Эрвин шредингер кот: Эрвин Шрёдингер, Квантовый кот вселенной – читать онлайн полностью – ЛитРес

Читать книгу «Квантовый кот вселенной» онлайн полностью📖 — Эрвина Шредингера — MyBook.

Предисловие

Один из самых знаменитых физиков ХХ века Эрвин Рудольф Йозеф Александр Шредингер (нем. Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger) родился 12 августа 1887 года в Вене и умер там же 4 января 1961 года. При этом Шредингер отнюдь не был домоседом, его жизнь годами была кочевой и беспокойной. Он работал в Цюрихе, Штутгарте, Берлине, Оксфорде и Дублине. Покинув Вену вскоре после окончания Первой мировой войны, Шредингер вернулся в родной город только в 1956 году, в зените славы.

Шредингер был одним из создателей квантовой механики. Он получил Нобелевскую премию по физике в 1933 году. Был членом ряда академий наук мира, в том числе Академии наук СССР (1934).

Шредингеру принадлежит ряд фундаментальных достижений в области квантовой теории, которые легли в основу волновой механики: он сформулировал волновые уравнения (стационарное и зависящее от времени уравнения Шредингера), показал тождественность развитого им формализма и матричной механики, разработал волновомеханическую теорию возмущений. Шредингер предложил оригинальную трактовку физического смысла волновой функции. Кроме того, он является автором множества работ в различных областях физики: статистической механике и термодинамике, физике диэлектриков, теории цвета, электродинамике, общей теории относительности и космологии; он предпринял несколько попыток построения единой теории поля.

Причем научные интересы Шредингера не ограничивались только физикой. В книге «Что такое жизнь?», представленной в нашем издании, Шредингер обратился к проблемам генетики, взглянув на феномен жизни с точки зрения физики. Также он уделял большое внимание философским аспектам науки, античным и восточным философским концепциям, вопросам этики и религии.

Книга «Что такое жизнь?» (1944) основана на лекциях, которые были прочитаны в дублинском Тринити-колледже в феврале 1943 года. Эти лекции и книга были созданы под впечатлением от статьи Николая Тимофеева-Ресовского, Карла Циммера и Макса Дельбрюка, опубликованной в 1935 году и переданной Шредингеру Паулем Эвальдом в начале 1940-х годов. Статья посвящена изучению генетических мутаций, которые возникают под действием рентгеновского и гамма-излучений и для объяснения которых авторами была развита теория мишеней. Хотя в то время еще не была известна природа генов наследственности, взгляд на проблему мутагенеза с точки зрения атомной физики позволил выявить некоторые общие закономерности этого процесса. Работа Тимофеева – Циммера – Дельбрюка была положена Шредингером в основу его книги, которая привлекла широкое внимание молодых физиков. Некоторые из них под ее влиянием решили заняться молекулярной биологией.

Также Шредингер интересовался философией. Однако только после приезда в Дублин он смог уделить философским вопросам достаточно внимания. Из-под его пера вышел ряд работ не только по философским проблемам науки, но и общефилософского характера – «Наука и гуманизм» (1952), «Природа и греки» (1954), «Разум и материя» (1958) и «Мой взгляд на мир», сочинение, законченное им незадолго до смерти «Мой взгляд на мир» представлен в данном издании. Особое внимание Шредингер уделял античной философии, которая привлекала его своим единством и тем значением, которое она могла сыграть для решения проблем современности. Также Шредингер обращался к наследию индийской и китайской философии. Он хотел с единых позиций взглянуть на науку и религию, человеческое общество и проблемы этики; проблема единства представляла один из основных мотивов его философского творчества. В работах, которые можно отнести к философии науки, он указывал на тесную связь науки с развитием общества и культуры в целом, обсуждал проблемы теории познания, участвовал в дискуссиях по проблеме причинности и модификации этого понятия в свете новой физики. В своих работах Шредингер последовательно отстаивал возможность объективного изучения природы.

Но больше всего Шредингер прославился своим мысленным экспериментом, получившим имя ученого – «Кот Шредингера». В статье Шредингера «Текущая ситуация в квантовой механике» (1935) эксперимент описан так:

«Можно построить и случаи, в которых довольно бурлеска. Некий кот заперт в стальной камере вместе со следующей адской машиной (которая должна быть защищена от прямого вмешательства кота): внутри счетчика Гейгера находится крохотное количество радиоактивного вещества, столь небольшое, что в течение часа может распасться только один атом, но с такой же вероятностью может и не распасться; если же это случится, считывающая трубка разряжается и срабатывает реле, спускающее молот, который разбивает колбочку с синильной кислотой. Если на час предоставить всю эту систему самой себе, то можно сказать, что кот будет жив по истечении этого времени, коль скоро распада атома не произойдет. Первый же распад атома отравил бы кота. Пси-функция системы в целом будет выражать это, смешивая в себе или размазывая живого и мертвого кота (простите за выражение) в равных долях.

Типичным в подобных случаях является то, что неопределенность, первоначально ограниченная атомным миром, преобразуется в макроскопическую неопределенность, которая может быть устранена путем прямого наблюдения. Это мешает нам наивно принять “модель размытия” как отражающую действительность. Само по себе это не означает ничего неясного или противоречивого. Есть разница между нечетким или расфокусированным фото и снимком облаков или тумана».

Согласно квантовой механике, если над ядром не производится наблюдение, то его состояние описывается суперпозицией (смешением) двух состояний – распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике, и жив, и мертв одновременно. Если же ящик открыть, то экспериментатор может увидеть только какое-нибудь одно конкретное состояние – «ядро распалось, кот мертв» или «ядро не распалось, кот жив».

Вопрос стоит так: когда система перестает существовать как смешение двух состояний и выбирает одно конкретное? Цель эксперимента – показать, что квантовая механика неполна без некоторых правил, которые указывают, при каких условиях происходит коллапс волновой функции, и кот либо становится мертвым, либо остается живым, но перестает быть смешением того и другого.

Поскольку ясно, что кот обязательно должен быть либо живым, либо мертвым (не существует состояния, сочетающего жизнь и смерть), то это будет аналогично и для атомного ядра. Оно обязательно должно быть либо распавшимся, либо нераспавшимся.

Проще говоря: согласно квантовой механике, если над ядром атома не производится наблюдение, то его состояние описывается смешением двух состояний – распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике и олицетворяющий ядро атома, и жив, и мертв одновременно. Если же ящик открыть, то экспериментатор может увидеть только какое-нибудь одно конкретное состояние – «ядро распалось, кот мертв» или «ядро не распалось, кот жив». Эксперимент Шредингера показал, что с точки зрения квантовой механики кот одновременно и жив, и мертв, чего быть не может. Следовательно, квантовая механика имеет существенные изъяны. Вопрос стоит так: когда система перестает существовать как смешение двух состояний и выбирает одно конкретное? Цель эксперимента – показать, что квантовая механика неполна без некоторых правил, которые указывают, при каких условиях происходит коллапс волновой функции, и кот либо становится мертвым, либо остается живым, но перестает быть смешением того и другого. Поскольку ясно, что кот обязательно должен быть либо живым, либо мертвым (не существует состояния, промежуточного между жизнью и смертью), то это будет аналогично и для атомного ядра. Оно обязательно должно быть либо распавшимся, либо нераспавшимся

В этой книге мы приводим две этапные работы Шредингера: «Что такое жизнь?» (1944) и «Мой взгляд на мир» (1961).

Что такое жизнь?

Вступление

^[1]

Человек свободный ни о чем так мало не думает, как о смерти, и его мудрость состоит в размышлении не о смерти, а о жизни.

Спиноза, Этика, ч. IV, теор. 67

Обычно принято думать, что ученый должен в совершенстве знать определенную область науки из первых рук, и поэтому считают, что ему не следует писать по таким вопросам, в которых он не является знатоком. Это рассматривается, как вопрос noblesse oblige

[2]. Однако для достижения моей цели я хочу отказаться от noblesse и прошу, в связи с этим, освободить меня от вытекающих отсюда обязательств. Мои извинения заключаются в следующем.

Мы унаследовали от наших предков острое стремление к объединенному, всеохватывающему знанию. Самое название, данное высочайшим институтам познания – университетам, – напоминает нам, что с древности и в продолжение многих столетий универсальный характер знаний был единственным, к чему могло быть полное доверие. Но расширение и углубление разнообразных отраслей знания в течение последних ста замечательных лет поставило нас перед странной дилеммой. Мы ясно чувствуем, что только теперь начинаем приобретать надежный материал для того, чтобы объединить в одно целое все, что нам известно; но с другой стороны, становится почти невозможным для одного ума полностью овладеть более чем какой-либо одной небольшой специальной частью науки.

Я не вижу выхода из этого положения (чтобы при этом наша основная цель не оказалась потерянной навсегда), если некоторые из нас не рискнут взяться за синтез фактов и теорий, хотя бы наше знание в некоторых из этих областей было неполным и полученным из вторых рук и хотя бы мы подвергались опасности показаться невеждами.

Пусть это послужит мне извинением.

Большое значение имеют также трудности с языком. Родной язык каждого является как бы хорошо пригнанной одеждой, и нельзя чувствовать себя вполне свободно, когда ваш язык не может быть непринужденным и когда его надо заменить другим, новым. Я очень благодарен д-ру Инкстеру (Тринити-колледж, Дублин), д-ру Падрайг Броуну (колледж св. Патрика, Мэйнут) и, наконец (но не меньше, чем другим), мистеру С.К. Робертсу. Им доставило много забот подогнать на меня новое одеяние, и это усугублялось еще тем, что порой я не хотел отказаться от своего несколько «оригинального» собственного стиля. Если что-либо из него сохранилось, несмотря на стремление моих друзей смягчить его, то это должно быть отнесено на мой, а не на их счет.

Первоначально предполагалось, что подзаголовки многочисленных разделов будут иметь характер резюмирующих надписей на полях, и текст каждой главы должен был бы читаться in continue (непрерывно)^[3].

Я очень обязан д-ру Дарлингтону и издателю Endeavour (Об-во имперских химических производств) за клише для иллюстраций. В них сохранены все первоначальные детали, хотя не все эти детали имеют отношение к содержанию книги.

Дублин, сентябрь, 1944. Э. Ш.

Подход классического физика к предмету

Общий характер и цели исследования

Эта небольшая книга возникла из курса публичных лекций, прочитанных физиком – теоретиком перед аудиторией около 400 человек. Аудитория почти не уменьшалась, хотя с самого начала была предупреждена, что предмет изложения труден и что лекции не могут считаться популярными, несмотря даже на то, что наиболее страшное орудие физика – математическая дедукция – здесь вряд ли может быть применена. И не потому что предмет настолько прост, чтобы можно было объяснить его без математики, но скорее, обратное – потому что он слишком запутан и не вполне доступен математике. Другой чертой, создающей по крайней мере внешний вид популярности, было намерение лектора сделать основную идею, связанную и с биологией, и с физикой, ясной как для физиков, так и для биологов.

Действительно, несмотря на разнообразие тем, включенных в книгу, в целом она должна передать только одну мысль, только одно небольшое пояснение к большому и важному вопросу. Чтобы не уклониться с нашего пути, будет полезно заранее кратко очертить наш план.

Большой, важный и очень часто обсуждаемый вопрос заключается в следующем: как могут физика и химия объяснить те явления в пространстве и времени, которые имеют место внутри живого организма?

Предварительный ответ, который постарается дать и развить эта небольшая книга, можно суммировать так: явная неспособность современной физики и химии объяснить такие явления совершенно не дает никаких оснований сомневаться в том, что они могут быть объяснены этими науками.

Статистическая физика.

Основное различие в структуре

Предыдущее замечание было бы весьма тривиальным, если бы оно имело целью только стимулировать надежду достигнуть в будущем того, что не было достигнуто в прошлом. Оно, однако, имеет гораздо более положительный смысл, а именно, что неспособность физики и химии до настоящего времени дать ответ полностью объяснима.

Благодаря умелой работе биологов, главным образом генетиков, за последние 30 или 40 лет теперь стало достаточно много известно о действительной материальной структуре организмов и об их отправлениях, чтобы понять, почему современные физика и химия не могли объяснить явления в пространстве и времени, происходящие внутри живого организма.

Расположение и взаимодействие атомов в наиболее важных частях организма коренным образом отличаются от всех тех расположений атомов, с которыми физики и химики имели до сих пор дело в своих экспериментальных и теоретических изысканиях. Однако это отличие, которое я только что назвал коренным, такого рода, что легко может показаться ничтожным всякому, кроме физика, пропитанного той мыслью, что законы физики и химии являются насквозь статистическими^[5]. Именно со статистической точки зрения структура важнейших частей живого организма полностью отличается от любого куска вещества, о которым мы, физики и химики, имели до сих пор дело, практически – в наших лабораториях и теоретически – за письменными столами^[6]. Конечно, трудно себе представить, чтобы законы и правила, при этом нами открытые, были непосредственно приложимы к поведению систем, не имеющих тех структур, на которых основаны эти законы и правила.

Нельзя ожидать, чтобы не физик мог охватить (не говорю уже – оценить) все различие в «статистической структуре», формулированное в терминах столь абстрактных, как только что сделал это я. Чтобы дать моему утверждению жизнь и краски, разрешите мне предварительно обратить внимание на то, что будет детально объяснено позднее, а именно, что наиболее существенная часть живой клетки – хромосомная нить – может быть с основанием названа апериодическим кристаллом. В физике мы до сих пор имели дело только с периодическими кристаллами. Для ума простого физика они являются весьма интересными и сложными объектами; они составляют одну из наиболее очаровательных и сложных структур, которыми неодушевленная природа приводит в замешательство интеллект физика; однако в сравнении с апериодическими кристаллами они кажутся несколько элементарными и скучными. Различие в структуре здесь такое же, как между обычными обоями, на которых один и тот же рисунок повторяется с правильной периодичностью все снова и снова, и шедевром вышивки, скажем, рафаэлевским гобеленом, который дает не скучное повторение, но сложный, последовательный и полный значения рисунок, начертанный великим мастером.

Называя периодический кристалл одним из наиболее сложных объектов исследования, я имел в виду собственно физика. Органическая химия в изучении все более и более сложных молекул действительно подошла гораздо ближе к тому «апериодическому кристаллу», который, на мой взгляд, является материальным носителем жизни. Поэтому не очень удивительно, что химик-органик уже сделал большой и важный взнос в разрешение проблемы жизни, в то время как физик не внес почти ничего.

Подход к предмету у наивного физика

После того как я кратко указал, таким образом, общую идею или, вернее, основную цель нашего исследования, позвольте мне описать самую линию атаки.

Я намереваюсь сначала развить то, что вы можете назвать «представлениями наивного физика относительно организма». Это те представления, которые могут возникнуть в его уме, если, изучив свою физику и, в частности, ее статистические основания, физик начнет думать об организмах, об их поведении и жизнедеятельности и добросовестно спросит себя, – может ли он, исходя из своих знаний, с позиций своей сравнительно простой, ясной и скромной науки, сделать какой-нибудь полезный взнос в данную проблему.

Выяснится, что он это сделать может. Следующим шагом должно быть сравнение теоретических ожиданий физика с биологическими фактами. Тут обнаружится, что хотя в целом его представления кажутся вполне разумными, их, тем не менее, надо значительно улучшить. Этим путем мы постепенно приблизимся к правильной точке зрения или, говоря скромнее, к той точке зрения, которую я считаю правильной.

