Юрий Гордеев, программист, гейм-девелопер, дизайнер, художник.
«Кот Шредингера» — это мысленный эксперимент, предложенный одним из пионеров квантовой физики, чтобы показать странные квантовые эффекты в макроскопических системах. Постараюсь объяснить это простыми словами, прошу прощения у физиков за упрощения.
В микромире всё состоит из объектов, которые ведут себя весьма необычно. Одна из самых странных характеристик этих объектов — способность находиться в двух взаимоисключающих состояниях одновременно. Что ещё более удивительно — когда мы целенаправленно наблюдаем за объектом, неопределенность исчезает, и он оказывается в одном из состояний, как будто ничего не произошло.
На субатомном уровне такие эффекты уже давно изучены. Имеется математический аппарат, который описывает эти процессы, и знания о них активно применяются в современных технологиях, таких как компьютеры и криптография. Однако на макроскопическом уровне такие эффекты не проявляются: привычные нам объекты всегда находятся в конкретном состоянии.
Теперь о мысленном эксперименте. Представим кота, запертого в ящике вместе с колбой с ядовитым газом и радиоактивным атомом. Атом может распасться или остаться целым. Если он распадется, счетчик Гейгера зафиксирует радиацию, и механизм разобьет колбу с газом — кот погибнет. Если нет — кот останется жив.
Закрываем ящик. С точки зрения квантовой механики, наш атом находится в состоянии неопределенности — он распался с вероятностью 50% и не распался с вероятностью 50%. Пока ящик закрыт, кот одновременно жив и мёртв, поскольку его судьба зависит от состояния атома. Именно так эта ситуация описывается квантовой теорией.
Шредингер, вероятно, не догадывался, насколько сильно его идея вызовет дискуссии. Эксперимент описан довольно грубо и не претендует на научную точность; автор хотел подчеркнуть необходимость уточнения понятий, таких как «наблюдение», чтобы исключить сценарии с котами в ящиках.
Некоторые использовали идею кота для «доказательства» существования Бога как гипотетического наблюдателя, который делает возможным наше существование. На самом деле «наблюдение» не обязательно требует присутствия сознательного наблюдателя, что снимает некоторую мистику с квантовых эффектов. Тем не менее, квантовая физика остаётся на переднем крае науки с множеством неразрешённых явлений и их интерпретаций.
Иван Болдин, кандидат физико-математических наук, отмечает, что поведение объектов микромира (элементарных частиц, атомов и молекул) кардинально отличается от привычных нам макроскопических объектов. Например, электрон может одновременно находиться в нескольких местах или на нескольких орбитах в атоме.
Для описания таких явлений была создана теория квантовой физики. Согласно этой теории, частицы могут быть размазаны в пространстве, но если мы захотим определить их положение, то обнаружим частицу в каком-то конкретном месте. Пока не проведено измерение, частица не имеет определенного положения, и физика лишь предсказывает вероятность её нахождения в зонах пространства.
Эрвин Шредингер, создатель квантовой физики, задался вопросом: что если результат измерения состояния какой-либо микрочастицы ведёт к определенному событию? В его эксперименте радиоактивный атом с периодом полураспада помещается в непрозрачный ящик с котом. Если атом распадётся, кот погибнет, иначе — останется живым.
В результате кот оказывается одновременно жив и мёртв. Хотя это звучит странно, здесь нет противоречия, и это не опровергает квантовую теорию. Вопросы, кто может осуществить «схлопывание» атома в определенное состояние и как происходит этот процесс, остаются открытыми до сих пор.
Как поясняет Гейзенберг, из-за принципа неопределенности объекты квантового мира описываются иначе, чем объекты ньютоновского макромира. Вместо координат и скорости используются волновые функции, а движение этих волн описывается уравнением Шрёдингера.
Шредингер также знал, что коты любят прятаться в коробках. В его экспериментах кот заперт в ящике с «адской машиной», подключенной к квантовой системе. Если система остаётся изолированной, узнать, жив кот или нет, невозможно. Однако, когда вы открываете ящик и производите наблюдение, система выбирает одно из состояний — кот либо жив, либо мёртв.
Обратите внимание, что сам процесс измерения меняет физическую реальность. Это утверждение вызывает множество вопросов о том, как именно происходит «схлопывание» состояния. Стив Хокинг жестко критиковал эту идею, считая, что роль наблюдателя в коллапсе волновой функции преувеличена.
Несмотря на это, эксперимент стал важным инструментом в квантовых вычислениях и криптографии. Например, при передаче информации через волоконные кабели, захват сигнала злоумышленником приводит к схлопыванию волновой функции, что позволяет обнаружить вмешательство.
Интересная интерпретация эксперимента «Кот Шредингера» появилась в сериале «Теория большого взрыва», где герой Шелдон Купер объясняет, что в отношениях между людьми, пока не открыта «коробка», они могут быть одновременно хорошими и плохими. Чтобы понять истинное состояние, достаточно просто заглянуть внутрь.