Що таке кіт Шредінгера простими словами.
Юрій ГордєєвПрограміст, гейм-девелопер, дизайнер, художник
"Кіт Шредінгера" - це уявний експеримент, запропонований одним з піонерів квантової фізики, щоб показати, наскільки дивно квантові ефекти виглядають стосовно макроскопічних систем.
Постараюся пояснити справді простими словами: панове фізики, не спробуйте. Фраза "грубо кажучи" мається на увазі далі перед кожною пропозицією.
У дуже дрібних масштабах світ складається з речей, що поводяться дуже незвичайно. Однією з найдивніших характеристик таких об'єктів є здатність перебувати у двох взаємовиключних станах одночасно.
Що з інтуїтивної точки зору ще більш незвично (хтось навіть скаже, моторошно) — акт цілеспрямованого спостереження усуває цю невизначеність, і об'єкт, який щойно перебував у двох суперечливих станах одночасно, постає перед спостерігачем лише в одному з них, як ні в чому не бувало, дивиться вбік і безневинно посвистує.
На субатомному рівні всі до цих витівок уже давно звикли. Існує математичний апарат, що описує ці процеси, і знання про них знайшли різні застосування: наприклад, в комп'ютерах і криптографії.
На макроскопічному рівні ці ефекти немає: звичні нам об'єкти завжди перебувають у єдиному конкретному стані.
А тепер уявний експеримент. Беремо кота і саджаємо його в ящик. Туди ж поміщаємо колбу з отруйним газом, радіоактивний атом та лічильник Гейгера. Радіоактивний атом може розпастись у будь-який момент, а може не розпастись. Якщо він розпадеться, лічильник засіче радіацію, нехитрий механізм розіб'є колбу з газом, і наш кіт загине. Якщо ні – кіт залишиться живим.
Ідею кота використовували навіть для того, щоб «довести» існування Бога як надрозуму, безперервним своїм спостереженням, що робить можливим саме наше існування. Насправді ж «спостереження» не потребує свідомого спостерігача, що позбавляє квантові ефекти деякої частки містики. Але навіть при цьому квантова фізика залишається сьогодні фронтом науки з безліччю непояснених явищ та їх інтерпретацій.
Іван Болдінкандидат фізико-математичних наук, науковий співробітник, випускник МФТІ
Поведінка об'єктів мікросвіту (елементарних частинок, атомів, молекул) суттєво відрізняється від поведінки об'єктів, з якими нам зазвичай доводиться мати справу. Наприклад, електрон може пролітати одночасно через два просторово віддалені місця або знаходиться одночасно на декількох орбітах в атомі. Щоб описати ці явища, була створена теорія — квантова фізика. За цією теорією, наприклад, частинки можуть бути розмазані в просторі, але якщо ви захочете визначити, де ж частка все-таки знаходиться, то ви завжди виявите в якомусь місці всю частинку цілком, тобто вона ніби зхлопнеться зі свого розмазаного стану у якесь певне місце. Тобто вважається, що поки ви не виміряли положення частинки, вона взагалі не має становища, і фізика тільки може передбачити, з якою ймовірністю де ви можете виявити частинку.
Ервін Шредінгер, один із творців квантової фізики, поставив питання: а що, якщо в залежності від результату вимірювання стану якоїсь мікрочастинки відбувається або не відбувається якась подія. Наприклад, це можна було б реалізувати так: береться радіоактивний атом з періодом напіврозпаду, скажімо, годину. Атом можна помістити в непрозору скриньку, поставити тудипристрій, який при попаданні на нього продуктів радіоактивного розпаду атома розбиває ампулу з отруйним газом і посадити в цю ящик кота. Тоді ви ззовні не побачите, розпався атом чи ні, тобто за квантовою теорією він одночасно розпався і не розпався, а кіт одночасно живий і мертвий. Такого кота почали називати котом Шредінгера.
