Кот Шрёдингера

Кот Шрёдингера — мысленный эксперимент , предложенный австрийским физиком-теоретиком, одним из создателей квантовой механики , Эрвином Шрёдингером , которым он хотел показать неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим .

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 .

В крупных комплексных системах , состоящих из многих миллиардов атомов , декогеренция происходит почти мгновенно , и по этой причине кот не может быть одновременно мёртвым и живым на каком-либо поддающемся измерению отрезке времени . Процесс декогеренции является существенной составляющей эксперимента .

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 . Статьи ЭПР и Шрёдингера обозначили странную природу « квантовой запутанности» ( нем. Verschr?nkung , англ. quantum entanglement, введённый Шрёдингером термин) , характерной для квантовых состояний , являющихся суперпозицией состояний двух систем (например , двух субатомных частиц) .

Копенгагенская интерпретация

В копенгагенской интерпретации система перестаёт быть смешением состояний и выбирает одно из них в тот момент , когда происходит наблюдение . Эксперимент с котом показывает , что в этой интерпретации природа этого самого наблюдения — измерения — определена недостаточно . Некоторые полагают , что опыт говорит о том , что до тех пор , пока ящик закрыт , система находится в обоих состояниях одновременно , в суперпозиции состояний «распавшееся ядро , мёртвый кот» и «нераспавшееся ядро , живой кот» , а когда ящик открывают , то только тогда происходит коллапс волновой функции до одного из вариантов . Другие догадываются , что «наблюдение» происходит , когда частица из ядра попадает в детектор; однако (и это ключевой момент мысленного эксперимента) в копенгагенской интерпретации нет чёткого правила , которое говорит , когда это происходит , и потому эта интерпретация неполна до тех пор , пока такое правило в неё не введено , или не сказано , как его можно ввести . Точное правило таково: случайность появляется в том месте , где в первый раз используется классическое приближение .

Таким образом , мы можем опираться на следующий подход: в макроскопических системах мы не наблюдаем квантовых явлений (кроме явления сверхтекучести и сверхпроводимости ); поэтому , если мы накладываем макроскопическую волновую функцию на квантовое состояние , мы из опыта должны заключить , что суперпозиция разрушается . И хотя не совсем ясно , что значит , что нечто является «макроскопическим» вообще , про кота точно известно , что он является макроскопическим объектом . Таким образом , копенгагенская интерпретация не считает , что до открытия ящика кот находится в состоянии смешения живого и мёртвого .

Практическое применение

Вышеописанное применяется на практике: в квантовых вычислениях и в квантовой криптографии . По волоконно-оптическому кабелю пересылается световой сигнал , находящийся в суперпозиции двух состояний . Если злоумышленники подключатся к кабелю где-то посередине и сделают там отвод сигнала , чтобы подслушивать передаваемую информацию , то это схлопнет волновую функцию (с точки зрения копенгагенской интерпретации будет произведено наблюдение) и свет перейдёт в одно из состояний. Проведя статистические пробы света на приёмном конце кабеля , можно будет обнаружить , находится ли свет в суперпозиции состояний или над ним уже произведено наблюдение и передача в другой пункт . Это делает возможным создание средств связи , которые исключают незаметный перехват сигнала и подслушивание .

Эксперимент (который в принципе может быть выполнен , хотя работающие системы квантовой криптографии , способные передавать большие объёмы информации , ещё не созданы) также показывает , что «наблюдение» в копенгагенской интерпретации не имеет отношения к сознанию наблюдателя , поскольку в данном случае к изменению статистики на конце кабеля приводит совершенно неодушевлённое ответвление провода .

В квантовых вычислениях состоянием Шрёдингеровского кота называется особое запутанное состояние кубитов , при котором они все находятся в одинаковой суперпозиции всех нулей или единиц .

Комментарии: