Многие слышали про кота Шредингера, хотя бы по мемам. Но не все в курсе, что на самом деле это не милая история про ученого и его кота, а серьезный эксперимент, который повлиял на квантовую механику и науку в целом. В статье разбираемся, в чем суть этого опыта.
Несколько слов про самого Шредингера
Эрвин Шредингер (1887–1961) — ученый из Австрии и один из основоположников квантовой механики, которая описывает природу в масштабе ее самых мелких частиц — атомов.
Наибольший вклад в науку Шредингер внес благодаря работам по волновой механике и созданию уравнения Шредингера, которое помогает вычислять вероятность присутствия кванта в определенной точке. Эти труды легли в основу зарождающейся квантовой механики. В 1933 году Шредингер получил Нобелевскую премию по физике за свои открытия. Даже Альберт Эйнштейн высоко ценил ученого, которого называл настоящим гением.
Подобно другим великим людям, у Эрвина Шредингера были свои причуды — так считали окружающие. Например, он всегда путешествовал не с солидным дипломатом, а с обыкновенным туристическим рюкзаком. Из-за этого его часто не узнавали на научных мероприятиях, ведь он напоминал простого бродягу.
Кроме физики, Шредингер был знатоком гуманитарных наук. Он знал шесть иностранных языков: французский, испанский, английский, греческий, итальянский и даже латынь. Он переводил литературные произведения, сам писал стихи и издал собственный поэтический сборник.
Для чего нужен был эксперимент и при чем здесь кот
Один из законов квантовой механики гласит, что мельчайшие частицы чего-либо могут в одно и то же время присутствовать в разных местах, даже взаимоисключающих. Это явление называется суперпозицией.
Таким образом, невозможно знать наверняка, в каком месте или в каком состоянии сейчас находится квант. А чтобы это понять, нужно наблюдать за ним. По-научному данное явление звучит так: «Волновая функция испытывает состояние коллапса и квантовая система входит в конкретное положение, только когда приходит наблюдатель».
Данное утверждение называется парадоксом наблюдателя. Согласно ему, частица каким-то образом «знает», что за ней наблюдают, и меняет свое состояние в зависимости от этого. Парадокс наблюдателя считается одной из проблем квантовой механики.
Шредингер тоже считал парадокс наблюдателя не вполне верным утверждением. Поэтому решил экспериментально доказать, что состояние не зависит от наличия или отсутствия наблюдателя. Для этого ученому понадобился кот, который его и прославил. Но эксперимент был мысленным, так что реальное животное ничуть не пострадало
В чем суть эксперимента с котом
Как мы уже выяснили, эксперимент с котом был мысленным. То есть чисто физически Шредингер никаких манипуляций не проводил. Коротко опишем суть исследования.
- У нас есть стальной ящик с мощной звукоизоляцией. Внутри расположен счетчик Гейгера с радиоактивным атомом и емкостью с ядовитым газом. Сажаем в этот ящик кота.
- С вероятностью в 50% в течение часа ядро радиоактивного атома распадется, откроется резервуар с газом и кот погибнет. Но точно с такой же вероятностью в 50% механизм не сработает и кот останется жив.
- Закрываем ящик, ждем час и спрашиваем себя: кот жив или мертв?
Квантовая механика утверждает, что атомное ядро и вместе с ним кот одновременно находятся в суперпозиции, то есть во всех возможных состояниях в один и тот же момент. Пока ящик закрыт, система «кот—ядро» с вероятностью 50% пребывает в состоянии «ядро не распалось, кот жив» и с такой же вероятностью — в состоянии «ядро распалось, кот мертв». Если упростить это, можно сказать, что кот в ящике одновременно и живой, и мертвый.
Шредингер своим мысленным экспериментом хотел подчеркнуть неточность общепринятой концепции суперпозиции. Он утверждал, что раз она неверна по отношению к макроскопическому объекту (коту), то ее нельзя применять и к микроскопическому, такому как атом. По словам Шредингера, это противоречит здравому смыслу, поэтому нужно искать другие пути объяснения квантовой реальности.
Объяснения эксперимента
Свое исследование Шредингер опубликовал в статье «Современное состояние квантовой механики» в 1935 году. Публикация сразу вызвала огромный резонанс в научных кругах, ведь выводы ученого ставили под сомнение важнейшее понятие из квантовой физики — суперпозицию. Поэтому стали появляться разные интерпретации мысленного опыта.
Копенгагенская интерпретация
Это объяснение опыта Шредингера признано классическим. Согласно ему, кот одновременно пребывает в положении «жив и мертв» до того, как его состояние кто-то измерит.
Согласно копенгагенской интерпретации выходит, что макрообъект, например кот, не способен быть во множестве положений одновременно, а микрообъект (ядро атома) — вполне. Однако в данном случае непонятно, как и когда частица выбирает конкретное состояние.
Интерпретация Вигнера
Юджин Вигнер (1902–1995) дополнил опыт Шредингера и добавил туда других участников — людей. В процессе эксперимента они по одному узнают, что кот все-таки мертв. Но пока некоторые из людей остаются в неведении, кот живет в чьем-то сознании. Получается, до этого момента животное будет пребывать в суперпозиции.
Интерпретация Эверетта
Хью Эверетт (1930–1982) предложил объяснение, которое предполагает, что вселенная порождает все возможные исходы для квантовых систем. Это приводит к идее множества параллельных вселенных, откуда и происходит еще одно название этой интерпретации — «многомировая».
Согласно Эверетту, наблюдатель также оказывается в суперпозиции, одновременно воспринимая живого и мертвого кота. Таким образом, и кот, и наблюдатель существуют одновременно в двух параллельных мирах, которые похожи, но отличаются исходом эксперимента.
Как кот Шредингера повлиял на науку
Эксперимент Шредингера иллюстрирует основные принципы квантовой механики — суперпозицию, волновую функцию. Также кот Шредингера помогает понимать трудные термины и концепции из физики.
Механическая реализация эксперимента — это квантовый компьютер. Он работает с кубитами или квантовыми битами, которые имеют бесконечное количество состояний и могут выполнять огромное количество операций одновременно. Чтобы выяснить результаты вычислений квантового компьютера, нужно измерить состояние кубитов. При этом возникает коллапс суперпозиции, и в результате вычисления квантовых алгоритмов можно получить один ответ из множества возможных.
Еще кот Шредингера подходит для решения задач в сфере криптографии. С помощью принципа суперпозиции можно разработать системы защиты информации, которые не смогут взломать злоумышленники, — квантовые ключевые распределители или QKD.
Рассмотрим, как это работает.
- Сигнал передается по оптоволоконному кабелю и одновременно находится в двух состояниях.
- Когда мошенники подключаются к кабелю и делают отвод сигнала, чтобы украсть данные, волновая функция схлопывается. По копенгагенской интерпретации — происходит наблюдение.
- Свет переходит в одно состояние. На приемном конце кабеля проводятся статические пробы света, благодаря чему можно понять, находится ли свет в суперпозиции или уже произошло наблюдение и он передается в другой пункт.
Такая возможность позволяет создать средства связи, полностью защищенные от прослушивания или перехвата сигнала. Поэтому понимать суть эксперимента с котом Шредингера особенно важно тем, кто работает в сфере защиты данных. Например, специалистам по кибербезопасности.
Также результаты эксперимента Шредингера учебные пытаются внедрить в медицину. Например, чтобы создать системы диагностирования заболеваний, которые бы помогали врачам точнее ставить диагнозы и назначать лечение.
Другие статьи по теме
Кибербезопасность в России: как кризис меняет индустрию?
Защита персональных данных: кто виноват в утечках и как их избежать
