Кот шредингера в чем смысл. Знаменитая загадка «Кота Шредингера» простыми словами

Несмотря на то, что планетарная модель атома доказала свою состоятельность, существующая на тот момент теория не могла в полном объеме объяснить все процессы , которые наблюдались в реальной жизни. Оказалось, что в действительности, на микроуровне почему-то не работает классическая ньютоновская механика. Т.е. прототип модели, позаимствованный из реальной жизни, не соответствует наблюдениям ученых того времени в случае рассмотрения атома вместо нашей солнечной системы.

На основании этого концепция была существенно переработана. Появилась такая дисциплина, как квантовая механика . У истоков этого направления стоял выдающийся физик Эрвин Шредингер.

Понятие суперпозиции

Главным принципом, который отличает новую теорию, является принцип суперпозиции . Согласно этому принципу, квант (электрон, фотон или протон) может находиться в двух состояниях одновременно. Если упростить понимание этой формулировки, то получится факт, который совершенно невозможно представить в нашем сознании. Квант может находиться одновременно в двух местах.

На момент появления, эта теория противоречила не только классической механике, но и здравому смыслу. Даже сейчас, образованный человек, далекий от физики, с трудом может представить себе такую ситуацию. Ведь данное понимание, в конечном счёте, подразумевает, что и самчитатель может находиться сейчас и тут, и там . Именно так человек пытается представить переход от макромира к микромиру.

Человеку, который привык испытывать на себе действие ньютоновской механики и воспринимать себя в одной точке пространства, крайне сложно было представить нахождение сразу в двух местах. Кроме того, как таковой теории и закономерностей при переходе от макро к микро не было . Не было понимания конкретных численных значений и правил.

Однако, приборы того времени позволяли уже четко фиксировать этот «квантовый диссонанс» . Лабораторные приборы подтвердили, что сформулированные постулаты действительно состоятельны и квант способен находиться в двух состояниях. Например, был зафиксирован электронный газ вокруг ядра атома.

Основываясь на этом, Шредингер сформулировал известную концепцию, которая сейчас известна как теория о коте . Целью этой формулировки было показать, что в классической теории физики образовался огромный провал, требующий дополнительного изучения.

Кот Шредингера

Мысленный эксперимент о коте заключался в том, что кота помещали в закрытый стальной ящик . Ящик был оснащен устройством с ядовитым газом и приспособлением с ядром атома .

Исходя из известных постулатов, ядро атома может распасться на составляющие в течение одного часа, но может и не распасться . Соответственно, вероятность данного события составляет 50%.

Если ядро распадается, то срабатывает счётчик-регистратор, и в ответ на данное событие происходит высвобождение ядовитого вещества из описанного ранее приспособления, которым снабжен ящик. Т.е. кот погибает от яда. Если же этого не произойдет, кот не погибает соответственно. Исходя из вероятности распада 50%, вероятность того, что кот выживает – 50%.

Исходя и квантовой теории, атом может находиться в двух состояниях сразу. Т.е. атом и распался, и не распался. Значит регистратор и сработал, разбив емкость с ядом, и не распался. Кот отравился ядом, и кот не отравился ядом одновременно.

Но представить себе такую картину, что открыв ящик, исследователь обнаружил сразу мёртвого и живого кота, просто невозможно. Кот или жив, или мёртв. В этом парадокс ситуации. Сознанию зрителя невозможно представить себе мертво-живого кота.

Парадокс заключается в том, что кот является объектом макромира . Соответственно, говорить про него, что он жив и мёртв, т.е. находится в двух состояниях сразу аналогично кванту, будет не совсем правильным.

Используя данный пример, Шредингер сконцентрировался именно на факте отсутствия четких параллелей между макро- и микромирами . Последующие комментарии, которые дали специалисты, поясняют, что рассматривать следует систему детектор излучения – кот, а не кот-зритель. В системе детектор-кот вероятно лишь одно событие.

В 1935 году, ярым противником только что возникшей квантовой механики, Эриком Шрёдингером была опубликована статья, предполагавшая обличить и доказать несостоятельность новой ветки развития физики.

Суть статьи заключается в проведении мысленного эксперимента :

В совершенно герметичном ящике размещается живой кот.
Рядом с котом помещается счётчик Гейгера, в котором располагается один радиоактивный атом.
Напрямую к счётчику Гейгера присоединяется колба наполненная кислотой.
Возможный распад радиоактивного атома приведёт в действие счётчик Гейгера, который, в свою очередь, разобьёт колбу и вылившаяся из неё кислота убьёт кота.
Останется ли живым кот или же умрёт, если будет находиться вместе с такими неудобными соседями?
Для эксперимента выделяется один час.

