Напевно ви не раз чули, що існує такий феномен, як «Кіт Шредінгера». Але якщо ви не фізик, то, швидше за все, лише віддалено уявляєте собі, що це за кіт і навіщо він потрібен.
«Кіт Шредінгера» - так називається знаменитий уявний експеримент знаменитого австрійського фізика-теоретика Ервіна Шредінгера, який також є лауреатом Нобелівської премії. За допомогою цього вигаданого досвіду вчений хотів показати неповноту квантової механіки при переході від субатомних систем до макроскопічних систем.
У цій статті дана спроба пояснити простими словами суть теорії Шредінгера про кота і квантову механіку, так щоб це було доступно людині, яка не має вищої технічної освіти. У статті також будуть представлені різні інтерпретації експерименту, в тому числі і з серіалу «Теорія великого вибуху».
Зміст:
- Опис експерименту
- Пояснення простими словами
- Відео з «Теорії великого вибуху»
- Відгуки та коментарі
Опис експерименту
Оригінальна стаття Ервіна Шредінгера вийшла у світ 1935 року. У ній експеримент був описаний з використанням прийому порівняння або навіть уособлення:
Можна побудувати і випадки, в яких досить бурлеска. Нехай який-небудь кіт замкнений у сталевій камері разом з наступною диявольською машиною (яка повинна бути незалежно від втручання кота): всередині лічильника Гейгера знаходиться крихітна кількість радіоактивної речовини, настільки невелика, що протягом години може розпастися тільки один атом, але з такою ж ймовірністю може і не розпастися; якщо ж це станеться, зчитувальна трубка розряджається і спрацьовує реле, що спускає молот, який розбиває колбочку з синильною кислотою.
Якщо на годину надати всю цю систему самій собі, то можна сказати, що кіт буде живий після закінчення цього часу, коли скоро розпаду атома не відбудеться. Перший же розпад атома отруїв би кота. Псі-функція системи в цілому буде виражати це, змішуючи в собі або розмазуючи живого і мертвого кота (вибачте за вираз) в рівних частках. Типовим у подібних випадках є те, що невизначеність, спочатку обмежена атомним світом, перетворюється на макроскопічну невизначеність, яка може бути усунена шляхом прямого спостереження. Це заважає нам наївно прийняти «модель розмиття» як таку, що відображає дійсність. Саме по собі це не означає нічого неясного або суперечливого. Є різниця між нечітким або розфокусованим фото і знімком хмар або туману.
Іншими словами:
- Є ящик і кіт. У скриньці є механізм, що містить радіоактивне атомне ядро і ємність з отруйним газом. Параметри експерименту підібрані так, що ймовірність розпаду ядра за 1 годину становить 50%. Якщо ядро розпадається, відкривається ємність з газом і кіт гине. Якщо розпаду ядра не відбувається - кіт залишається живий-здоровий.
- Закриваємо кота в ящик, чекаємо годину і задаємося питанням: чи живий кіт чи мертвий?
- Квантова ж механіка ніби говорить нам, що атомне ядро (а отже і кіт) знаходиться у всіх можливих станах одночасно (див. квантова суперпозиція). До того як ми відкрили скриньку, система «кіт - ядро» знаходиться в стані «ядро розпалося, кіт мертвий» з імовірністю 50% і в стані «ядро не розпалося, кіт живий» з імовірністю 50%. Виходить, що кіт, що сидить в ящику, і живий, і мертвий одночасно.
- Згідно сучасної копенгагенської інтерпретації, кіт-таки живий/мертвий без всяких проміжних станів. А вибір стану розпаду ядра відбувається не в момент відкриття ящика, а ще коли ядро потрапляє в детектор. Тому що редукція хвильової функції системи «кіт - детектор-ядро» не пов'язана з людиною-спостерігачем ящика, а пов'язана з детектором-спостерігачем ядра.
Пояснення простими словами
Згідно з квантовою механікою, якщо над ядром атома не проводиться спостереження, то його стан описується змішанням двох станів - ядра і нерозпаного ядра, отже, кіт, що сидить в ящику і уособлює ядро атома, і живий, і мертвий одночасно. Якщо ж ящик відкрити, то експериментатор може побачити тільки якийсь один конкретний стан - «ядро розпалося, кіт мертвий» або «ядро не розпалося, кіт живий».
Суть людською мовою: експеримент Шредінгера показав, що, з точки зору квантової механіки, кіт одночасно і живий, і мертвий, чого бути не може. Отже, квантова механіка має суттєві вади.
Питання стоїть так: коли система перестає існувати як змішання двох станів і вибирає один конкретний? Мета експерименту - показати, що квантова механіка неповна без деяких правил, які вказують, за яких умов відбувається колапс хвильової функції, і кіт або стає мертвим, або залишається живим, але перестає бути змішанням того й іншого. Оскільки зрозуміло, що кіт обов'язково повинен бути або живим, або мертвим (не існує стану, проміжного між життям і смертю), то це буде аналогічно і для атомного ядра. Воно обов'язково повинно бути або розпаленим, або нерозпавшимся (Вікіпедія).
Відео з «Теорії великого вибуху»
Ще однією найбільш свіжою інтерпретацією мисленого експерименту Шредінгера є розповідь Шелдона Купера, героя серіалу «Теорія великого вибуху» («Big Bang Theory»), яку він виголосив для менш освіченої сусідки Пенні. Суть розповіді Шелдона полягає в тому, що концепція кота Шредінгера може бути застосована у відносинах між людьми. Для того щоб зрозуміти, що відбувається між чоловіком і жінкою, які стосунки між ними: хороші або погані, - потрібно просто відкрити ящик. А до цього відносини є одночасно і хорошими, і поганими.
Нижче наведено відеофрагмент цього діалогу «Теорії великого вибуху» між Шелдоном і Пенії.
Чи залишився кіт живим у результаті експерименту?
Для тих, хто неуважно читав статтю, але все одно переживає за кота - хороші новини: не переживайте, за нашими даними, в результаті мисленого експерименту божевільного австрійського фізика
ЖОДЕН КІТ НЕ ПОСТРАЖДАВ
Відгуки та коментарі
Якщо у вас є чим поділитися відносного розуміння парадоксу Шредінгера, можете написати про це нижче.