Даже если бы я был прав в этом, я не знаю, является ли мой путь действительно наилучшим и простейшим. Но, говоря коротко, это был мой путь. «Наивный физик» был я сам. И я не могу найти никакого лучшего и более ясного пути по направлению к цели, чем мой собственный, хотя, может быть, и извилистый путь.

Почему атомы так малы?

Хорошим способом развить «представления наивного физика» будет задать сначала странный, почти смешной вопрос: почему атомы так малы? А они действительно очень малы. Каждый маленький кусочек вещества, к которому мы прикасаемся в повседневной жизни, содержит огромное их количество. Было предложено много примеров, чтобы уяснить этот факт широкой публике, но не было ни одного более выразительного примера, чем тот, который привел когда-то лорд Кельвин: предположите, что вы можете поставить метки на все молекулы в стакане воды; после этого вы выльете содержимое стакана в океан и тщательно перемешаете океан так, чтобы распределить отмеченные молекулы равномерно во всех морях мирз; если вы далее возьмете стакан воды где угодно, в любом месте океана, – вы найдете в этом стакане около сотни ваших отмеченных молекул^[7].

Действительные размеры атомов^[8] лежат приблизительно между 1/5000 и 1/2000 длины волны желтого света. Это сравнение имеет особое значение, потому что длина волны приблизительно указывает величину самой маленькой частицы, которую еще можно различить под микроскопом. Таким образом, мы видим, что такая частица содержит еще тысячи миллионов атомов.

Итак, почему атомы так малы?

Ясно, что этот вопрос является обходным, так как в действительности он направлен не на размеры атомов.

Он касается размера организмов и, в частности, размеров нашего собственного тела. В самом деле, атом мал, когда он сравнивается с нашей гражданской мерой длины, скажем, с ярдом или с метром. В атомной физике приняты так называемые ангстремы (сокращ. Å), которые равны 10–10 м, или в десятичном изображении -0,0000000001 м. Диаметры атомов лежат между 1 и 2 Å. Гражданские единицы (по сравнению с которыми атомы оказываются так малы) прямо связаны с размерами нашего тела. Есть рассказ, который приписывает происхождение ярда юмору одного английского короля. Когда члены его совета спросили его, какую надо установить единицу длины, то он вытянул руку в сторону и сказал: «Возьмите расстояние от середины моей груди до кончиков пальцев, это будет как раз». Верный или нет, но этот рассказ имеет прямое отношение к нашему вопросу. Естественно, что король хотел указать длину, сравнимую с длиной его тела, так как он знал, что иначе мера была бы очень неудобной. При всем пристрастии к ангстремам физик все-таки предпочтет, чтобы ему говорили, что его новый костюм потребует 6¹/₂ ярдов твида^[9], а не 65 тысяч миллионов ангстремов твида.

Таким образом, ясно, что в действительности наш вопрос касается не одного размера, а отношения двух размеров – нашего тела и атома, – считаясь, конечно, с несомненным первичным и независимым существованием атома. Вопрос на самом деле гласит: почему наши тела должны быть такими большими по сравнению с атомами?

Эрвин Шрёдингер

Официально:

 

Эрвин Рудольф Йозеф Александр Шрёдингер. 12 августа 1887 – 4 января 1961. Австрийский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии по физике.

 Неофициально:

1. В родной Австрии Шрёдингера числят среди главных знаменитостей – наряду с Моцартом и Фрейдом. Жаль только наглядное свидетельство этой славы уже вышло из употребления: сегодня в Австрии расплачиваются евро. А некогда портрет Шрёдингера красовался на купюре в 1000 австрийских шиллингов.

2. Славный сын Австрии Шрёдингер родился в 1887 году в ее столице – Вене. Окончив, как водится, классическую гимназию, он поступил в Венский университет.

3. Великого Людвига Больцмана Шрёдингер в университете не застал – тот покончил жизнь самоубийством как раз в год поступления Шрёдингера. Но благодаря Больцману университет в Вене уже стал крупным центром физической науки, а его ученики очень повлияли на научные пристрастия Шрёдингера.

4. «Круг этих идей,  –  позже говорил Шрёдингер, имея в виду идеи Больцмана, – стал для меня как бы первой любовью в науке, ничто другое меня так не захватывало и, пожалуй, уже никогда не захватит».

5. Перед самой первой мировой Эрвина Шрёдингера призвали в армию. Но ему повезло, и он не погиб, подобно своему учителю Фридриху Газенорлю, на поле сражения. Шрёдингер служил артиллерийским офицером на тихом участке фронта, где он мог не бросать занятия физикой. Не отрываясь от пушек, он читал статьи Эйнштейна по общей теории относительности, а к исходу войны и сам опубликовал пару работ на эту тему.

6. Мировую славу и Нобелевскую премию в доле с Полем Дираком Эрвину Шрёдингеру принесли работы по квантовой теории. «Что существует более выдающегося в теоретической физике, чем первые шесть работ Шрёдингера по волновой механике?» – спрашивал впоследствии его коллега Макс Борн. Действительно, мало что можно сравнить с волновым уравнением материи, которое получило потом имя Шрёдингера: вот разве что уравнения Ньютона для классической механики.

7. Даже люди, совсем далекие от физики, что-то такое слышали о коте или кошке Шрёдингера. Когда Эрвин Шрёдингер решил продемонстрировать  неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим, он провел мысленный эксперимент с котом, которого с тех пор так называют котом Шрёдингера.

В оригинальной статье Шрёдингера эксперимент описан так (перевод wikipedia.org):
Можно построить и случаи, в которых довольно бурлеска. Некий кот заперт в стальной камере вместе со следующей адской машиной (которая должна быть защищена от прямого вмешательства кота): внутри счётчика Гейгера находится крохотное количество радиоактивного вещества, столь небольшое, что в течение часа может распасться только один атом, но с такой же вероятностью может и не распасться; если же это случится, считывающая трубка разряжается и срабатывает реле, спускающее молот, который разбивает колбочку с синильной кислотой. Если на час предоставить всю эту систему самой себе, то можно сказать, что кот будет жив по истечении этого времени, коль скоро распада атома не произойдёт. Первый же распад атома отравил бы кота. Пси-функция системы в целом будет выражать это, смешивая в себе или размазывая живого и мёртвого кота (простите за выражение) в равных долях. Типичным в подобных случаях является то, что неопределённость, первоначально ограниченная атомным миром, преобразуется в макроскопическую неопределённость, которая может быть устранена путём прямого наблюдения. Это мешает нам наивно принять «модель размытия» как отражающую действительность. Само по себе это не означает ничего неясного или противоречивого. Есть разница между нечётким или расфокусированным фото и снимком облаков или тумана.

8. С тех пор кто только не использовал несчастного то ли живого, а то ли мертвого кота: писатели-фантасты, кинорежиссер, сценаристы сериалов и компьютерных игр! По аналогии с котом Шрёдингера возникли даже «террористы Шрёдингера», то есть такие, о которых достоверно неизвестно, живы они или уничтожены.

9. После прихода к власти Гитлера Шрёдингер не захотел остаться в Германии, где в ту пору занимал пост профессора теоретической физики Берлинского университета. Он отрицательно относился к нацизму, но не желал вмешиваться в политику. Причину своего отъезда в Оксфорд Шрёдингер объяснил так: «Я терпеть не могу, когда меня донимают политикой».

10. Шрёдингер всю жизнь прожил с одной женой, но брак был бездетный и свободный. Известно о нескольких его внебрачных детях и фактической второй жене. Такой стиль жизни весьма шокировал англичан в Оксфорде, и Шрёдингер не чувствовал себя там, как дома.

11. Из негостеприимного Оксфорда он переехал в Ирландию и работал в Дублине до тех пор, пока Австрия снова не стала независимым государством. Почти семидесятилетним Шрёдингер вернулся на родину

12. В 1956 году Австрийская Академия наук учредила премию имени Эрвина Шрёдингера. Первым ее лауреатом стал сам Шрёдингер.

13. Был Шрёдингер, помимо прочего, мыслителем, знал шесть языков и читал философов в подлиннике. В длинном списке его работ есть исследование на стыке биологии и физики: «Что такое жизнь с точки зрения физики?» И вот вам ответ Шрёдингера: «Работа специальным образом организованной системы по понижению собственной энтропии за счет повышения энтропии окружающей среды».

Нобелевские лауреаты: Эрвин Шредингер. Человек и кошка

Эрвин Шредингер

Родился 12 августа 1887 года, Вена, Австро-Венгрия

Умер 4 января 1961 года, Вена, Австрия

Нобелевская премия по физике 1933 года (1/2 премии, совместно с Полем Дираком). Формулировка Нобелевского комитета: «За открытие новых продуктивных форм атомной теории» (for the discovery of new productive forms of atomic theory).

Наш герой родился в то время и в том обществе, когда богатым и образованным людям было модно увлекаться и заниматься наукой. Эрвин Шредингер был единственным сыном Рудольфа Шредингера, который представлял третье или четвертое поколение выходцев из Баварии (впрочем, сам Рудольф отрицал свое происхождение). В 1886 году Рудольф полюбил дочь своего учителя, профессора высшей технической школы в Вене, химика Александра Бауэра — Георгину Эмилию Бренду. Отец Шредингера, несмотря на то, что он был преуспевающим предпринимателем, владел фабрикой по производству клеенки и линолеума, всегда находил время для саморазвития и науки. Об этом говорит хотя бы то, что долгое время именно Шредингер-старший был главой Венского ботанико-зоологического общества, и отнюдь не «свадебным генералом»: он был автором нескольких статей по генетике растений.

Как писал сам будущий нобелевский лауреат, «моему отцу я обязан гораздо большим, чем только материальной обеспеченностью нашей жизни, я обязан ему своим прекрасным воспитанием и образованием, осуществляемым им с немалым тактом и талантом». А еще Шредингер-старший дал своему сыну пример постоянного оптимизма, что было тоже немаловажно.

О своем раннем образовании Эрвин написал в «Автобиографии»: «До 11 лет я брал частные уроки у школьного преподавателя. Затем — хорошая государственная гимназия с греческим языком и латынью. Количество часов, отведенных в расписании точным дисциплинам, в значительной мере уступало гуманитарным, но преподавание их было превосходным. Я был хорошим учеником по всем предметам, любил математику и физику, а также строгую логику старых грамматик, ненавидел только заучивание “знаменательных” исторических и биографических дат и событий. Я любил немецких поэтов, особенно драматургов, но не любил разбор их произведений в школьном классе».

Сделка Шрёдингера, или как кредиторы становятся учеными

Статья о том, как одна и та же сделка может быть действительной и недействительной одновременно, на примере знаменитого кота Шрёдингера.

Немецкий ученый и его эксперимент
В 1935 году физик-теоретик Эрвин Шрёдингер выпустил статью, призванную обсудить квантовую запутанность. В ней был приведен яркий пример, увековечивший имя ученого. Обозначим суть. Представим, что в стальной коробке заперт кот вместе с адской машиной: счетчик Гейгера с ничтожно малой частью радиоактивного вещества внутри, такой, что за час может распасться только один атом. Если это случится, сработает механизм, который отравит кота. Мы оставим коробку на час без вмешательства — в конце часа мы не знаем, распался атом или нет, жив кот или мертв.

В ядерной физике это состояние называется суперпозицией. Фактически его, конечно, не бывает, дело только в том, наблюдаем мы за процессом или нет.

Как кот в коробке поможет кредиторам?
Теперь отвлечемся от несчастного кота и обратимся к банкротным делам. Часто кредиторы, которые столкнулись с аффилированностью или явно недействительными сделками должника, не знают, что их можно оспорить. Но сложившаяся судебная практика говорит: при комплексном подходе и наличии достаточных оснований можно доказать как недействительность, так и законность одной и той же сделки. Но пока мы не начали доказывать, наша сделка — в стальной коробке: она действительна и недействительна одновременно.

Напомним, кто может оспорить сделку:

• Арбитражный управляющий — по своей инициативе или от имени должника, или по решению кредиторов.
• Представитель собрания (комитета) кредиторов или иное уполномоченное ими лицо — если арбитражный управляющий не обратится в суд в установленные собранием сроки.
• Конкурсный кредитор или уполномоченный орган — если долг перед ним, согласно реестру кредиторов, составляет более 10% от общего размера включенной в реестр кредиторской задолженности. При этом не учитывается размер требований предприятия, в отношении которого сделка оспаривается, и его аффилированных лиц.

Помните: практически каждая сделка может оказаться котом в коробке — вы не узнаете, можно ли ее оспорить, пока не приглядитесь внимательнее и не изучите ее более пристально.

Что такое кот Шредингера простыми словами? — Блоги — Эхо Москвы, 22.12.2015

Юрий Гордеев
Программист, гейм-девелопер, дизайнер, художник

«Кот Шредингера» — это мысленный эксперимент, предложенный одним из пионеров квантовой физики, чтобы показать, насколько странно квантовые эффекты выглядят применительно к макроскопическим системам.

Постараюсь объяснить действительно простыми словами: господа физики, не взыщите. Фраза «грубо говоря» подразумевается далее перед каждым предложением.

В очень, очень мелких масштабах мир состоит из вещей, ведущих себя весьма необычно. Одна из наиболее странных характеристик таких объектов — способность находиться в двух взаимоисключающих состояниях одновременно.

Что с интуитивной точки зрения еще более необычно (кто-то даже скажет, жутковато) — акт целенаправленного наблюдения устраняет эту неопределенность, и объект, только что находившийся в двух противоречивых состояниях одновременно, предстает перед наблюдателем лишь в одном из них, как ни в чем не бывало, смотрит в сторонку и невинно посвистывает.

На субатомном уровне все к этим выходкам уже давно привыкли. Существует математический аппарат, описывающий эти процессы, и знания о них нашли самые разные применения: например, в компьютерах и криптографии.

На макроскопическом же уровне эти эффекты не наблюдаются: привычные нам объекты всегда находятся в единственном конкретном состоянии.

А теперь мысленный эксперимент. Берем кота и сажаем его в ящик. Туда же помещаем колбу с ядовитым газом, радиоактивный атом и счетчик Гейгера. Радиоактивный атом может распасться в любой момент, а может не распасться. Если он распадется, счетчик засечет радиацию, нехитрый механизм разобьет колбу с газом, и наш кот погибнет. Если нет — кот останется жив.

Закрываем ящик. С этого момента с точки зрения квантовой механики наш атом находится в состоянии неопределенности — он распался с вероятностью 50% и не распался с вероятностью 50%. До того, как мы откроем ящик и заглянем туда (произведем наблюдение), он будет находиться в обоих состояниях сразу. А поскольку судьба кота напрямую зависит от состояния этого атома, выходит, что кот тоже буквально жив и мертв одновременно (»…размазывая живого и мёртвого кота (простите за выражение) в равных долях…» — пишет автор эксперимента). Именно так эту ситуацию описала бы квантовая теория.

Шредингер едва ли догадывался, какого шуму наделает его идея. Разумеется, сам эксперимент даже в оригинале описан чрезвычайно грубо и без претензии на научную аккуратность: автор хотел донести до коллег идею о том, что теорию необходимо дополнить более четкими определениями таких процессов, как «наблюдение», чтобы исключить сценарии с котами в ящиках из ее юрисдикции.

