одновременно .
Сформировались две основные интерпретации квантовой механики, по-разному объясняющие эксперимент Шредингера
В копенгагенской интерпретации система выбирает одно из двух возможных состояний в тот момент, когда происходит наблюдение.
Эксперимент с котом показывает, что природа самого наблюдения определена недостаточно: оно происходит в момент открытия ящика или в момент распада частицы? В любом случае, до открытия ящика кот вовсе не находится в состоянии смешения живого и мертвого, потому что на макроскопические объекты не распространяются законы микромира.
Приверженцы многомировой интерпретации не считают процесс измерения чем-то особенным: допускается, что существуют оба состояния кота. Но в момент, когда наблюдатель открывает ящик, возникают два состояния наблюдателя, которые никак не взаимодействуют друг с другом. То есть Вселенная расщепляется на две другие вселенные, в одной из которых наблюдатель видит мертвого кота, а в другой – живого.
Эта интерпретация кажется фантастической, хотя многие ученые признают ее право на существование наравне с копенгагенской.
Многомировая теория послужила вдохновением для создателей фильмов «Престиж» (2006), «Исходный код» (2011), и в то же время на ней основаны некоторые идеи квантовой криптографии.
Энциклопедичный YouTube
-
1 / 5
Фактически Хокинг и многие другие физики придерживаются мнения, что «Копенгагенская школа» интерпретации квантовой механики подчёркивает роль наблюдателя безосновательно. Окончательного единства среди физиков по этому вопросу всё ещё не достигнуто.
Распараллеливание миров в каждый момент времени соответствует подлинному недетерминированному автомату в отличие от вероятностного, когда на каждом шаге выбирается один из возможных путей в зависимости от их вероятности.
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 .
Практическое применение
Вышеописанное применяется на практике: в квантовых вычислениях и в квантовой криптографии . По волоконно-оптическому кабелю пересылается световой сигнал, находящийся в суперпозиции двух состояний. Если злоумышленники подключатся к кабелю где-то посередине и сделают там отвод сигнала, чтобы подслушивать передаваемую информацию, то это схлопнет волновую функцию (с точки зрения копенгагенской интерпретации будет произведено наблюдение) и свет перейдёт в одно из состояний. Проведя статистические пробы света на приёмном конце кабеля, можно будет обнаружить, находится ли свет в суперпозиции состояний или над ним уже произведено наблюдение и передача в другой пункт. Это делает возможным создание средств связи, которые исключают незаметный перехват сигнала и подслушивание.
Эксперимент (который в принципе может быть выполнен, хотя работающие системы квантовой криптографии, способные передавать большие объёмы информации, ещё не созданы) также показывает, что «наблюдение» в копенгагенской интерпретации не имеет отношения к сознанию наблюдателя, поскольку в данном случае к изменению статистики на конце кабеля приводит совершенно неодушевлённое ответвление провода.