Ответ, на данный вопрос и был призван доказать несостоятельность квантовой теории, в основе которой лежит суперпозиция: закон парадокса — все микрочастицы нашего мира всегда одномоментно находятся в двух состояниях, до тех пор, пока за ними не начинают наблюдать.

То есть, находясь в замкнутом пространстве (квантовая теория), наш кот, как и его непредсказуемый сосед — атом, синхронно присутствуют в двух состояниях :

Живой, и в то же время мёртвый кот.
Распавшийся, и в то же время не распавшийся атом.

Что, согласно классической физики, является совершеннейшим абсурдом. Невозможно одномоментное существование таких, взаимоисключающих, вещей.

И это правильно, но только с точки зрения макромира. Тогда как в микромире действуют совершенно другие законы, и потому Шрёдингер ошибался, применяя законы макромира к отношениям внутри микромира. Не понимая, что целенаправленное наблюдение за происходящими неопределённостями микромира, устраняют последние.

Другими словами, если открыть замкнутую систему, в которую помещён кот вместе с радиоактивным атомом, мы увидим лишь одно из возможных состояний испытуемого.

Это и удалось доказать американскому физику из университета штата Арканзас, Арту Хобсону (Art Hobson). Согласно его теории, если соединить микросистему (радиоактивный атом) с макросистемой (счётчиком Гейгера), последняя обязательно проникнется состоянием квантовой запутанности первой и перейдёт в суперпозицию. А, так как мы не можем произвести непосредственное наблюдение этого явления, оно для нас станет неприемлемым (что и доказывал Шрёдингер).

Итак, мы выяснили, что атом и счётчик радиации находятся в одной суперпозиции. Тогда кем или чем, для этой системы, можно назвать кота? Если рассуждать логически, кот, в этом случае, становится указателем состояния радиоактивного ядра (попросту — индикатором):

Кот — живой, ядро не распалось.
Кот — мёртвый, ядро распалось.

Однако, надо учесть и тот факт, что кот также является частью единой системы, так как тоже находится внутри ящика. Поэтому, согласно теории кванта, кот находится в, так называемой, не локальной связи с атомом, т.е. в запутанном состоянии , а значит в суперпозиции микромира.

Отсюда следует, что, при внезапном изменении одного из объектов системы, тоже произойдёт и с другим объектом, как бы далеко друг от друга они не находились. Мгновенная смена состояния обоих объектов, доказывает, что мы имеем дело с единой системой, просто разделённой пространством на две части.

А значит, можно с уверенностью говорить о том, что кот Шрёдингера сиюминутно, либо жив, если атом не распался, либо мёртв, если произошёл распад атома.

И все-таки, именно благодаря мысленному эксперименту Шрёдингера, был сконструирован математический прибор описывающий суперпозиции микромира. Эти знания нашли широкое применение в криптографии и компьютерных технологиях.

Напоследок хотелось бы отметить неиссякаемую любовь к таинственному парадоксу «кота Шрёдингера» со стороны всевозможных писателей и кинематографа. Вот только несколько примеров :

Магический устройство, под названием, «Кот Шрёдингера», в романе Лукьяненко «Последний Дозор».
В детективном романе Дугласа Адамса «Детективное агентство Дирка Джентли», идёт живое обсуждение проблемы кота Шрёдингера.
В романе Р. Э. Хайнлайна «Кот, проходящий сквозь стены», главный герой, кот, почти постоянно находится одномоментно в двух состояниях.
Знаменитый чеширский кот Льюиса Кэрролла в романе «Алисы в стране чудес», любит, одномоментно появляться сразу в нескольких местах.
В романе «451 градус по Фаренгейту» Рэй Брэдбери поднимает вопрос о коте Шрёдингера, в образе живого — мёртвого механического пса.
В романе «Маг-целитель» Кристофер Сташеф весьма своеобразно описывает своё видение кота Шрёдингера.

И ещё много других фееричных, совершенно невозможных представлений о таком загадочном мысленном эксперименте.