Идею кота использовали даже для того, чтобы «доказать» существование Бога как сверхразума, непрерывным своим наблюдением делающего возможным само наше существование. В действительности же «наблюдение» не требует наличия сознательного наблюдателя, что лишает квантовые эффекты некоторой доли мистики. Но даже при этом квантовая физика остается на сегодня фронтом науки с множеством необъясненных явлений и их интерпретаций.

Иван Болдин
кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, выпускник МФТИ

Поведение объектов микромира (элементарных частиц, атомов, молекул) существенно отличается от поведения объектов, с которыми нам обычно приходится иметь дело. Например, электрон может пролетать одновременно через два пространственно удаленных места или находится одновременно на нескольких орбитах в атоме. Чтобы описать эти явления была создана теория — квантовая физика. По этой теории, например, частицы могут быть размазаны в пространстве, но если вы захотите определить, где же частица все-таки находится, то вы всегда обнаружите в каком-то месте всю частицу целиком, то есть она как бы схлопнется из своего размазанного состояния в какое-то определенное место. То есть считается, что пока вы не измерили положение частицы, она вообще не имеет положения, и физика только может предсказать, с какой вероятностью в каком месте вы можете обнаружить частицу.

Эрвин Шредингер, один из создателей квантовой физики, задался вопросом: а что, если в зависимости от от результата измерения состояния какой-нибудь микрочастицы происходит или не происходит какое-нибудь событие. Например, это можно было бы реализовать следующим образом: берется радиоактивный атом с периодом полураспада, скажем, час. Атом можно поместить в непрозрачный ящик, поставить туда устройство, которое при попадании на него продуктов радиоактивного распада атома разбивает ампулу с ядовитым газом, и посадить в этот ящик кота. Тогда вы извне не увидите, распался атом или нет, то есть по квантовой теории он одновременно распался и не распался, а кот, стало быть, одновременно жив и мертв. Такого кота стали называть котом Шредингера.

Может показаться удивительным, что кот может быть одновременно жив и мертв, хотя формально здесь нет противоречия и это не является опровержением квантовой теории. Однако могут возникнуть вопросы, например: кто может осуществить схлопывание атома из размазанного в определенное состояние, а кто при такой попытке сам переходит в размазанное состояние? Как протекает этот процесс схлопывания? Или как же получается, что тот, кто осуществляет схлопывание, сам не подчиняется законам квантовой физики? Имеют ли эти вопросы смысл, и, если да, то каковы на них ответы — до сих пор неясно.

George Panin
окончил РХТУ им. Д.И. Менделеева, главный специалист исследовательского департамента (маркетинговые исследования)

Как объяснил нам Гейзенберг, из-за принципа неопределенности описание объектов квантового микромира носит иной характер, нежели привычное описание объектов ньютоновского макромира. Вместо пространственных координат и скорости, которыми мы привыкли описывать механическое движение, например шара по бильярдному столу, в квантовой механике объекты описываются так называемой волновой функцией. Гребень «волны» соответствует максимальной вероятности нахождения частицы в пространстве в момент измерения. Движение такой волны описывается уравнением Шрёдингера, которое и говорит нам о том, как изменяется со временем состояние квантовой системы.

Теперь про кота. Всем известно, что коты любят прятаться в коробках (thequestion.ru). Эрвин Шредингер тоже был в курсе. Более того, с чисто нордическим изуверством он использовал эту особенность в знаменитом мысленном эксперименте. Суть его заключалась в том, что в коробке с адской машиной заперт кот. Машина через реле подсоединена к квантовой системе, например, радиоактивно распадающемуся веществу. Вероятность распада известна и составляет 50%. Адская машина срабатывает когда квантовое состояние системы меняется (происходит распад) и котик погибает полностью. Если предоставить систему «Котик-коробка-адская машина-кванты» самой себе на один час и вспомнить, что состояние квантовой системы описывается в терминах вероятности, то становится понятным, что узнать жив котик или нет, в данный момент времени, наверняка не получится, так же, как не выйдет точно предсказать падение монеты орлом или решкой заранее. Парадокс очень прост: волновая функция, описывающая квантовую систему, смешивает в себе два состояния кота — он жив и мертв одновременно, так же как связанный электрон с равной вероятностью может находится в любом месте пространства, равноудаленного от атомного ядра. Если мы не открываем коробку, мы не знаем точно, как там котик. Не произведя наблюдения (читай измерения) над атомным ядром мы можем описать его состояние только суперпозицией (смешением) двух состояний: распавшегося и нераспавшегося ядра. Кот, находящийся в ядерной зависимости, и жив и мертв одновременно. Вопрос стоит так: когда система перестаёт существовать как смешение двух состояний и выбирает одно конкретное?

Копенгагенская интерпретация эксперимента говорит нам о том, что система перестаёт быть смешением состояний и выбирает одно из них в тот момент, когда происходит наблюдение, оно же измерение (коробка открывается). То есть сам факт измерения меняет физическую реальность, приводя к коллапсу волновой функции (котик либо становится мёртвым, либо остаётся живым, но перестаёт быть смешением того и другого)! Вдумайтесь, эксперимент и измерения, ему сопутствующие, меняют реальность вокруг нас. Лично мне этот факт выносит мозг гораздо сильнее алкоголя. Небезызвестный Стив Хокинг тоже тяжело переживает этот парадокс, повторяя, что когда он слышит про кота Шредингера, его рука тянется к браунингу. Острота реакции выдающегося физика-теоретика связанна с тем, что по его мнению, роль наблюдателя в коллапсе волновой функции (сваливанию её к одному из двух вероятностных) состояний сильно преувеличена.

Конечно, когда профессор Эрвин в далеком 1935 г. задумывал свое кото-измывательство это был остроумный способ показать несовершенство квантовой механики. В самом деле, кот не может быть жив и мертв одновременно. В результате одной из интерпретаций эксперимента стала очевидность противоречия законов макро-мира (например, второго закона термодинамики — кот либо жив, либо мертв) и микро-мира (кот жив и мертв одновременно).

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.

Еще одной наиболее свежей интерпретацией мысленного эксперимента Шредингера является рассказ Шелдона Купера, героя сериала «Теория большого взрыва» («Big Bang Theory»), который он произнес для менее образованной соседки Пенни. Суть рассказа Шелдона заключается в том, что концепция кота Шредингера может быть применена в отношениях между людьми. Для того чтобы понять, что происходит между мужчиной и женщиной, какие отношения между ними: хорошие или плохие, – нужно просто открыть ящик. А до этого отношения являются одновременно и хорошими, и плохими. youtube.com

Эрвин шредингер черный ящик. Знаменитая загадка «Кота Шредингера» простыми словами

Наверняка вы не раз слышали, что существует такой феномен, как «Кот Шредингера». Но если вы не физик, то, скорее всего, лишь отдаленно представляете себе, что это за кот и зачем он нужен.

«Кот Шредингера » – так называется знаменитый мысленный эксперимент знаменитого австрийского физика-теоретика Эрвина Шредингера, который также является лауреатом Нобелевской премии. С помощью этого вымышленного опыта ученый хотел показать неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим системам.

В данной статье дана попытка объяснить простыми словами суть теории Шредингера про кота и квантовую механику, так чтобы это было доступно человеку, не имеющему высшего технического образования. В статье также будут представлены различные интерпретации эксперимента, в том числе и из сериала «Теория большого взрыва».

Описание эксперимента

Оригинальная статья Эрвина Шредингера вышла в свет в 1935 году. В ней эксперимент был описан с использованием или даже олицетворение:

Можно построить и случаи, в которых довольно бурлеска. Пусть какой-нибудь кот заперт в стальной камере вместе со следующей дьявольской машиной (которая должна быть независимо от вмешательства кота): внутри счётчика Гейгера находится крохотное количество радиоактивного вещества, столь небольшое, что в течение часа может распасться только один атом, но с такой же вероятностью может и не распасться; если же это случится, считывающая трубка разряжается и срабатывает реле, спускающее молот, который разбивает колбочку с синильной кислотой.

Если на час предоставить всю эту систему самой себе, то можно сказать, что кот будет жив по истечении этого времени, коль скоро распада атома не произойдёт. Первый же распад атома отравил бы кота. Пси-функция системы в целом будет выражать это, смешивая в себе или размазывая живого и мёртвого кота (простите за выражение) в равных долях. Типичным в подобных случаях является то, что неопределённость, первоначально ограниченная атомным миром, преобразуется в макроскопическую неопределённость, которая может быть устранена путём прямого наблюдения. Это мешает нам наивно принять «модель размытия» как отражающую действительность. Само по себе это не означает ничего неясного или противоречивого. Есть разница между нечётким или расфокусированным фото и снимком облаков или тумана.

Другими словами:

1. Есть ящик и кот. В ящике имеется механизм, содержащий радиоактивное атомное ядро и ёмкость с ядовитым газом. Параметры эксперимента подобраны так, что вероятность распада ядра за 1 час составляет 50%. Если ядро распадается, открывается ёмкость с газом и кот погибает. Если распада ядра не происходит – кот остается жив-здоров.
2. Закрываем кота в ящик, ждём час и задаёмся вопросом: жив ли кот или мертв?
3. Квантовая же механика как бы говорит нам, что атомное ядро (а следовательно и кот) находится во всех возможных состояниях одновременно (см. квантовая суперпозиция). До того как мы открыли ящик, система «кот-ядро» находится в состоянии «ядро распалось, кот мёртв» с вероятностью 50% и в состоянии «ядро не распалось, кот жив» с вероятностью 50%. Получается, что кот, сидящий в ящике, и жив, и мёртв одновременно.
4. Согласно современной копенгагенской интерпретации, кот-таки жив/мёртв без всяких промежуточных состояний. А выбор состояния распада ядра происходит не в момент открытия ящика, а ещё когда ядро попадает в детектор. Потому что редукция волновой функции системы «кот-детектор-ядро» не связана с человеком-наблюдателем ящика, а связана с детектором-наблюдателем ядра.

Объяснение простыми словами

Согласно квантовой механике, если над ядром атома не производится наблюдение, то его состояние описывается смешением двух состояний – распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике и олицетворяющий ядро атома, и жив, и мёртв одновременно. Если же ящик открыть, то экспериментатор может увидеть только какое-нибудь одно конкретное состояние – «ядро распалось, кот мёртв» или «ядро не распалось, кот жив».

Суть человеческим языком: эксперимент Шредингера показал, что, с точки зрения квантовой механики, кот одновременно и жив, и мертв, чего быть не может. Следовательно, квантовая механика имеет существенные изъяны.

Вопрос стоит так: когда система перестаёт существовать как смешение двух состояний и выбирает одно конкретное? Цель эксперимента – показать, что квантовая механика неполна без некоторых правил, которые указывают, при каких условиях происходит коллапс волновой функции, и кот либо становится мёртвым, либо остаётся живым, но перестаёт быть смешением того и другого. Поскольку ясно, что кот обязательно должен быть либо живым, либо мёртвым (не существует состояния, промежуточного между жизнью и смертью), то это будет аналогично и для атомного ядра. Оно обязательно должно быть либо распавшимся, либо нераспавшимся (Википедия).

Видео из «Теории большого взрыва»

Еще одной наиболее свежей интерпретацией мысленного эксперимента Шредингера является рассказ Шелдона Купера, героя сериала «Теория большого взрыва» («Big Bang Theory»), который он произнес для менее образованной соседки Пенни. Суть рассказа Шелдона заключается в том, что концепция кота Шредингера может быть применена в отношениях между людьми. Для того чтобы понять, что происходит между мужчиной и женщиной, какие отношения между ними: хорошие или плохие, – нужно просто открыть ящик. А до этого отношения являются одновременно и хорошими, и плохими.

Ниже приведен видеофрагмент этого диалога «Теории большого взрыва» между Шелдоном и Пении.

Остался ли кот живым в результате эксперимента?

Для тех, кто невнимательно читал статью, но все равно переживает за кота — хорошие новости: не переживайте, по нашим данным, в результате мысленного эксперимента сумасшедшего австрийского физика

НИ ОДИН КОТ НЕ ПОСТРАДАЛ

“Кот Шрёдингера” – так называется занимательный мыслительный эксперимент, поставленный, как вы уже наверное догадались, Шрёдингером, а точнее, Нобелевским лауреатом по физике, австрийским ученым Эрвином Рудольфом Йозефом Александром Шрёдингером.”Википедия” определяет эксперимент следующим образом: “В закрытый ящик помещён кот. В ящике имеется механизм, содержащий радиоактивное ядро и емкость с ядовитым газом. Параметры эксперимента подобраны так, что вероятность того, что ядро распадётся за 1 час, составляет 50 %. Если ядро распадается, оно приводит механизм в действие – открывается емкость с газом, и кот умирает.

Согласно квантовой механике, если над ядром не производится наблюдения, то его состояние описывается суперпозицией (смешением) двух состояний – распавшегося ядра и не распавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике, и жив, и мертв одновременно. Если же ящик открыть, то экспериментатор обязан увидеть только какое-нибудь одно конкретное состояние: “ядро распалось, кот мёртв”, или “ядро не распалось, кот жив”.

Получается, что на выходе мы имеем живого или мертвого кота, однако в потенциале, кот и жив и мертв одновременно. Таким образом, Шрёдингер пытался доказать ограниченность квантовой механики, без применения к ней определенных правил.

Копенгагенская интерпретация квантовой физики – и в частности этого эксперимента – указывает на то, что кот приобретает свойства одной из потенциальных фаз (живой-мертвый) только после вмешательства в процесс наблюдателя.

То есть когда конкретный Шрёдингер открывает ящик, ему со стопроцентной уверенностью придется нарезать колбаски или позвонить ветеринару. Кот будет определенно жив или скоропостижно мертв. Но пока в процессе нет наблюдателя – конкретного человека обладающего несомненными достоинствами в виде зрения, и, как минимум, ясного сознания – кот будет находиться в подвешенном состоянии “между небом и землей”.

Древняя притча о коте, который гуляет сам по себе, в этом контексте приобретает новые оттенки. Несомненно, кот Шрёдингера – не самое благополучное существо во Вселенной. Пожелаем же коту благополучного для него исхода и обратимся к другой занимательной задаче из таинственного и порой беспощадного мира квантовой механики.

Звучит она так: “Какой звук издает падающее в лесу дерево, если поблизости нет человека, способного этот звук воспринять?” Тут, в отличие от черно-белой судьбы несчастного/счастливого кота, мы сталкиваемся с разноцветной палитрой спекуляций: нет звука/есть звук, какой он, если он есть, а если его нет, то почему? Ответить на этот вопрос нельзя по очень простой причине – невозможности осуществить эксперимент. Ведь любой эксперимент подразумевает присутствие наблюдателя, способного воспринять и сделать выводы.

У знаменитого аргентинского писателя Хулио Картасара, яркого представителя “магического реализма”, есть небольшой рассказ о том, как офисная мебель, оставшись без наблюдателя, двигается по кабинету, как бы используя свободное время для того, что бы размять “одеревеневшие” конечности.

То есть невозможно предположить, что происходит с объектами окружающей нас реальности в наше отсутствие. А если это невозможно воспринять, значит этого не существует. Как только мы покидаем комнату, все ее содержимое, вместе с самой комнатой перестает существовать или, точнее, продолжает существовать только в потенциале.