Може здатися дивним, що кіт може бути одночасно живий і мертвий, хоча формально тут немає суперечності і це не є спростуванням квантової теорії. Однак можуть виникнути питання, наприклад: хто може здійснити схлопування атома з розмазаного у певний стан, а хто за такої спроби сам переходить у розмазаний стан? Як протікає цей процес схлопування? Або як виходить, що той, хто здійснює схлопування, сам не підкоряється законам квантової фізики? Чи мають ці питання сенс, і якщо так, то які на них відповіді — досі неясно.
George Paninзакінчив РХТУ ім. Д.І. Менделєєва, головний спеціаліст дослідницького департаменту (маркетингові дослідження)
Як пояснив нам Гейзенберг, через принцип невизначеності опис об'єктів квантового мікросвіту носить інший характер, ніж звичний опис об'єктів ньютонівського макросвіту. Замість просторових координат і швидкості, якими ми звикли описувати механічний рух, наприклад, кулі по більярдному столу, в квантовій механіці об'єкти описуються так званою хвильовою функцією. Гребінь «хвилі» відповідає максимальній ймовірності знаходження частки у просторі в момент виміру. Рух такої хвилі описується рівнянням Шредінгера, яке й говорить нам про те, як змінюється згодом стан квантової системи.
Тепер про кота. Всім відомо, що коти люблятьховатися у коробках (thequestion.ru). Ервін Шредінгер теж був у курсі. Більше того, з суто нордичним бузувірством він використав цю особливість у знаменитому уявному експерименті. Суть його полягала в тому, що в коробці з пекельною машиною замкнений кіт. Машина через реле приєднана до квантової системи, наприклад, радіоактивно розпадається речовини. Імовірність розпаду відома і становить 50%. Пекельна машина спрацьовує коли квантовий стан системи змінюється (відбувається розпад) і котик гине повністю. Якщо надати систему «Котик-коробка-пекельна машина-кванти» самій собі на одну годину і згадати, що стан квантової системи описується в термінах ймовірності, стає зрозумілим, що дізнатися живий котик чи ні, в даний момент часу, напевно, не вийде, так само, як не вийде точно передбачити падіння монети орлом або рішкою наперед. Парадокс дуже простий: хвильова функція, що описує квантову систему, змішує в собі два стани кота - він живий і мертвий одночасно, так само як пов'язаний електрон з рівною ймовірністю може перебувати в будь-якому місці простору, рівновіддаленого від атомного ядра. Якщо ми не відкриваємо коробки, ми не знаємо точно, як там котик. Не здійснивши спостереження (читай вимірювання) над атомним ядром ми можемо описати його стан тільки суперпозицією (змішенням) двох станів: ядра, що розпалося і не розпалося. Кіт, що знаходиться в ядерній залежності, і живий і мертвий одночасно. Питання так: коли система перестає існувати як змішання двох станів і вибирає одне конкретне?
Звичайно, коли професор Ервін у далекому 1935 р. замислював своє кото-знущання це був дотепний спосіб показати недосконалість квантової механіки. Справді, кіт може бути живий і мертвий одночасно. В результаті однієї зінтерпретацій експерименту стала очевидність протиріччя законів макросвіту (наприклад, другого закону термодинаміки — кіт або живий, або мертвий) і мікросвіту (кіт живий і мертвий одночасно).
Вищеописане застосовується практично: в квантових обчисленнях і квантової криптографії. По волоконно-оптичному кабелю пересилається світловий сигнал, що у суперпозиції двох станів. Якщо зловмисники підключаться до кабелю десь посередині і зроблять там відведення сигналу, щоб підслуховувати інформацію, що передається, то це схлопне хвильову функцію (з точки зору копенгагенської інтерпретації буде проведено спостереження) і світло перейде в один із станів. Провівши статистичні проби світла на приймальному кінці кабелю, можна буде виявити, чи знаходиться світло в суперпозиції станів або над ним вже здійснено спостереження та передачу в інший пункт. Це уможливлює створення засобів зв'язку, які виключають непомітний перехоплення сигналу та підслуховування.