Если Вы заинтересовались статьёй по теме из квантовой физики, то велика вероятность того, что Вы любите сериал «Теория большого взрыва». Так вот, Шелдон Купер придумал свеженькую интерпретацию мысленного эксперимента Шрёдингера (видео с этим фрагментом Вы найдёте в конце статьи). Но чтобы понять диалог Шелдона с его соседкой Пенни, обратимся сначала к классической интерпретации. Итак, Кот Шредингера простыми словами.

В этой статье мы рассмотрим:

Короткая историческая справка
Описание эксперимента с Котом Шрёдингера
Разгадка парадокса Кота Шрёдингера

Сразу хорошая новость. Во время эксперимента кот Шредингера не пострадал . Потому что физик Эрвин Шрёдингер, один из создателей квантовой механики, провёл только мысленный эксперимент.

Перед тем, как погрузиться в описание эксперимента, сделаем мини экскурс в историю.

В начале прошлого века учёным удалось заглянуть в микромир. Несмотря на внешнюю схожесть модели «атом-электрон» с моделью «Солнце-Земля», оказалось, что в микромире не работают привычные нам ньютоновские законы классической физики. Поэтому появилась новая наука –квантовая физика и ёё составляющая – квантовая механика. Квантами назвали все микроскопические объекты микромира.

Внимание! Один из постулатов квантовой механики – «суперпозиция». Он пригодится нам для понимания сути эксперимента Шрёдингера.

«Суперпозиция» – это способность кванта (им может быть электрон, фотон, ядро атома) находится не в одном, а в нескольких состояниях одновременно или находится в нескольких точках пространства одновременно, если никто за ним не наблюдает

Нам это сложно понять, потому что в нашем мире объект может иметь только одно состояние, например, быть, или живым, или мёртвым. И может находиться только в одном определённом месте в пространстве. О «суперпозиции» и ошеломляющих результатах экспериментов квантовой физики можете почитать в этой статье .

Вот простая иллюстрация отличия поведения микро и макро объектов. Положите в одну из 2-х коробок шар. Т.к. шар – это объект нашего макро мира, Вы с уверенностью скажете: «Шар лежит только в одной из коробок, при этом во второй – пусто». Если же вместо шара возьмёте электрон, то верным будет высказывание, что он находится одновременно в 2-х коробках. Так работают законы микромира. Пример: электрон в реальности не вращается вокруг ядра атома, а находится во всех точках сферы вокруг ядра одновременно. В физике и химии, этот феномен имеет название «электронного облака».

Резюме. Мы поняли, что поведение очень маленького объекта и большого объекта подчиняются разным законам. Законам квантовой физики и Законам классической физики соответственно.

Но нет науки, которая описывала бы переход от макромира в микромир. Так вот, Эрвин Шрёдингер описал свой мысленный эксперимент как раз для того, чтобы продемонстрировать неполноту общей теории физики. Он хотел, чтобы парадокс Шредингера показал, что есть наука для описания больших объектов (классическая физика) и наука для описания микрообъектов (квантовая физика). Но не хватает науки для описания перехода от квантовых систем к макросистемам .

Описание эксперимента с Котом Шредингера

Эрвин Шрёдингер описал мысленный эксперимент с котом в 1935 году. Оригинальная версия описания эксперимента представлена в Википедии (Кот Шредингера Википедия ).

Вот версия описания эксперимента Кот Шредингера простыми словами:

В закрытый стальной ящик поместили кота.
В «ящике Шредингера» есть устройство с радиоактивным ядром и ядовитым газом, помещённым в ёмкость.
Ядро может распасться в течение 1 часа или нет. Вероятность распада – 50%.
Если ядро распадётся, то счётчик Гейгера зафиксирует это. Сработает реле и молоточек разобьёт ёмкость с газом. Котик Шрёдингера умрёт.
Если – нет, то шредингеровский кот будет жив.

Согласно закону «суперпозиции» квантовой механики в то время, когда мы не наблюдаем за системой, ядро атома (а следовательно, и кот) находится в 2-х состояниях одновременно. Ядро находится в состоянии распавшееся/нераспавшееся. А кот – в состоянии жив/мертв одновременно.

Но мы точно знаем, если «ящик Шредингера» открыть, то кот может быть только в одном из состояний:

если ядро не распалось – наш кот жив
если ядро распалось – котик мёртв

Парадокс эксперимента заключается в том, что согласно квантовой физике: до открытия коробки кот, и жив, и мёртв одновременно , но согласно законам физики нашего мира – это невозможно. Кот может быть в одном конкретном состоянии – быть живым или быть мёртвым . Нет смешанного состояния «кот жив/мёртв» одновременно.