Одновременно там существуют пожар или наводнение, кража оборудования или незваные гости. Более того, в ней существуем и мы, в разных потенциальных состояниях. Один Я ходит по комнате и насвистывает дурацкую мелодию, другой Я грустно смотрит окно, третий – говорит с женой по телефону. В ней живет даже наша внезапная смерть или радостное известие в виде нежданного телефонного звонка.

Представьте на минуту все возможности, скрытые за дверью. А теперь представьте, что весь наш мир – это всего лишь скопище таких нереализованных потенциалов. Забавно, правда?

Однако тут возникает закономерный вопрос: ну и что? Да – забавно, да – интересно, но что, по сути, это меняет? Наука об этом скромно умалчивает. Для квантовой физики такие познания открывают новые пути в осознании Вселенной и ее механизмов, ну а нам, людям далеким от больших научных открытий, такая информация вроде бы ни к чему.

Да как это – ни к чему!? Ведь если существую я, смертный, в этом мире, значит, существую я, бессмертный, в другом мире! Если моя жизнь состоит из полосы неудач и огорчений, то где-то существую я – удачливый и счастливый? На самом деле, вне наших ощущений ничего нет, как нет комнаты, пока мы в нее не вошли. Наши органы восприятия лишь обманывают нас, рисуя в мозгу картину “окружающего” нас мира. Что же на самом деле находится вне нас пока остается тайной за семью печатями.

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.com

Однако 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.

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 .

Возможно, кто-то из вас слышал такое словосочетание, как «кот Шредингера». Однако для большинства людей это название ни о чем не говорит.

Если вы считаете себя мыслящим субъектом, и даже претендуете на роль интеллектуала, то следует обязательно узнать, что собой представляет кот Шредингера, и почему он стал знаменит в .

Кот Шредингера – это мыслительный эксперимент, предложенный австрийским физиком теоретиком Эрвином Шредингером. Этот талантливый ученый получил в 1933 г. Нобелевскую премию по физике.

Посредством своего знаменитого эксперимента ему хотелось показать всю неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим.

Эрвин Шредингер пытался пояснить свою теорию на оригинальном примере кота. Он хотел сделать это максимально просто, чтобы его мысль была понятна любому человеку.

Удалось ему это или нет, вы узнаете, дочитав статью до конца.

Суть эксперимента Кот Шредингера

Предположим, что некий кот заперт в стальной камере вместе с такой адской машиной (которая должна быть защищена от прямого вмешательства кота): внутри счётчика Гейгера находится столь крохотное количество радиоактивного вещества, что в течение часа может распасться только один атом, но с такой же вероятностью может и не распасться; если же это случится, считывающая трубка разряжается и срабатывает реле, спускающее молот, который разбивает колбочку с синильной кислотой.

Если на час предоставить всю эту систему самой себе, то можно сказать, что кот будет жив по истечении этого времени, коль скоро распада атома не произойдёт.

Первый же распад атома отравил бы кота. Пси-функция системы в целом будет выражать это, смешивая в себе или размазывая живого и мёртвого кота (простите за выражение) в равных долях.

Типичным в подобных случаях является то, что неопределённость, первоначально ограниченная атомным миром, преобразуется в макроскопическую неопределённость, которая может быть устранена путём прямого наблюдения.

Это мешает нам наивно принять «модель размытия» как отражающую действительность. Само по себе это не означает ничего неясного или противоречивого.

Есть разница между нечётким или расфокусированным фото и снимком облаков или тумана.

Иначе говоря, мы имеем ящик и кота. В ящике установлено устройство с радиоактивным атомным ядром и емкостью с ядовитым газом.

В ходе опыта, вероятность распада иле не распада ядра приравнивается к 50%. Следовательно, если оно распадается – животное умрет, а если ядро не распадается – кот Шредингера останется жить.

Запираем кота в ящик, и на протяжении часа ждем, размышляя над бренностью жизни.

По законам квантовой механики ядро (а, следовательно, и сам кот), одновременно может быть во всех возможных состояниях (см. квантовая суперпозиция).

До того момента, пока ящик еще не открыт, система «кот-ядро» предполагает два варианта исхода событий: «распад ядра – кот мертв» с вероятностью 50%, и «распада ядра не случилось – кот жив» с той же долей вероятности.

Выходит, что кот Шредингера, сидящий внутри ящика, в одно и то же время жив и мертв.

Трактовка копенгагенской интерпретации гласит, что при любом раскладе кот жив и мертв одновременно. Выбор распада ядра наступает не тогда, когда мы вскрываем ящик, а ещё когда ядро попадает в детектор.

Это происходит из-за того, что редукция волновой функции системы «кот-детектор-ядро» никак не взаимосвязана с наблюдающим со стороны человеком. Она непосредственно связана с детектором-наблюдателем атомного ядра.

Кот Шредингера простыми словами

По законам квантовой механики, в том случае, если над атомным ядром не будет происходить наблюдения, оно может быть двойственным: то есть, распад либо случится, либо нет.

Из этого следует, что кот, находящийся в ящике и представляющий собой ядро, в одно и то же время может быть и живым, и мертвым.

Но в миг, когда наблюдатель решит вскрыть ящик, ему удастся увидеть лишь одно из 2-х возможных состояний.

Но теперь возникает закономерный вопрос: когда именно система прекращает свое существование в двойственном виде?

Благодаря этому опыту, Шредингер привел аргументы касательно того, что квантовая механика является неполной без определенных правил, объясняющих, в каких случаях наступает коллапс волновой функции.

Учитывая же тот факт, что кот Шредингера рано или поздно должен стать либо живым, либо мертвым, то это будет аналогично и для атомного ядра: атомный распад или произойдет, или нет.

Суть опыта человеческим языком

Шредингер на примере кота, хотел показать, что согласно квантовой механике, животное будет одновременно, как живым, так и мертвым. Это, по сути, невозможно, из чего делается вывод, что квантовая механика на сегодняшний день имеет существенные изъяны.

Видеоролик из «Теории большого взрыва»

Персонаж сериала Шелдон Купер пытался разъяснить своей «недалекой» подруге суть эксперимента Кот Шредингера. Для этого он использовал пример отношений между мужчиной и женщиной.

Чтобы узнать, какие у них взаимоотношения достаточно лишь вскрыть ящик. А пока он будет закрыт, их отношения могут быть одновременно, как положительными, так и отрицательными.

Выжил ли кот Шредингера после опыта?

Если кто-то из наших читателей волнуется за кота, то вам стоит успокоиться. В ходе опыта ни один из не погиб, а сам Шредингер назвал свой эксперимент мысленным , то есть таким, который проводится исключительно в уме.

Надеемся, что вы поняли, в чем заключается суть эксперимента Кот Шредингера. Если у вас остались вопросы – можете задавать их в комментариях. Ну и, конечно, поделитесь этой статьей в социальных сетях.

Если вам нравятся – подписывайтесь на сайт I nteresnye F akty.org любым удобным способом. С нами всегда интересно!

Понравился пост? Нажми любую кнопку:

Недавно вышедшая на известном научном портале “ПостНаука” авторская статья Эмиля Ахмедова о причинах возникновения знаменитого парадокса, а также о том, чем он не является.

Физик Эмиль Ахмедов о вероятностной интерпретации, замкнутых квантовых системах и формулировке парадокса.

На мой взгляд, наиболее и психологически, и философски, и во многих других отношениях сложной частью квантовой механики является ее вероятностная интерпретация. С вероятностной интерпретацией спорили многие люди. Например, Эйнштейн, наряду с Подольским и Розеном, придумал парадокс, опровергающий вероятностную интерпретацию.

Помимо них с вероятностной интерпретацией квантовой механики спорил также и Шредингер. В качестве логического противоречия вероятностной интерпретации квантовой механики Шредингер придумал так называемый парадокс кота Шредингера. Он может по-разному формулироваться, например так: скажем, у вас есть коробка, в которой сидит кот, и к этой коробке подсоединен баллон со смертельным газом. К включателю этого баллона, который впускает или не впускает смертельный газ, подключен какой-то прибор, работающий следующим образом: есть поляризующее стекло, и если проходящий фотон нужной поляризации, то баллон включается, газ поступает к коту; если фотон не той поляризации, то баллон не включается, ключ не включается, баллон не впускает газ к коту.

Допустим, фотон циркулярно поляризован, а прибор реагирует на линейную поляризацию. Это может быть не понятно, но это не очень важно. С какой-то вероятностью фотон будет поляризован одним образом, с какой-то вероятностью – другим. Шредингер говорил: получается такая ситуация, что в какой-то момент, пока мы не открыли крышку и не посмотрели, мертв кот или жив (а система замкнута), кот с какой-то вероятностью будет живым и с какой-то вероятностью будет мертвым. Может быть, я небрежно формулирую парадокс, но в итоге получается странная ситуация, что кот не жив и не мертв. Так формулируется парадокс.

На мой взгляд, этот парадокс имеет совершенно четкое и ясное объяснение. Возможно, это моя личная точка зрения, но попробую объяснить. Основным свойством квантовой механики является следующее: если описывать замкнутую систему, то квантовая механика – это не что иное, как волновая механика, механика волн. Это значит, что она описывается дифференциальными уравнениями, решениями которых являются волны. Там, где есть волны и дифференциальные уравнения, есть и матрицы и так далее. Это два эквивалентных описания: матричное описание и волновое описание. Матричное описание принадлежит Гейзенбергу, волновое – Шредингеру, но описывают они одну и ту же ситуацию.

Важно следующее: пока система является замкнутой, она описывается волновым уравнением, и то, что происходит с этой волной, описывается при помощи какого-то волнового уравнения. Вся вероятностная интерпретация квантовой механики возникает после того, как систему размыкают – на нее воздействуют снаружи каким-то большим классическим, то есть неквантовым, объектом. В момент воздействия она перестает уже описываться этим волновым уравнением. Возникает так называемая редукция волновой функции и вероятностная интерпретация. До момента размыкания система эволюционирует в соответствии с волновым уравнением.

Теперь нужно сделать несколько замечаний по поводу того, чем отличается большая классическая система от маленькой квантовой. Вообще говоря, и большую классическую систему можно описывать при помощи волнового уравнения, хотя это описание, как правило, трудно предоставить, а реально оно совершенно не нужно. Эти системы математически различаются действием. Так называемый объект есть в квантовой механике, в теории поля. Для классической большой системы действие огромное, а для квантовой маленькой системы действие маленькое. Более того, и градиент этого действия – скорость изменения этого действия во времени и пространстве – для большой классической системы огромный, а для маленькой квантовой – маленький. Это основное различие двух систем. Из-за того что действие очень большое для классической системы, ее удобнее описывать не какими-то волновыми уравнениями, а просто классическими законами вроде закона Ньютона и так далее. Например, по этой причине Луна вокруг Земли вращается не как электрон вокруг ядра атома, а по определенной, четко заданной орбите, по классической орбите, траектории. В то время как электрон, являясь маленькой квантовой системой, внутри атома вокруг ядра движется как стоячая волна, его движение описывается стоячей волной, и в этом различие двух ситуаций.

Измерение в квантовой механике – это когда вы большой классической системой воздействуете на маленькую квантовую. После этого происходит редукция волновой функции. На мой взгляд, присутствие баллона или кота в парадоксе Шредингера – это то же самое, что и наличие большой классической системы, которая измеряет поляризацию фотона. Соответственно, измерение происходит не в тот момент, когда мы открываем крышку ящика и смотрим, жив кот или мертв, а в тот момент, когда происходит взаимодействие фотона с поляризационным стеклом. Таким образом, в этот момент происходит редукция волновой функции фотона, баллон оказывается в совершенно определенном состоянии: либо он открывается, либо он не открывается, и кот умирает или не умирает. Всё. Никаких «вероятностных котов», что он с какой-то вероятностью жив, с какой-то вероятностью мертв, нет. Когда я говорил о том, что у парадокса кота Шредингера есть много разных формулировок, я лишь говорил, что есть много разных способов придумать тот прибор, который умерщвляет или оставляет живым кота. По сути формулировка парадокса не меняется.

Я слышал и о других попытках объяснения этого парадокса при помощи множественности миров и так далее. На мой взгляд, все эти объяснения не выдерживают критики. То, что я объяснил в течение этого ролика словами, можно облечь в математическую форму и проверить верность этого утверждения. Еще раз подчеркиваю, что, на мой взгляд, измерение и редукция волновой функции маленькой квантовой системы происходит в момент взаимодействия с большой классической системой. Такой большой классической системой является кот вместе с прибором, умерщвляющим его, а не человек, который открывает коробку с котом и смотрит, жив кот или нет. То есть измерение происходит в момент взаимодействия этой системы с квантовой частицей, а не в момент проверки кота. Подобные парадоксы, на мой взгляд, находят объяснения из применения теорий и здравого смысла.

Суть самого эксперимента

В оригинальной статье Шрёдингера эксперимент описан так:

Можно построить и случаи, в которых довольно бурлеска. Некий кот заперт в стальной камере вместе со следующей адской машиной (которая должна быть защищена от прямого вмешательства кота): внутри счётчика Гейгера находится крохотное количество радиоактивного вещества, столь небольшое, что в течение часа может распасться только один атом, но с такой же вероятностью может и не распасться; если же это случится, считывающая трубка разряжается и срабатывает реле, спускающее молот, который разбивает колбочку с синильной кислотой. Если на час предоставить всю эту систему самой себе, то можно сказать, что кот будет жив по истечении этого времени, коль скоро распада атома не произойдёт. Первый же распад атома отравил бы кота. Пси-функция системы в целом будет выражать это, смешивая в себе или размазывая живого и мёртвого кота (простите за выражение) в равных долях. Типичным в подобных случаях является то, что неопределённость, первоначально ограниченная атомным миром, преобразуется в макроскопическую неопределённость, которая может быть устранена путём прямого наблюдения. Это мешает нам наивно принять «модель размытия» как отражающую действительность. Само по себе это не означает ничего неясного или противоречивого. Есть разница между нечётким или расфокусированным фото и снимком облаков или тумана. Согласно квантовой механике, если над ядром не производится наблюдение, то его состояние описывается суперпозицией (смешением) двух состояний – распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике, и жив, и мёртв одновременно. Если же ящик открыть, то экспериментатор может увидеть только какое-нибудь одно конкретное состояние – «ядро распалось, кот мёртв» или «ядро не распалось, кот жив». Вопрос стоит так: когда система перестаёт существовать как смешение двух состояний и выбирает одно конкретное? Цель эксперимента – показать, что квантовая механика неполна без некоторых правил, которые указывают, при каких условиях происходит коллапс волновой функции, и кот либо становится мёртвым, либо остаётся живым, но перестаёт быть смешением того и другого.

Поскольку ясно, что кот обязательно должен быть либо живым, либо мёртвым (не существует состояния, сочетающего жизнь и смерть), то это будет аналогично и для атомного ядра. Оно обязательно должно быть либо распавшимся, либо нераспавшимся.

Оригинальная статья вышла в 1935 году. Целью статьи было обсуждение парадокса Эйнштейна – Подольского – Розена (ЭПР), опубликованного Эйнштейном, Подольским и Розеном ранее в том же году

Кот Шрёдингера — знаменитый парадокс и феномен массовой культуры

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%

Схема кота Шредингера.
Designua / shutterstock.com

Однако 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.

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.

Этот поворот парадокса кота Шредингера имеет большое значение для квантовой теории

Каково это быть одновременно живым и мертвым?

