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
Самый известный парадокс квантовой механики связан с именем австрийского физика Эрвина Шредингера.
Это мысленный эксперимент, который проводят над воображаемым котом, помещенным в закрытый ящик. В ящике есть емкость с ядовитым газом, которая открывается и убивает кота после распада радиоактивного ядра. Вероятность того, что ядро распадется в течение 1 часа, составляет 1/2.
Квантовая механика утверждает, что если над ядром не производится наблюдение, то его состояние является смешением двух вероятных исходов. То есть кот, сидящий в ящике, и жив, и мертв одновременно, пока экспериментатор не открыл ящик и не увидел, что на самом деле случилось .
Существует усложненный вариант эксперимента, предложенный Вигнером. Если экспериментатор открывает коробку и видит живого кота, в лаборатории кот признан живым. Но предположим, что у экспериментатора есть друг за пределами лаборатории. Он признает кота живым только тогда, когда экспериментатор сообщит ему об этом. Но все остальные друзья еще не признали кота живым, до тех пор, пока им не сообщили результат. То есть до того момента, пока все люди во Вселенной не узнали ход эксперимента, кот остается живым и мертвым одновременно .
Сформировались две основные интерпретации квантовой механики, по-разному объясняющие эксперимент Шредингера
В копенгагенской интерпретации система выбирает одно из двух возможных состояний в тот момент, когда происходит наблюдение.
Эксперимент с котом показывает, что природа самого наблюдения определена недостаточно: оно происходит в момент открытия ящика или в момент распада частицы? В любом случае, до открытия ящика кот вовсе не находится в состоянии смешения живого и мертвого, потому что на макроскопические объекты не распространяются законы микромира.
Приверженцы многомировой интерпретации не считают процесс измерения чем-то особенным: допускается, что существуют оба состояния кота. Но в момент, когда наблюдатель открывает ящик, возникают два состояния наблюдателя, которые никак не взаимодействуют друг с другом. То есть Вселенная расщепляется на две другие вселенные, в одной из которых наблюдатель видит мертвого кота, а в другой – живого.
Эта интерпретация кажется фантастической, хотя многие ученые признают ее право на существование наравне с копенгагенской.
Многомировая теория послужила вдохновением для создателей фильмов «Престиж» (2006), «Исходный код» (2011), и в то же время на ней основаны некоторые идеи квантовой криптографии.
Энциклопедичный YouTube
-
1 / 5
Фактически Хокинг и многие другие физики придерживаются мнения, что «Копенгагенская школа» интерпретации квантовой механики подчёркивает роль наблюдателя безосновательно. Окончательного единства среди физиков по этому вопросу всё ещё не достигнуто.
Распараллеливание миров в каждый момент времени соответствует подлинному недетерминированному автомату в отличие от вероятностного, когда на каждом шаге выбирается один из возможных путей в зависимости от их вероятности.
Парадокс Вигнера
Это усложнённый вариант эксперимента Шрёдингера. Юджин Вигнер ввёл категорию «друзей». После завершения опыта экспериментатор открывает коробку и видит живого кота. Вектор состояния кота в момент открытия коробки переходит в состояние «ядро не распалось, кот жив». Таким образом, в лаборатории кот признан живым. За пределами лаборатории находится друг . Друг ещё не знает, жив кот или мёртв. Друг признает кота живым только тогда, когда экспериментатор сообщит ему исход эксперимента. Но все остальные друзья ещё не признали кота живым, и признают только тогда, когда им сообщат результат эксперимента. Таким образом, кота можно признать полностью живым (или полностью мёртвым) только тогда, когда все люди во вселенной узнают результат эксперимента. До этого момента в масштабе Большой Вселенной кот, согласно Вигнеру, остаётся живым и мёртвым одновременно .
Практическое применение
Вышеописанное применяется на практике: в квантовых вычислениях и в квантовой криптографии . По волоконно-оптическому кабелю пересылается световой сигнал, находящийся в суперпозиции двух состояний. Если злоумышленники подключатся к кабелю где-то посередине и сделают там отвод сигнала, чтобы подслушивать передаваемую информацию, то это схлопнет волновую функцию (с точки зрения копенгагенской интерпретации будет произведено наблюдение) и свет перейдёт в одно из состояний. Проведя статистические пробы света на приёмном конце кабеля, можно будет обнаружить, находится ли свет в суперпозиции состояний или над ним уже произведено наблюдение и передача в другой пункт. Это делает возможным создание средств связи, которые исключают незаметный перехват сигнала и подслушивание.
Эксперимент (который в принципе может быть выполнен, хотя работающие системы квантовой криптографии, способные передавать большие объёмы информации, ещё не созданы) также показывает, что «наблюдение» в копенгагенской интерпретации не имеет отношения к сознанию наблюдателя, поскольку в данном случае к изменению статистики на конце кабеля приводит совершенно неодушевлённое ответвление провода.
Все мы слышали про знаменитого кота Шредингера, но знаем ли мы, что это за кот такой на самом деле? Давайте разберемся и попытаемся рассказать о знаменитом коте Шредингера простыми словами.
Кот Шредингера – это эксперимент, проведенный Эрвином Шредингером, одним из отцов-основателей квантовой механики. Причем это не обычный физический эксперимент, а мысленный .
Надо признать, что Эрвин Шредингер был человеком с очень богатым воображением.
Итак, что у нас есть в качестве воображаемой основы для проведения эксперимента? Есть кот, помещенный в коробку. В коробке также находится счетчик Гейгера с некоторым очень маленьким количеством радиоактивного вещества. Количество вещества таково, что вероятность распада и нераспада одного атома в течение часа – одинакова. Если атом распадется, запустится специальный механизм, который разобьёт колбу с синильной кислотой, и бедный кот умрет. Если же распада не произойдет, то кот продолжит тихонько сидеть себе в коробке и мечтать о сосисках.
В чем же суть кота Шредингера? Зачем вообще было придумывать такой сюрреалистический опыт?
Согласно результатам эксперимента мы узнаем, жив кот или нет, только когда открываем коробку. С точки зрения квантовой механики кот одновременно (как и атом вещества) находится сразу в двух состояниях – и жив, и мертв одновременно. Это и есть знаменитый парадокс кота Шредингера.
Естественно, такого быть не может. Эрвин Шредингер поставил этот мысленный эксперимент, чтобы показать несовершенство квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим.
Приведем формулировку самого Шредингера:
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.
Определенно положительным моментом в данном эксперименте является тот факт, что не одно животное в его ходе не пострадало.
Напоследок, для закрепления материала предлагаем Вам посмотреть видео из старого доброго сериала «Теория Большого Взрыва».
А если у Вас вдруг остались вопросы или преподаватель задал задачку по квантовой механике, обращайтесь к . Вместе мы решим все вопросы гораздо быстрее!
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 (). 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.