Перед тем, как получить разгадку, посмотрите эту замечательную видео-иллюстрацию парадокса эксперимента с котом Шрёдингера (меньше 2-х минут):

Разгадка парадокса Кота Шрёдингера – копенгагенская интерпретация

Теперь разгадка. Обратите внимание на особую загадку квантовой механики – парадокс наблюдателя . Объект микромира (в нашем случае, ядро) находится в нескольких состояниях одновременно только пока мы не наблюдаем за системой .

Например , знаменитый эксперимент с 2-мя щелями и наблюдателем. Когда пучок электронов направляли на непрозрачную пластину с 2-мя вертикальными щелями, то на экране за пластиной электроны рисовали «волновую картину» — вертикальные чередующиеся тёмные и светлые полосы. Но когда экспериментаторы захотели «посмотреть», как электроны пролетают сквозь щели и установили со стороны экрана «наблюдателя», электроны нарисовали на экране не «волновую картину», а 2 вертикальные полосы. Т.е. вели себя, не как волны, а как частицы.

Похоже на то, что квантовые частицы сами решают, какое состояние им принять в момент, когда их «замеряют».

Исходя из этого, современное копенгагенское пояснение (интерпретация) феномена «Кота Шредингера» звучит так:

Пока никто не наблюдает за системой «кот-ядро», ядро находится в состоянии распавшееся/нераспавшееся одновременно. Но ошибочно утверждать, что и кот жив/мёртв одновременно. Почему? Да потому что в макросистемах квантовые явления не наблюдаются. Правильнее говорить не о системе «кот-ядро», а о системе «ядро-детектор (счётчик Гейгера)».

Ядро выбирает одно из состояний (распавшееся/нераспавшееся) в момент наблюдения (или измерения). Но этот выбор происходит не в тот момент, когда экспериментатор открывает ящик (открытие ящика происходит в макромире, очень далёком от мира ядра). Ядро выбирает своё состояние в момент, когда оно попадает в детектор. Дело в том, что в эксперименте система описана недостаточно.

Таким образом, копенгагенская интерпретация парадокса Кота Шредингера отрицает, что до момента открытия ящика Кот Шредингера был в состоянии суперпозиции – находился в состоянии живого/мёртвого кота одновременно. Кот в макромире может находится и находится только в одном состоянии.

Резюме. Шредингер не совсем полно описал эксперимент. Не правильно (точнее, невозможно связывать) макроскопические и квантовые системы. В наших макросистемах не действуют квантовые законы. В данном эксперименте взаимодействуют не «кот-ядро», а «кот – детектор-ядро». Кот из макромира, а система «детектор-ядро» – из микромира. И только в своём квантовом мире ядро может находиться в 2-х состояниях одновременно. Это происходит до момента измерения или взаимодействия ядра с детектором. А кот в своём макромире может находиться и находится только в одном состоянии. Поэтому, это только на 1-й взгляд кажется, что состояние кота «жив-мёртв» определяется в момент открытия ящика. На самом деле его судьба определяется в момент взаимодействия детектора с ядром.

Окончательное резюме. Состояние системы «детектор-ядро - кот» связано НЕ с человеком – наблюдателем за ящиком, а с детектором – наблюдателем за ядром.

Фух. Чуть мозги не закипели! Но как приятно самой понять разгадку парадокса! Как в старом студенческом анекдоте про преподавателя: «Пока рассказывал, сам понял!».

Интерпретация Шелдона парадокса Кота Шрёдингера

Теперь можно расслабиться и послушать самую свежую интерпретацию мысленного эксперимента Шредингера от Шелдона. Суть его интерпретации в том, что ёё можно применять в отношениях между людьми. Чтобы понять, хорошие отношения между мужчиной и женщиной или плохие – нужно открыть ящик (пойти на свидание). А до этого они, и хорошие, и плохие одновременно.

Ну как Вам этот «милый эксперимент»? В наше время досталось бы Шрёдингеру от защитников животных за такие зверские мысленные эксперименты с котом. А может это был не кот, а Кошка Шредингера?! Бедная девочка, натерпелась от этого Шредингера (((

До встречи в следующих публикациях!

Желаю всем удачного дня и приятного вечера!

P.S. Делитесь своими мыслями в комментариях. И задавайте вопросы.

P.S. Подписывайтесь на блог – форма подписки находится под статьёй.

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.