Этот вопрос раздражал и вдохновлял венгерско-американского физика Юджина Вигнера в 1960-х годах. Его разочаровали парадоксы, возникающие из капризов квантовой механики – теории, управляющей микроскопической областью, которая предполагает, среди многих других противоречивых вещей, что пока квантовая система не наблюдается, она не обязательно имеет определенные свойства.Возьмем, к примеру, знаменитый мысленный эксперимент его коллеги-физика Эрвина Шредингера, в котором кошка оказывается в ящике с ядом, который выделяется при распаде радиоактивного атома. Радиоактивность – это квантовый процесс, поэтому история гласит, что до того, как ящик будет открыт, атом распался и не распался, оставив несчастную кошку в подвешенном состоянии – так называемое суперпозицию между жизнью и смертью. Но переживает ли кошка нахождение в суперпозиции?

Вигнер обострил парадокс, представив своего друга (человека) в лаборатории, измеряющего квантовую систему.Он утверждал, что абсурдно утверждать, что его друг существует в суперпозиции, состоящей из того, что он видел и не видел разложения, пока Вигнер не откроет дверь лаборатории. «Мысленный эксперимент« друга Вигнера »показывает, что все может стать очень странным, если наблюдатель также будет наблюдать», – говорит Нора Тишлер, квантовый физик из Университета Гриффита в Брисбене, Австралия.

Теперь Тишлер и ее коллеги провели версию теста друга Вигнера. Объединив классический мысленный эксперимент с другой квантовой головной болью, называемой запутанностью – феноменом, который связывает частицы на огромных расстояниях – они также вывели новую теорему, которая, как они утверждают, накладывает самые сильные ограничения на фундаментальную природу реальности.Их исследование, опубликованное 17 августа в Nature Physics , имеет значение для роли, которую сознание может играть в квантовой физике, и даже для того, нужно ли заменить квантовую теорию.

Новая работа – «важный шаг вперед в области экспериментальной метафизики», – говорит квантовый физик Эфраим Стейнберг из Университета Торонто, который не принимал участия в исследовании. «Это начало того, что, как я ожидаю, будет огромной исследовательской программой».

Дело вкуса

До появления квантовой физики в 1920-х годах физики ожидали, что их теории будут детерминированными, с уверенностью производящими предсказания результатов экспериментов.Но квантовая теория кажется вероятностной по своей сути. Версия из учебника – иногда называемая копенгагенской интерпретацией – гласит, что до тех пор, пока свойства системы не будут измерены, они могут охватывать множество значений. Эта суперпозиция схлопывается в единственное состояние только тогда, когда система наблюдается, и физики никогда не могут точно предсказать, каким будет это состояние. Вигнер придерживался популярной тогда точки зрения, согласно которой сознание каким-то образом вызывает коллапс суперпозиции. Таким образом, его гипотетический друг мог бы различить определенный результат, когда она или он проводил измерения – и Вигнер никогда не увидел бы ее или его в суперпозиции.

С тех пор эта точка зрения перестала быть популярной. «Сторонники квантовой механики быстро отвергают точку зрения Вигнера как призрачную и неопределенную, потому что она делает наблюдателей особенными, – говорит Дэвид Чалмерс, философ и ученый-когнитивист из Нью-Йоркского университета. Сегодня большинство физиков сходятся во мнении, что неодушевленные объекты могут вывести квантовые системы из суперпозиции посредством процесса, известного как декогеренция. Конечно, исследователи, пытающиеся манипулировать сложными квантовыми суперпозициями в лаборатории, могут обнаружить, что их тяжелая работа разрушена быстрыми частицами воздуха, сталкивающимися с их системами.Поэтому они проводят свои испытания при ультрахолодных температурах и стараются изолировать свои устройства от вибраций.

За прошедшие десятилетия появилось несколько конкурирующих квантовых интерпретаций, в которых используются менее мистические механизмы, такие как декогеренция, для объяснения того, как суперпозиции разрушаются без привлечения сознания. Другие интерпретации придерживаются еще более радикальной позиции, что никакого коллапса нет. У каждого есть свой необычный и замечательный подход к тесту Вигнера. Самой экзотической является точка зрения «множества миров», которая гласит, что всякий раз, когда вы производите квантовое измерение, реальность ломается, создавая параллельные вселенные, чтобы учесть все возможные исходы.Таким образом, друг Вигнера разделился на две копии, и, «с помощью достаточно хорошей супертехнологии», он действительно мог измерить суперпозицию этого человека извне лаборатории, говорит квантовый физик и поклонник многих миров Лев Вайдман из Тель-Авивского университета.

Альтернативная «бомовская» теория (названная в честь физика Дэвида Бома) утверждает, что на фундаментальном уровне квантовые системы действительно обладают определенными свойствами; мы просто недостаточно знаем об этих системах, чтобы точно предсказать их поведение. В этом случае у друга есть единственный опыт, но Вигнер все еще может измерить, что этот человек находится в суперпозиции из-за своего собственного невежества.Напротив, относительный новичок в блоке, называемый интерпретацией QBism, полностью охватывает вероятностный элемент квантовой теории (QBism, произносится как «кубизм», на самом деле является сокращением от квантового байесовства, отсылки к работе математика 18-го века Томаса Байеса о вероятности). QBists утверждают, что человек может использовать квантовую механику только для расчета того, как откалибровать свои убеждения о том, что он или она будет измерять в эксперименте. «Результаты измерений должны рассматриваться как личные для агента, который проводит измерения», – говорит Рюдигер Шак из Royal Holloway, Лондонский университет, который является одним из основателей QBism.Согласно принципам QBism, квантовая теория не может ничего рассказать вам о состоянии реальности, а Вигнер не может использовать ее, чтобы строить предположения на опыте своего друга.

Другая интригующая интерпретация, называемая ретропричинностью, позволяет событиям в будущем влиять на прошлое. «В ретропричинной оценке друг Вигнера действительно что-то переживает», – говорит Кен Уортон, физик из Университета Сан-Хосе, который является сторонником этой поворотной точки зрения. Но то «что-то», которое испытывает друг в момент измерения, может зависеть от выбора Вигнером того, как наблюдать за этим человеком позже.

Проблема в том, что каждая интерпретация одинаково хороша или плоха для предсказания результатов квантовых тестов, поэтому выбор между ними зависит от вкуса. «Никто не знает, какое решение есть», – говорит Стейнберг. «Мы даже не знаем, является ли список возможных решений, которые у нас есть, исчерпывающим».

Другие модели, называемые теориями коллапса, действительно делают предсказания, которые можно проверить. Эти модели используют механизм, который заставляет квантовую систему коллапсировать, когда она становится слишком большой, объясняя, почему кошки, люди и другие макроскопические объекты не могут находиться в суперпозиции.Ведутся эксперименты по поиску сигнатур таких обрушений, но пока они ничего не нашли. Квантовые физики также помещают все более крупные объекты в суперпозицию: в прошлом году группа из Вены сообщила, что сделала это с молекулой из 2000 атомов. Большинство квантовых интерпретаций говорят, что нет никаких причин, по которым эти попытки сверхразмерных суперпозиций не должны продолжаться вечно, предполагая, что исследователи могут разработать правильные эксперименты в чистых лабораторных условиях, чтобы можно было избежать декогеренции. Теории коллапса, однако, постулируют, что предел однажды будет достигнут, независимо от того, насколько тщательно готовятся эксперименты. «Если вы попытаетесь манипулировать классическим наблюдателем – скажем, человеком – и рассматривать его как квантовую систему, она немедленно рухнет», – говорит Анджело Басси, квантовый физик и сторонник теорий коллапса из Университета Триеста в Италии.

Как посмотреть на друга Вигнера

Тишлер и ее коллеги считали, что анализ и выполнение эксперимента друга Вигнера может пролить свет на пределы квантовой теории.Их вдохновила новая волна теоретических и экспериментальных работ, в которых исследовалась роль наблюдателя в квантовой теории, привнося запутанность в классическую схему Вигнера. Допустим, вы берете две частицы света или фотоны, поляризованные таким образом, что они могут колебаться горизонтально или вертикально. Фотоны также могут быть помещены в суперпозицию одновременной горизонтальной и вертикальной вибрации, точно так же, как парадоксальная кошка Шредингера может быть и живой, и мертвой до того, как ее заметят.

Такие пары фотонов можно приготовить вместе – запутать – так, чтобы их поляризация всегда находилась в противоположном направлении при наблюдении. Это может не показаться странным – если вы не помните, что эти свойства не фиксируются до тех пор, пока они не будут измерены. Даже если один фотон передан физику по имени Алиса в Австралии, а другой доставлен ее коллеге Бобу в лабораторию в Вене, запутанность гарантирует, что, как только Алиса наблюдает за своим фотоном и, например, обнаруживает, что его поляризация является горизонтальной. , поляризация фотона Боба мгновенно синхронизируется с вертикальной вибрацией.Поскольку два фотона, кажется, общаются быстрее скорости света – что запрещено его теориями относительности – это явление глубоко обеспокоило Альберта Эйнштейна, который назвал его «жутким действием на расстоянии».

Эти опасения оставались теоретическими до 1960-х годов, когда физик Джон Белл изобрел способ проверить, действительно ли реальность пугает, или может быть более приземленное объяснение корреляции между запутанными партнерами. Белл представил теорию здравого смысла, которая была локальной, то есть такой, в которой влияния не могли перемещаться между частицами мгновенно.Кроме того, он был скорее детерминированным, чем вероятностным по своей природе, поэтому экспериментальные результаты, в принципе, можно было предсказать с уверенностью, если бы только физики лучше понимали скрытые свойства системы. И это было реалистично, что для квантового теоретика означает, что системы обладали бы этими определенными свойствами, даже если бы на них никто не смотрел. Затем Белл вычислил максимальный уровень корреляции между серией запутанных частиц, который могла поддержать такая локальная, детерминированная и реалистичная теория.Если этот порог был нарушен в эксперименте, то одно из предположений, лежащих в основе теории, должно быть ложным.

С тех пор были проведены такие «испытания Bell», в 2015 году была проведена серия водонепроницаемых версий, и они подтвердили жуткость реальности. «Квантовые основы – это область, которая действительно была начата экспериментально [теоремой] Белла, которой уже более 50 лет. И мы потратили много времени на повторную реализацию этих экспериментов и обсуждение их значения », – говорит Стейнберг. «Очень редко люди могут придумать новый тест, выходящий за рамки Bell.”

Целью команды из Брисбена было вывести и проверить новую теорему, которая позволила бы сделать именно это, предоставляя еще более строгие ограничения – границы «локального дружелюбия» – на природу реальности. Как и теория Белла, воображаемая теория исследователей локальна. Они также прямо запрещают «супердетерминизм» – то есть они настаивают на том, что экспериментаторы могут выбирать, что измерять, без влияния событий в будущем или далеком прошлом. (Белл неявно предполагал, что экспериментаторы тоже могут делать свободный выбор.Наконец, команда предписывает, что, когда наблюдатель производит измерение, результатом является реальное единичное событие в мире – оно не относится ни к кому или к чему-либо.

Для проверки дружелюбия местных жителей требуется хитрая установка с участием двух «супер-наблюдателей», Алисы и Боба (которые играют роль Вигнера), наблюдающих за своими друзьями Чарли и Дебби. У Алисы и Боба есть собственный интерферометр – устройство, используемое для управления пучками фотонов. Перед измерением поляризации фотонов находятся в суперпозиции горизонтальной и вертикальной.Пары запутанных фотонов подготавливаются таким образом, что, если измеренная поляризация одного из них является горизонтальной, поляризация его партнера должна немедленно измениться на вертикальную. Один фотон от каждой запутанной пары отправляется в интерферометр Алисы, а его партнер отправляется в интерферометр Боба. В этом тесте Чарли и Дебби на самом деле не друзья-люди. Скорее, они представляют собой вытеснители пучка в передней части каждого интерферометра. Когда фотон Алисы попадает в вытеснитель, его поляризация эффективно измеряется, и он отклоняется влево или вправо, в зависимости от направления поляризации, в которую он входит.Это действие играет роль друга Алисы Чарли, «измеряющего» поляризацию. (Дебби также находится в интерферометре Боба.)

Затем Алиса должна сделать выбор: она может немедленно измерить новый отклоненный путь фотона, что было бы равносильно открытию двери лаборатории и вопросу у Чарли, что он видел. Или она может позволить фотону продолжить свое путешествие, пройдя через второй вытеснитель луча, который рекомбинирует левый и правый пути – это то же самое, что держать дверь лаборатории закрытой.Затем Алиса может непосредственно измерить поляризацию своего фотона на выходе из интерферометра. На протяжении всего эксперимента Алиса и Боб независимо друг от друга выбирают, какие измерения следует сделать, а затем сравнивают записи, чтобы вычислить корреляции, наблюдаемые в серии запутанных пар.

Тишлер и ее коллеги провели 90 000 запусков эксперимента. Как и ожидалось, корреляции нарушили исходные границы Белла – и, что очень важно, они также нарушили новый порог локального удобства. Команда также могла изменить настройку, чтобы уменьшить степень запутанности между фотонами, отправив одну из пары в обход, прежде чем она войдет в свой интерферометр, мягко нарушив идеальную гармонию между партнерами.Когда исследователи провели эксперимент с этим немного более низким уровнем запутанности, они обнаружили точку, в которой корреляции все еще нарушали границы Белла, но не локальное дружелюбие. Этот результат доказал, что эти два набора оценок не эквивалентны и что новые ограничения локального удобства более сильные, говорит Тишлер. «Если вы их нарушите, вы узнаете больше о реальности», – добавляет она. А именно, если ваша теория утверждает, что «друзей» можно рассматривать как квантовые системы, тогда вы должны либо отказаться от локальности, либо признать, что измерения не имеют единственного результата, с которым должны согласиться наблюдатели, или допустить супердетерминизм.Каждый из этих вариантов имеет серьезные – и, по мнению некоторых физиков, явно неприятные – последствия.

Переосмысление реальности

«Эта статья представляет собой важное философское исследование», – говорит Мишель Рейли, соучредитель Turing, компании, занимающейся квантовыми вычислениями, базирующейся в Нью-Йорке, которая не принимала участия в работе. Она отмечает, что физики, изучающие квантовые основы, часто изо всех сил пытались придумать выполнимый тест, чтобы подтвердить свои большие идеи. «Я очень рад видеть эксперимент, стоящий за философскими исследованиями», – говорит Рейли.Стейнберг называет эксперимент «чрезвычайно элегантным» и хвалит команду за непосредственное раскрытие тайны роли наблюдателя в измерениях.

Хотя неудивительно, что квантовая механика вынуждает нас отказаться от здравого предположения – физики знали это от Белла, – «прогресс здесь состоит в том, что мы сужаемся к тому, какое из этих предположений оно есть», – говорит Уортон, который также был не является частью исследования. Тем не менее, отмечает он, сторонники большинства квантовых интерпретаций не потеряют сна.Поклонники ретропричинности, такие как он сам, уже примирились с супердетерминизмом: с их точки зрения, нет ничего шокирующего в том, что будущие измерения влияют на прошлые результаты. Между тем QBists и приверженцы многих миров давно отказались от требования, согласно которому квантовая механика предписывает единственный результат, с которым должен согласиться каждый наблюдатель.

И как бомовская механика, так и модели спонтанного коллапса уже успешно отказались от локальности в ответ на Белл. Более того, модели коллапса говорят, что настоящим макроскопическим другом нельзя манипулировать как квантовой системой.

Вайдман, который также не принимал участия в новой работе, однако менее воодушевлен ею и критикует отождествление друга Вигнера с фотоном. Методы, использованные в статье, «смехотворны; друг должен быть макроскопическим, – говорит он. Философ физики Тим Модлин из Нью-Йоркского университета, который не участвовал в исследовании, соглашается. «Никто не думает, что фотон является наблюдателем, если только вы не панпсихик», – говорит он. Поскольку ни один физик не задается вопросом, можно ли поместить фотон в суперпозицию, Модлин считает, что в этом эксперименте нет смысла.«Это что-то исключает – просто то, чего никто никогда не предлагал», – говорит он.

Тишлер принимает критику. «Мы не хотим преувеличивать то, что сделали», – говорит она. Ключом к будущим экспериментам будет увеличение размера «друга», – добавляет член команды Говард Вайзман, физик из Университета Гриффита. По его словам, наиболее драматичным результатом будет использование искусственного интеллекта, воплощенного в квантовом компьютере, в качестве друга. Некоторые философы предполагали, что такая машина могла бы иметь человеческий опыт, позиция, известная как сильная гипотеза ИИ, отмечает Уайзман, хотя пока никто не знает, окажется ли эта идея верной.Но если гипотеза верна, этот квантовый общий искусственный интеллект (AGI) будет микроскопическим. Таким образом, с точки зрения моделей спонтанного коллапса, он не вызовет коллапса из-за своего размера. Если бы такой тест был запущен и не было нарушено ограничение локального удобства, этот результат означал бы, что сознание AGI не может быть помещено в суперпозицию. В свою очередь, этот вывод предполагает, что Вигнер был прав в том, что сознание вызывает коллапс. «Не думаю, что доживу до такого эксперимента, – говорит Уайзман.«Но это было бы революционно».

Рейли, однако, предупреждает, что физики, надеясь, что будущий ИИИ поможет им разобраться в фундаментальном описании реальности, ставят телегу впереди лошади. «Для меня не исключено, что квантовые компьютеры станут новой парадигмой, которая приведет нас к ОИИ», – говорит она. «В конечном счете, нам нужна теория всего, чтобы построить ОИИ на квантовом компьютере, точка, точка».

Это требование может исключить более грандиозные планы.Но команда также предлагает более скромные промежуточные тесты с участием систем машинного обучения в качестве друзей, что нравится Стейнбергу. По его словам, такой подход «интересен и провокационен». «Становится возможным, что все более и более масштабные вычислительные устройства могут фактически измеряться квантовым способом».

Ренато Реннер, квантовый физик из Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе (ETH Zurich), делает еще более сильное заявление: независимо от того, будут ли проводиться будущие эксперименты, по его словам, новая теорема говорит нам, что квантовая механика должна быть заменены.В 2018 году Реннер и его коллега Даниэла Фраучигер, тогда работавшая в ETH Zurich, опубликовали мысленный эксперимент, основанный на друге Вигнера, и использовали его для вывода нового парадокса. Их установка отличается от установки команды из Брисбена, но также включает в себя четырех наблюдателей, измерения которых могут запутаться. Реннер и Фраучигер подсчитали, что, если наблюдатели применяют квантовые законы друг к другу, они могут в конечном итоге получить разные результаты в одном и том же эксперименте.

«Новая статья – еще одно подтверждение того, что у нас есть проблемы с текущей квантовой теорией», – говорит Реннер, который не принимал участия в работе.Он утверждает, что ни одна из сегодняшних квантовых интерпретаций не может выбраться из так называемого парадокса Фраухигера-Реннера, если сторонники не признают, что их не волнует, дает ли квантовая теория последовательные результаты. По словам Реннера, QBists предлагают самые приятные средства для бегства, потому что с самого начала они говорят, что квантовую теорию нельзя использовать для вывода того, что будут измерять другие наблюдатели. «Однако меня это все еще беспокоит: если для меня все является личным, как я могу сказать что-нибудь, имеющее отношение к вам?» он добавляет.Реннер сейчас работает над новой теорией, которая предоставляет набор математических правил, которые позволят одному наблюдателю выяснить, что другой должен увидеть в квантовом эксперименте.

Тем не менее, те, кто твердо верит, что их любимая интерпретация верна, не видят особой ценности в исследовании Тишлера. «Если вы думаете, что квантовая механика нездорова и требует замены, тогда это полезно, потому что она сообщает вам о новых ограничениях», – говорит Вайдман. «Но я не согласен, что это так – многие миры все объясняют.”

На данный момент физикам придется продолжать соглашаться, чтобы не соглашаться, какая интерпретация лучше всего или нужна ли совершенно новая теория. «На этом мы остановились в начале 20 века – мы искренне сбиты с толку», – говорит Рейли. «Но эти исследования – как раз то, что нужно сделать, чтобы обдумать это».

Отказ от ответственности: автор часто пишет для Института фундаментальных вопросов, который спонсирует исследования в области физики и космологии и частично финансирует исследование команды Брисбена.

Кот Шредингера | New Scientist

Этот мысленный эксперимент, разработанный в 1935 году австрийским физиком Эрвином Шредингером, был разработан, чтобы пролить свет на трудности интерпретации квантовой теории.

Квантовая теория очень странная. Он говорит, что объект, подобный частице или атому, который придерживается квантовых правил, не имеет реальности, которую можно зафиксировать до тех пор, пока она не будет измерена. До тех пор его свойства, такие как импульс, закодированы в математическом объекте, известном как волновая функция, который по сути говорит: если вы произведете измерение, вот диапазон возможных результатов.Неизбежный вопрос, который возник по мере развития теории, заключался в следующем: что же тогда делает вещь до этого?

Самый известный ответ в 1930-х годах пришел из Копенгагенской интерпретации, разработанной в датском городе светилами квантовой теории Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом. Это говорит о том, что до измерения действительно не существует окончательной реальности, и объект находится в неопределенном состоянии, известном как суперпозиция.

Мысленный эксперимент Шредингера исследовал, как это происходит, когда квантовый объект соединяется с чем-то более знакомым.Он представил ящик, содержащий радиоактивный атом, пузырек с ядом и кошку. Управляемый квантовыми правилами, радиоактивный атом может распадаться или не распадаться в любой момент. Неизвестно, когда наступит момент, но когда он распадается, он разбивает пузырек, высвобождает яд и убивает кошку.

Если копенгагенская интерпретация верна, то до того, как произойдет какое-либо измерение, атом, а также кошка, находятся в суперпозиции распавшегося / мертвого и не распавшегося / живого. Абсурдность разговора об одновременно живом и мертвом могги должна была показать, что копенгагенской интерпретации чего-то не хватает.

Эксперимент сыграл важную роль в стимулировании других взглядов на квантовую теорию, включая интерпретацию множества миров, согласно которой различные возможные реальности квантового объекта кристаллизуются в разные параллельные вселенные в точке измерения.

В наши дни мысленный эксперимент приобрел своего рода культовый статус. Здесь есть футболки с котиками Шредингера, мемы и сотни статей на эту тему. В 2018 году ученые опубликовали более сложный вариант мысленного эксперимента, который, похоже, показывает, что все существующие интерпретации квантовой теории неполны. Джошуа Хаугего

Эрвин Шредингер и эксперимент с котом Шредингера

Эрвин Рудольф Йозеф Александр Шредингер (родился 12 августа 1887 года в Вене, Австрия) был физиком, который провел новаторскую работу в области квантовой механики , области, изучающей поведение энергии и материи на очень малых масштабах длины. В 1926 году Шредингер разработал уравнение, предсказывающее расположение электрона в атоме. В 1933 году он получил Нобелевскую премию за эту работу вместе с физиком Полем Дираком.

Быстрые факты: Эрвин Шредингер

• Полное имя: Эрвин Рудольф Йозеф Александр Шредингер
• Известен: Физик, разработавший уравнение Шредингера, которое означало большой шаг вперед в квантовой механике. Также разработал мысленный эксперимент, известный как «Кот Шредингера».
• Родился: 12 августа 1887 г. в Вене, Австрия.
.
• Умер: 4 января 1961 года в Вене, Австрия.
• Родители: Рудольф и Георгина Шредингер
• Супруга: Аннемари Бертель
• Ребенок : Рут Джорджи Эрика (р.1934)
• Образование : Венский университет
• Награды : с квантовым теоретиком Полом А. Дирак удостоен Нобелевской премии по физике 1933 года.
• Публикации : Что такое жизнь? (1944), Природа и греки (1954) и Мой взгляд на мир (1961).

Шредингер, возможно, более известен благодаря «Коту Шредингера», мысленному эксперименту, который он разработал в 1935 году, чтобы проиллюстрировать проблемы с общей интерпретацией квантовой механики.

Ранние годы и образование

Шредингер был единственным ребенком Рудольфа Шредингера – рабочего фабрики по производству линолеума и клеенки, унаследовавшего бизнес от своего отца, – и Джорджины, дочери профессора химии Рудольфа. В воспитании Шредингера особое внимание уделялось культурной оценке и продвижению как в науке, так и в искусстве.

Шредингер получил домашнее образование у наставника и у своего отца. В возрасте 11 лет он поступил в Академическую гимназию в Вене, школу, ориентированную на классическое образование и обучение физике и математике.Там ему нравилось изучать классические языки, иностранную поэзию, физику и математику, но он ненавидел запоминать то, что он называл «случайными» датами и фактами.

Шредингер продолжил свое обучение в Венском университете, куда он поступил в 1906 году. Он получил докторскую степень по физике в 1910 году под руководством Фридриха Хазенёрля, которого Шредингер считал одним из самых влиятельных интеллектуалов. Хазенёрль был учеником физика Людвига Больцмана, известного ученого, известного своими работами в области статистической механики.

После того, как Шредингер получил докторскую степень, он работал ассистентом Франца Экснера, еще одного ученика Больцмана, пока его не призвали в начале Первой мировой войны.

Начало карьеры

В 1920 году Шредингер женился на Аннемари Бертель и переехал с ней в Йену, Германия, чтобы работать помощником физика Макса Вина. Оттуда он за короткий период времени стал преподавателем ряда университетов: сначала он стал младшим профессором в Штутгарте, затем полным профессором в Бреслау, а затем в 1921 году стал профессором Цюрихского университета.Последующие шесть лет Шредингера в Цюрихе были одними из самых важных в его профессиональной карьере.

В Цюрихском университете Шредингер разработал теорию, которая значительно продвинула понимание квантовой физики. Он опубликовал серию статей – примерно по одной в месяц – по волновой механике. В частности, первая статья «Квантование как проблема собственных значений» представила то, что впоследствии стало известно как уравнение Шредингера , которое теперь является центральной частью квантовой механики.Шредингер был удостоен Нобелевской премии за это открытие в 1933 году.

Уравнение Шредингера

Уравнение Шредингера математически описывает «волнообразную» природу систем, управляемых квантовой механикой. С помощью этого уравнения Шредингер предоставил способ не только изучить поведение этих систем, но и предсказать, как они себя ведут. Хотя первоначально было много споров о том, что означает уравнение Шредингера, ученые в конечном итоге интерпретировали его как вероятность найти электрон где-то в космосе.

Кот Шредингера

Шредингер сформулировал этот мысленный эксперимент в ответ на Копенгагенскую интерпретацию квантовой механики, в которой говорится, что частица, описываемая квантовой механикой, существует во всех возможных состояниях одновременно, пока не будет обнаружена и вынуждена выбрать одно состояние. Вот пример: рассмотрим свет, который может загораться красным или зеленым. Когда мы не смотрим на свет, мы предполагаем, что он одновременно красный и зеленый.Однако, когда мы смотрим на него, свет должен заставить себя стать красным или зеленым, и это тот цвет, который мы видим.

Шредингер не согласился с такой интерпретацией. Он создал другой мысленный эксперимент под названием «Кот Шредингера», чтобы проиллюстрировать свои опасения. В эксперименте «Кот Шредингера» кошку помещают в герметичный ящик с радиоактивным веществом и ядовитым газом. Если радиоактивное вещество распадется, оно выпустит газ и убьет кошку. В противном случае кошка была бы жива.

Поскольку мы не знаем, жив ли кот или мертв, он считается и живым, и мертвым, пока кто-нибудь не откроет коробку и не увидит сам, в каком состоянии находится кошка. Таким образом, просто заглянув в коробку, кто-то волшебным образом сделал кошку живой или мертвой, хотя это невозможно.

Влияние на работу Шредингера

Шредингер не оставил много информации об ученых и теориях, которые повлияли на его собственную работу.Однако историки собрали воедино некоторые из этих влияний, в том числе:

• Луи де Бройль, физик, представил концепцию «материальных волн». Шредингер прочитал диссертацию де Бройля, а также сноску, написанную Альбертом Эйнштейном, в которой положительно говорилось о работе де Бройля. Шредингера также попросили обсудить работу де Бройля. работать на семинаре, организованном Цюрихским университетом и другим университетом, ETH Zurich.
• Boltzmann. Шредингер считал статистический подход Больцмана к физике своей «первой любовью в науке», и большая часть его научного образования следовала традициям Больцмана.
• Предыдущая работа Шредингера по квантовой теории газов, в которой газы изучались с точки зрения квантовой механики. В одной из своих работ по квантовой теории газов «О теории газа Эйнштейна» Шредингер применил теорию де Бройля о волнах материи, чтобы помочь объяснить поведение газов.

Более поздняя карьера и смерть

В 1933 году, в том же году, когда он получил Нобелевскую премию, Шредингер отказался от должности профессора Берлинского университета, к которому он присоединился в 1927 году, в ответ на захват Германии нацистами и увольнение еврейских ученых.Впоследствии он переехал в Англию, а затем в Австрию. Однако в 1938 году Гитлер вторгся в Австрию, вынудив Шредингера, теперь уже известного антинациста, бежать в Рим.

В 1939 году Шредингер переехал в Дублин, Ирландия, где он оставался до своего возвращения в Вену в 1956 году. Шредингер умер от туберкулеза 4 января 1961 года в Вене, городе, где он родился. Ему было 73 года.

Источники

Что такое кот Шредингера?

Кот Шредингера – это гипотетическое животное, участвующее в мысленном эксперименте, предложенном австрийским физиком Эрвином Шредингером в 1935 году.

В то время физики обсуждали математические модели и результаты различных экспериментов, которые предполагали, что частицы обладают волнообразными свойствами. Некоторые думали, что эти волны были больше похожи на кривую вероятности на графике, чем на физическое покачивание, как рябь на воде.

Определенные следствия этого «вероятностного» описания, называемого копенгагенской интерпретацией, считали реальность неустойчивой до тех пор, пока она не стала частью системы, которую мы могли наблюдать.Другими словами, свойства не были определены в каком-либо значимом смысле до тех пор, пока они не были измерены каким-либо образом экспериментальным путем.

Известные физики, такие как Альберт Эйнштейн, выступили против этой интерпретации, заявив, что квантовая физика является неполной теорией, и будущая работа покажет, что это были за волны на самом деле.

Эрвин Шредингер согласился. В эссе под названием Текущая ситуация в квантовой механике он подверг критике такие странные определения вероятности, поставив эксперимент, который связал неопределенность ненаблюдаемого свойства частицы с чем-то, к чему мы все можем относиться и чему сопереживать – живым состоянием маленького животного. .

«Можно даже создать довольно нелепые дела», – писал Шредингер. «Кошка заперта в стальной камере вместе со следующим устройством…»

В этом устройстве использовался радиоактивный материал, установленный счетчиком Гейгера, чтобы вызвать разрушение пузырька со смертоносной кислотой в тот момент, когда на него воздействуют частицы » разлагаться. Согласно Копенгагенской интерпретации, неопределенное положение частицы, сталкивающейся со счетчиком, одновременно ударит и не ударит его в любой момент, что означает, что спрятанная кошка будет убита и не убита.Только после того, как весь эксперимент будет проведен, кошка будет однозначно живой или мертвой.

Шредингер подумал, что это глупо, и многие физики согласились.

Конечно, эксперимент не совсем подходит для домашних животных. Но были сделаны менее неэтичные версии. Спустя десятилетия квантовая физика все еще звучит глупо, но более вероятно, чем когда-либо, наш бедный кот в своей коробке действительно был бы теоретически живым и мертвым одновременно.

Однако не так ясно, что именно означают такие термины, как «измеренный» или «эксперимент», поэтому трудно сказать, где на самом деле начинается и заканчивается ящик Шредингера и его мертвый, а не мертвый кот.

Все тематические статьи определяются проверкой фактов как правильные и актуальные на момент публикации. Текст и изображения могут быть изменены, удалены или добавлены по решению редакции, чтобы информация оставалась актуальной.

Что такое кот Шредингера? | Квантовая механика кота Шредингера

• «Кот Шредингера» изначально предназначался для насмешек над квантовой теорией.
• Однако квантовые ученые уже давно считают мысленный эксперимент сложной задачей.
• Теперь исследователи построили эксперимент на квантовом уровне, используя кубиты.

---

Квантовая механика часто испытывает трудности с проникновением в широкую публику, в этом и заключается важность «Кота Шредингера». Мысленный эксперимент захватил всеобщее воображение, и сегодня ученые все еще работают над ответом на его вызовы. Новое исследование изучает, как кошка в знаменитой головоломке могла существовать с помощью небольшого квантового обмана.

Во-первых, давайте резюмируем «Кот Шредингера».«В 1935 году австрийский физик Эрвин Шредингер изучал концепцию, называемую« суперпозицией ». Суперпозиция – это когда две волны встречаются, перекрываются и взаимодействуют, что может привести к различным результатам в зависимости от обстоятельств. размером с мир, во всем, от водной ряби на озере до наушников с шумоподавлением.

Шредингер не был сторонником современного на тот момент понимания квантовой механики, которая постулировала идею квантовой суперпозиции, происходящей до тех пор, пока частицы не взаимодействуют с или наблюдались внешним миром.Чтобы поиздеваться над этой идеей, он создал свой сценарий, который назвал «Кошачий парадокс»:

Можно даже создавать довольно нелепые кейсы. Кошка заперта в стальной камере вместе со следующим устройством (которое должно быть защищено от прямого вмешательства кошки): в счетчике Гейгера есть крошечный кусочек радиоактивного вещества, настолько маленького, что, возможно, в процессе в час один из атомов распадается, но также, с равной вероятностью, возможно, ни одного; если это произойдет, счетная трубка разряжается и через реле выпускает молоток, который разбивает небольшую колбу с синильной кислотой.Если оставить всю эту систему самому себе на час, можно сказать, что кошка все еще жива, если за это время ни один атом не распался. Его отравил бы первый атомный распад. Пси-функция всей системы могла бы выразить это, если бы в ней живая и мертвая кошка (простите за выражение) были смешаны или размазаны в равных частях.

Типично для этих случаев, что неопределенность, изначально ограниченная атомной областью, превращается в макроскопическую неопределенность, которая затем может быть разрешена прямым наблюдением.Это мешает нам так наивно принять в качестве действительной «размытую модель» для представления реальности. Само по себе в нем не должно быть ничего неясного или противоречивого. Есть разница между шаткой или расфокусированной фотографией и снимком облаков и туманов.


В своем сценарии Шредингер намеревался высмеять квантовую суперпозицию, но со временем многие физики начали видеть парадокс кошки гораздо менее нелепым, чем он представлял. Новейший случай: группа немецких, итальянских и американских исследователей только что построила настоящий эксперимент с двадцатью кубитами – единицами квантовой информации, такими как двоичный бит, отображающий 0 или 1 в качестве информации.

Двоичные биты можно обрабатывать только линейно, считывая 0 после 1 в определенном шаблоне. Но квантовая механика позволяет кубитам существовать в когерентном состоянии суперпозиции, что и хотели исследовать. В пределах 20 кубитов существует более миллиона состояний суперпозиции.

«Кубиты в состоянии кошки считаются чрезвычайно важными для развития квантовых технологий», – объясняет Цзян Цуй, физик из Института Питера Грюнберга в Юлихе, в заявлении для прессы.«Секрет огромной эффективности и производительности, ожидаемой от квантовых компьютеров будущего, кроется в этой суперпозиции состояний».

Команда поместила 20 запутанных квантовых битов в состояние суперпозиции, побив старый рекорд в 14, установленный в 2011 году. Они установили их на место, используя лазеры для захвата отдельных атомов в процессе, известном как «оптический пинцет».

«Мы практически раздули некоторые атомы до такой степени, что их атомные оболочки сливаются с соседними атомами, образуя одновременно две противоположные конфигурации, а именно возбуждения, занимающие все четные или нечетные позиции», – говорит Куи.«Это заходит так далеко, что волновые функции перекрываются, как в аналогии с котом Шредингера, и мы смогли создать суперпозицию противоположных конфигураций, которая также известна как состояние Гринбергера-Хорна-Цайлингера», в котором три или более частиц находятся запутаны друг в друге на квантовом уровне.

Они не единственные ученые, решившие в этом году загадку мысли Шредингера. Ранее в 2019 году команда Йельского университета объявила, что они нашли способ спасти кошку.

Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты.Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на сайте piano.io.

Кот Шредингера выдвинул веские возражения против Копенгагенской интерпретации

Дэн Хупер, доктор философии, Чикагский университет

В период с конца 1920-х до середины 1930-х годов вокруг копенгагенской интерпретации квантовой механики сложился консенсус. Большинство выдающихся физиков того времени, за исключением Альберта Эйнштейна, приняли этот консенсус. Эйнштейн активно пытался дискредитировать копенгагенскую интерпретацию, и в лице австрийского физика Эрвина Шредингера он нашел кого-то, кто симпатизировал его позиции.

«Кот Шредингера» – это мысленный эксперимент, созданный физиком Эрвином Шредингером для иллюстрации странных последствий копенгагенской интерпретации.
(Изображение: Tanistaja / Shutterstock)

Эйнштейн находит союзника в Шредингере

Шредингер не выступал против копенгагенской интерпретации так резко, как Эйнштейн. Однако он обнаружил, что новая консенсусная точка зрения проблематична с философской и концептуальной точек зрения.

За прошедшие годы Шредингер и Эйнштейн обменялись несколькими письмами, в которых они выразили свое взаимное недовольство консенсусной версией квантовой теории.По их мнению, теория, для создания которой они оба так много сделали, имела давние проблемы. И хотя Шредингер не чувствовал этого так сильно, как Эйнштейн, он тоже думал, что теория, вероятно, будет неполной в каком-то важном и фундаментальном смысле.

Узнайте больше о том, что ошибались другие великие ученые.

Знаменитый мысленный эксперимент Шредингера

В ноябре 1935 года, всего через несколько месяцев после публикации статьи ЭПР, Шредингер написал и опубликовал эссе, в котором представил мысленный эксперимент, который теперь известен как Кот Шредингера.Это, наверное, самая известная иллюстрация того, насколько странной может быть квантовая механика.

В своем эссе Шредингер описал гипотетический аппарат, предназначенный для иллюстрации и даже преувеличения некоторых странных следствий копенгагенского взгляда на квантовую теорию.

Этот аппарат начинает с радиоактивного вещества, период полураспада которого составляет час. Из-за вероятностной природы квантовой механики вы не можете предсказать, когда или будет ли радиоактивное вещество распадаться.Можно только сказать, что вероятность распада через час составляет 50/50.

Это нестабильное атомное вещество затем присоединяют к счетчику Гейгера. Если вещество распадается, его обнаруживает счетчик Гейгера, который заставляет молоток раскачиваться, разбивая колбу с сильнодействующей кислотой. Этот аппарат помещается вместе со здоровой кошкой в ​​непроницаемую камеру. Наконец, дверь камеры запечатана, и вы ждете.

Этот прибор может показаться сложным, но на самом деле имеет значение только одно: если радиоактивное вещество распадается, кислота убьет кошку, а если радиоактивное вещество не распадется, кошка останется живой.

Узнайте больше о стремлении Эйнштейна перевернуть стандартный взгляд на квантовую механику.

Что об этом говорит Копенгагенская интерпретация?

Давайте посмотрим, как можно было бы рассматривать аппарат Шредингера и кошку с точки зрения копенгагенской интерпретации квантовой механики. После того, как вы закроете дверь камеры, вы не сможете определить, распалось ли радиоактивное вещество или нет, и, следовательно, вы не сможете определить, мертва кошка или жива.

Однако, согласно копенгагенской интерпретации, это не просто вопрос нашего незнания. Радиоактивное вещество находится в состоянии, которое представляет собой комбинацию распавшегося и не распавшегося состояния. Следовательно, кошка одновременно мертва и жива.

Сделайте паузу и подумайте о популярном примере, который используется для иллюстрации теории суперпозиции. Есть электрон, описываемый волновой функцией, которая распространяется через точки A и B. Пока мы не определим его местоположение, этот электрон одновременно находится и в точке A, и в точке B.Физик сказал бы, что волновая функция представляет собой суперпозицию электрона, находящегося в точке A и находящегося в точке B.

Это стенограмма из серии видео Что Эйнштейн ошибся . Смотри сейчас, Вондриум.

В случае аппарата Шредингера волновая функция радиоактивного вещества находится в суперпозиции распавшегося и не распавшегося состояний. Следовательно, волновая функция кошки также находится в суперпозиции мертвого и живого состояний.Только когда вы открываете коробку и наблюдаете за кошкой, ее волновая функция разрушается, заставляя ее принимать однозначно живое или однозначно мертвое состояние.

Какова основная идея этого мысленного эксперимента? Пока дверь камеры не откроется, кошка не «только мертва» или «только жива». Дело не только в том, что мы не знаем, жив он или мертв, кошка одновременно мертва и жива.

Мир следует научному реализму?

Мысленный эксперимент «Кошка Шредингера» сумел достичь того, что он использует квантовую странность субатомного мира и показывает, как эти эффекты могут потенциально проявиться в чем-то более макроскопическом и осязаемом.

Мы могли бы согласиться с тем, что электроны, фотоны или другие квантовые частицы могут существовать в нескольких состояниях одновременно, но гораздо труднее представить себе, что это может быть верно в отношении чего-то вроде кошки. Большинству из нас интуиция подсказывает, что кошка должна быть либо живой, либо мертвой. в любой момент времени.

Если мы строго следуем копенгагенской интерпретации квантовой теории или квантовой механики, мы должны заключить, что пока это не наблюдается, кошка находится в суперпозиции живого и мертвого состояний.Он не жив и не мертв. Он одновременно и жив, и мертв. Однако наша интуиция подсказывает нам настаивать на том, что кошка должна быть однозначно живой или однозначно мертвой в данный момент времени. Дело в том, что наша интуиция просто настаивает на какой-то форме научного реализма, подобного тому, за что выступал Эйнштейн.

С точки зрения научного реалиста, существует реальный и четко определенный мир. В таком мире кошки либо живы, либо мертвы, а кошки никогда не бывают одновременно живыми и мертвыми.Независимо от того, что может сказать наша интуиция, нет никаких реальных доказательств того, что мир должен работать таким образом. Вполне возможно, что мир не желает придерживаться принципов научного реализма.

Узнайте больше о поисках Эйнштейном новой теории относительности.

Что такое наблюдение?

Это, по сути, то, о чем спорили выдающиеся физики того периода, такие как Нильс Бор, Макс Борн и Вернер Гейзенберг. Трудно утверждать, что Эйнштейн или Шредингер показали их неправоту в этом отношении.

Австрийско-ирландский физик Эрвин Шредингер внес ключевой вклад в развитие квантовой теории. (Изображение: Нобелевский фонд / общественное достояние)

Однако «Кот Шредингера» действительно вызывает веские возражения против копенгагенской интерпретации квантовой механики. С точки зрения Копенгагена, волновая функция объекта коллапсирует, когда он наблюдается, что поднимает вопрос о том, что именно составляет наблюдателя? Что именно представляет собой наблюдение?

В примере с кошкой Шредингера мы говорим, что волновая функция коллапсирует, когда мы открываем дверь в камеру и наблюдаем за кошкой.Но что делать, если на кошке есть блоха? Может ли это также вызвать коллапс волновой функции? И что такого особенного в наблюдателе, который заставляет физическую систему переходить в коллапсированное состояние? Это не может быть просто какое-либо взаимодействие, поскольку эксперименты неоднократно показывали, что квантовые частицы могут взаимодействовать друг с другом без коллапса своих волновых функций.

С точки зрения Копенгагена, в акте наблюдения есть что-то странно особенное. Многим физикам это кажется очень проблематичным, и многие из нас скептически относятся к копенгагенской интерпретации квантовой механики.

Общие вопросы о кошке Шредингера

В: Выжила ли кошка Шредингера?

В мысленном эксперименте, известном как «Кот Шредингера», кошка представляет собой квантовый объект или квантовую материю и, как говорят, существует в состоянии наложения живых и мертвых одновременно. Радиоактивное вещество внутри устройства также одновременно распадается и не распадается. Следовательно, пока кошка не будет замечена в конце часа, она будет жива и мертва одновременно.

В: Действительно ли Шредингер поместил кошку в ящик?

Кот Шредингера – это мысленный эксперимент, а не реальный эксперимент. Кошка в этом мысленном эксперименте – воображаемая кошка, и Шредингер никогда не помещал настоящую кошку ни в какую запертую камеру, содержащую радиоактивные вещества.

В: Как работает квантовая суперпозиция?

Принцип квантовой суперпозиции по существу гласит, что система, состоящая из квантовых частиц, существует как комбинация всех возможных конфигураций системы одновременно.

В: Что пытается доказать кошка Шредингера?

Эрвин Шредингер создал мысленный эксперимент под названием «Кот Шредингера», чтобы продемонстрировать, что квантовая теория может давать чрезвычайно абсурдные или странные результаты из-за простого искажения принципов теории.

Продолжайте читать


Как Эйнштейн бросил вызов ньютоновской физике
Объяснение специальной теории относительности Эйнштейна
Полевые уравнения Эйнштейна: длинный путь проб и ошибок

Как кот Шредингера превратился в такую ​​жестокую басню

Из всех причудливых аспектов квантовой теории немногие кажутся более странными, чем те, которые отражены в знаменитой басне Эрвина Шредингера о кошке, которая не жива и не мертва.Он описывает кошку, запертую в ящике без окон, вместе с радиоактивным материалом. Если радиоактивный материал распадается, устройство выпускает молот, который разбивает пузырек с ядом, что убивает кошку. Если радиоактивность не обнаружена, кошка живет. Шредингер придумал этот ужасный сценарий, чтобы высмеять то, что он считал нелепой особенностью квантовой теории. По мнению сторонников теории, до того, как кто-либо открыл коробку, чтобы проверить кошку, кошка не была ни живой, ни мертвой; он существовал в странном, типично квантовом состоянии живого и мертвого.

Сегодня, в нашем насыщенном LOLcats мире, странная маленькая сказка Шредингера часто разыгрывается для смеха, причем тон более сумасшедший, чем мрачный. ¹ Он также стал знаменосцем множества затруднений в философии и физике. Во времена Шредингера Нильс Бор и Вернер Гейзенберг провозгласили, что гибридные состояния, подобные тому, в котором должна была находиться кошка, являются фундаментальной чертой природы. Другие, такие как Эйнштейн, настаивали на том, что природа должна выбирать: живым или мертвым, но не тем и другим одновременно.

Хотя кот Шредингера и по сей день процветает как мем, дискуссии, как правило, упускают из виду одно ключевое измерение басни: среду, в которой Шредингер задумывал ее в первую очередь. Неслучайно перед лицом надвигающейся мировой войны, геноцида и разрушения интеллектуальной жизни Германии мысли Шредингера обратились к яду, смерти и разрушениям. Таким образом, кот Шредингера должен напоминать нам нечто большее, чем соблазнительные странности квантовой механики. Это также напоминает нам, что ученые, как и все мы, люди, которые чувствуют – и боятся.

смерть знания: Тревожные и жестокие события, происходившие в Европе в нацистской Германии в 1930-х годах, включая сожжения книг, подобные этому, повлияли на все уровни жизни в то время – вплоть до метафор, которые использовали ученые. опишите их работу. Национальный архив

Шредингер написал сценарий своего кота летом 1935 года в тесном диалоге с Альбертом Эйнштейном. Эти двое укрепили свою дружбу в конце 1920-х годов, когда они оба жили в Берлине.К тому времени теория относительности Эйнштейна принесла ему всемирную известность. Его расписание было перемежено земными заботами – заседаниями комитетов Лиги Наций, озадаченными сионистскими причинами – наряду с его научными занятиями. Шредингер, щеголеватый австриец, получил звание профессора Берлинского университета в 1927 году, всего через год после того, как представил волновое уравнение для квантовой механики (теперь известное просто как уравнение Шредингера). Вместе они наслаждались вечеринками с венскими колбасами raucus – Wiener Würstelabende , которые Шредингер устраивал в своем доме – и плаванием по озеру недалеко от летнего дома Эйнштейна.

Слишком скоро их добродушные собрания прекратились. Гитлер стал канцлером Германии в январе 1933 года. В то время Эйнштейн был в гостях у коллег в Пасадене, штат Калифорния. Пока он был в отъезде, нацисты совершили налет на его берлинскую квартиру и летний дом и заморозили его банковский счет. Эйнштейн ушел из Прусской академии наук и быстро устроился в Принстоне, штат Нью-Джерси, в качестве одного из первых членов совершенно нового Института перспективных исследований.

Шредингер ответил необычным тоном.Вместо пороха появилась кошка.

Тем временем Шредингер, который не был евреем и в политическом отношении занимал более низкую позицию, чем Эйнштейн, с ужасом наблюдал той весной, когда нацисты устраивали массовые митинги сожжения книг и расширяли ограничения по признаку расы для преподавателей университетов. Шредингер принял участие в Оксфордском университете и тем летом уехал из Берлина. (Позже он поселился в Дублине.) В августе он написал Эйнштейну с дороги: «К сожалению (как и большинство из нас), в последние месяцы у меня не было достаточно нервного покоя, чтобы серьезно заниматься чем-либо. ²


Вскоре их обмены мнениями возобновились, их некогда неторопливые прогулки теперь заменены трансатлантической почтой. До драматических потрясений 1933 года оба физика внесли огромный вклад в квантовую теорию; действительно, оба получили Нобелевские премии за свою работу по этому вопросу. И все же оба разочаровались в попытках своих коллег разобраться в уравнениях. Вооружившись бумагами и почтовыми марками, они снова погрузились в свои напряженные дискуссии. ^{3, 4}

Также по физике

Жизнь – это коса в пространстве-времени

Макс Тегмарк

“Простите, но сколько времени?” Я предполагаю, что тебе нравится я виновен в том, что задал этот вопрос, как если бы было очевидно, что там такая вещь, как время. Тем не менее, вы, вероятно, никогда не подходили к незнакомцу и … ПОДРОБНЕЕ

В мае 1935 года Эйнштейн опубликовал статью с двумя младшими коллегами из Института перспективных исследований, Борисом Подольским и Натаном Розеном, в которых утверждалось, что квантовая механика неполна.Они писали, что существуют «элементы реальности» – определенные количества или свойства физических объектов, для которых квантовая теория дает только вероятности. ⁵ В начале июня Шредингер написал, чтобы поздравить своего друга с последней статьей, восхваляя Эйнштейна за то, что он «публично призвал догматическую квантовую механику к объяснению тех вещей, которые мы так много обсуждали в Берлине». Десять дней спустя Эйнштейн ответил, выговорив Шредингеру, что «пропитанной эпистемологией оргии следует положить конец» – «оргии», которую каждый из них ассоциировал с Нильсом Бором и его более молодыми соратниками, такими как Вернер Гейзенберг, который утверждал, что квантовая механика полностью описывает сущность квантовой механики. природа, которая сама по себе была вероятностной. ⁶

Это произвело первые шевеления будущей кошки. В последующем письме Шредингеру Эйнштейн попросил своего друга представить шар, который был помещен в одну из двух одинаковых закрытых ящиков. Перед открытием любого из ящиков вероятность найти мяч в первом ящике будет 50 процентов. Эйнштейн сомневался, что это полное описание, и полагал, что правильная теория атомной области должна быть в состоянии вычислить определенное значение. Для Эйнштейна вычисление только вероятностей означало остановиться.

Ободренный восторженным ответом Шредингера, Эйнштейн продвинул свою аналогию с шариком в коробке еще дальше. Что, если маломасштабные процессы, о которых привыкли говорить физики, были увеличены до человеческих размеров? В письме Шредингеру в начале августа Эйнштейн изложил новый сценарий: представьте себе заряд пороха, который по своей природе был нестабильным и с такой вероятностью не взорвался в течение года. «В принципе, это можно довольно легко представить квантово-механически», – писал он. В то время как решения собственного уравнения Шредингера вначале могут показаться разумными, «по прошествии года это уже совсем не так.Скорее, ψ-функция – волновая функция, которую Шредингер ввел в квантовую теорию еще в 1926 году – «затем описывает своего рода смесь еще не взорвавшихся систем и уже взорвавшихся систем». Даже Бор, кукарекал Эйнштейн в своем письме, не должен принимать такую ​​чепуху, потому что «в действительности нет посредника между взорвавшимся и невзорвавшимся». ⁷ Природа должна выбирать между такими альтернативами, настаивал Эйнштейн, и, следовательно, физик должен делать это.

Эйнштейн мог бы найти множество различных примеров крупномасштабных эффектов, с помощью которых можно было бы критиковать квантово-вероятностное описание.Его выбор – безошибочный ущерб, нанесенный взорвавшимися тайниками с порохом – вероятно, отражает ухудшающуюся ситуацию в Европе. Еще в апреле 1933 года он написал другому коллеге, чтобы описать свое видение того, как «патологические демагоги», такие как Гитлер, пришли к власти, сделав паузу, чтобы отметить: «Я уверен, вы знаете, насколько я твердо убежден в причинности всех событий. – как квантовое, так и политическое. Позже в том же году он читал лекцию переполненной аудитории в Лондоне о «ярких вспышках молний в эти бурные времена».Другому коллеге он с ужасом заметил, что «немцы тайно перевооружаются в больших масштабах. Заводы работают день и ночь (самолеты, легкие бомбы, танки и тяжелые боеприпасы) »- так много взрывных зарядов, готовых взорваться. В 1935 году он публично отказался от своей прежней приверженности пацифизму. ⁸


Возможно, вдохновленный их последним обменом мнениями, Шредингер начал писать собственное длинное эссе на тему «Текущая ситуация в квантовой механике». Через полторы недели после получения письма Эйнштейна о взорвавшемся порохе Шредингер ответил необычным тоном.Вместо пороха появилась кошка.

Неудивительно, что вопреки барабану наступающего фашизма разговоры о шарах в ящиках превратились во взрывы, яды и болезненные вычисления жизни и смерти.

«В стальной камере заключен счетчик Гейгера, приготовленный с крошечным количеством урана, – писал Шредингер своему другу, – настолько мал, что в следующий час с такой же вероятностью можно ожидать распада одного атома. Усиленное реле обеспечивает, что первый атомный распад разбивает небольшую бутылку синильной кислоты.Это и – безжалостно – кошка тоже заперта в стальной камере ». Как и в случае с Эйнштейном, Шредингер воображал, как истекает назначенное время. Затем, согласно квантовой механике, «живая и мертвая кошка размазываются в равной мере». Эйнштейн был в восторге. «Ваш кот показывает, что мы полностью согласны», – писал он в начале сентября. «Ψ-функция, которая содержит как живую, так и мертвую кошку, просто не может рассматриваться как описание реального положения дел». ⁹


Через несколько месяцев после сентябрьского письма Эйнштейна в журнале Die Naturwissenschaften с почти идентичной формулировкой появился знаменитый пример кота Шредингера. ¹⁰ Но в печать почти не дошло. Через несколько дней после того, как он представил свой проект в журнал, редактор-основатель – еврейский физик по имени Арнольд Берлинер – был уволен. Шредингер хотел отказаться от эссе в знак протеста, но уступил только после того, как вмешался сам Берлинер. ¹¹

Мысли Шредингера тем летом были заняты не только опасениями по поводу жестокого обращения с Берлинером. Шредингер не скрывал своего отвращения к нацистскому режиму и стал откровенно фаталистом, когда был вынужден бежать из Берлина, размышляя в своем дневнике: «Может быть, я уже достаточно узнал из этого мира.И что я готов… »Спустя несколько месяцев после прибытия в Оксфорд один из друзей заметил, насколько он несчастен, и давление вынужденного переселения усугублялось мрачными ежедневными новостями. В мае 1935 года – сразу после того, как статья Эйнштейна, Подольского, Розена появилась в печати, – Шредингер прочитал 20-минутную лекцию по радио BBC на тему «Равенство и относительность свободы», вспомнив много раз в истории, когда «виселица и кол, меч а пушки послужили освобождению уважаемых людей »от политических репрессий. ¹² Несмотря на барабанный бой наступающего фашизма, неудивительно, что разговоры о шарах в коробках так быстро превратились в взрывы, яды и болезненные вычисления жизни и смерти.

Пока его эссе было в печати, Шредингер написал Бору, снова пытаясь понять, как Бор и другие могут примириться с причудливыми особенностями квантовой механики. Как и в случае с Эйнштейном, Шредингеру хотелось обсудить эти вопросы с Бором лично, «но сейчас время мало подходит для увеселительных поездок». Возникли более серьезные вопросы. Шредингер писал о своем «желании еще раз оказаться где-то надолго, то есть с большой долей вероятности знать, что делать в следующие 5 или 10 лет. ¹³ Жизнь только с вероятностью взяла свое.

И все же Европа все глубже погружалась во тьму. Всего через несколько лет после того, как Шредингер представил свою басню о квантовом коте и синильной кислоте, нацистские инженеры начали использовать тот же яд под торговой маркой «Циклон Б» в своих чрезвычайно эффективных газовых камерах. В марте 1942 года, незадолго до своей запланированной депортации в концлагерь, бывший редактор Шредингера из Die Naturwissenschaften , Арнольд Берлинер, покончил с собой, сделав в конце концов ужасную уверенность. ¹⁴

Со временем проблема, которая, как думал Шредингер, подорвала бы квантовую механику, стала, вместо этого, одним из наиболее известных приемов для обучения студентов теории. Центральный принцип квантовой механики состоит в том, что частицы могут существовать в состояниях «суперпозиции», одновременно обладая двумя противоположными свойствами. В то время как в повседневной жизни мы часто сталкиваемся с решениями «либо – либо», природа – по крайней мере, как это описано в квантовой теории – может принимать «и то, и другое».

За десятилетия физикам удалось создать в лаборатории всевозможные состояния шредингеровского кота, объединяя микроскопические частицы материи в суперпозиции «и-и» и исследуя их свойства.Несмотря на оговорки Шредингера, каждый тест соответствовал предсказаниям квантовой механики. На одном недавнем примере мы с коллегами продемонстрировали, что нейтрино – субатомные частицы, которые очень слабо взаимодействуют с обычным веществом – могут перемещаться на сотни миль в таких кошачьих состояниях. ¹⁵

В этом рассказе Шредингера о его дважды судьбоносном коте есть двойная ирония. Во-первых, хотя кошка Шредингера по-прежнему хорошо известна в классах физики (и за их пределами), немногие помнят, что Шредингер представил свою басню для критики квантовой механики, а не для ее разъяснения.Во-вторых, что еще более красноречиво: кошка Шредингера в свое время служила синекдохой для более широкого мира, который стал слишком странным – а иногда и слишком опасным – для понимания.

Дэвид Кайзер – профессор Гермесхаузена по программе MIT в области науки, технологий и общества, а также профессор факультета физики Массачусетского технологического института.

Ссылки

1. Crease, R.P. & Goldhaber, A. The Quantum Moment W.W. Norton & Company, Нью-Йорк, Нью-Йорк (2014).

2. Мур В. Шредингер: жизнь и мысль Издательство Кембриджского университета, Нью-Йорк, Нью-Йорк (1989).

3. Fine, A. Шаткая игра: Эйнштейн, реализм и квантовая теория University of Chicago Press, Чикаго (1986).

4. Кайзер Д. Возвращение актеров на сцену: личный контекст дебатов Эйнштейна-Бора. Британский журнал истории науки 27 , 129-152 (1994).

5. Эйнштейн, А., Подольский Б. и Розен Н. Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным? Physical Review 47 , 777-780 (1935).

6. Fine, A. Шаткая игра: Эйнштейн, реализм и квантовая теория University of Chicago Press, Чикаго (1986). Письмо Шредингера Эйнштейну от 7 июня 1935 года и письмо Эйнштейна Шредингеру от 17 июня 1935 года.

7. Fine, A. Шаткая игра: Эйнштейн, реализм и квантовая теория University of Chicago Press, Chicago ( 1986).Письмо Эйнштейна Шредингеру от 8 августа 1935 года.

8. Rowe, D.E. И Шульман, Р. Эйнштейн о политике Издательство Принстонского университета, Принстон, Нью-Джерси (2007).

9. Fine, A. Шаткая игра: Эйнштейн, реализм и квантовая теория University of Chicago Press, Чикаго (1986). Письмо Шредингера Эйнштейну от 19 августа 1935 г. и Эйнштейна Шредингеру от 4 сентября 1935 г.

10. Шредингер, Э. Die gegenwärtige Ситуация в квантенмеханике. Die Naturwissenschaften 23 , 807-849 (1935).

11. Д-р Арнольд Берлинер и Die Naturwissenschaften . Природа 136 , 506 (1935).