Знаменитый парадокс кота шредингера. Теория шредингера простыми словами. А был ли котик

Многие слышали загадку про кота, который, попадая в ящик, сразу находился в нескольких состояниях и являлся ни мертвым, ни живым одновременно. Про подарок с несчастным котом большинство из нас слышало, но про ученого, который его придумал – нет. Создателем загадки является ученый из г Вена Эрвин Шредингер.

Шредингер родился в бывшей в те времена Австро-Венгрии в богатой семье. Отец Эрвина поощрял науку, а его дед по материнской линии был химиком. Ученый хорошо учился в школе и стал задумываться над серьезными вопросами физики, будучи студентом. В те времена ученые изучали поведение открытых тогда элементарных частиц и пытались объяснить, почему их поведение нельзя описать законами классической физики. Многие теоретики участвовали в дискуссиях, спорах, делали различные гипотезы и т. д. Шредингер предложил свое видение природы электромагнитных волн, описав их сложным уравнением. Пусть для математического объяснения требуется записывать непростую функцию, теория Шредингера простыми словами тоже может быть объяснена.

Суть теории Шредингера

На сегодняшний день известно, что описать законами классической физики можно только поведение макроскопических объектов, а те, которые не видны невооруженным глазом, совсем им не поддаются. Теорию ученого можно применять лишь к тем объектам, размеры которых сопоставимы с размерами молекул, атомов и даже таких элементарных частиц, как электроны, протоны и прочие.

Он предположил, что мелкие частицы обладают сразу двумя свойствами: материи (масса, протяженность, скорость) и волны (амплитуда, частота и прочими). Изначально было сложно вообразить, почему так происходит. Поэтому пришлось отбросить все учения классической механики Ньютона. Шредингер считал, что с помощью математики неразделимую взаимосвязь можно объяснить, записав . С точки зрения математики ученый оказался прав, но его объяснение взаимосвязи как физика оказалось неверным. Такие физики, как Гейзенберг, Бор, Эйнштейн и Зоммерфельд опровергли его мнение. Здесь и берет свое начало известная загадка про кота.

Восприятие микромира

Частицы, входящие в состав атома и сами атомы настолько малы, что мы не имеем возможности эмпирически оценить их массу, объем, скорость и прочие физические параметры. Ученые могут фиксировать лишь световые полоски, изменения на специальной чувствительной пленке и при помощи расчетов определять характеристики микрообъектов.

С помощью математической функции можно описать состояние частицы, но она является лишь математическим инструментом, лишенным физического смысла. С помощью возведенной в квадрат волновой функции можно определить лишь то, с какой вероятностью микроэлемент окажется в объеме пространства, полученного из дифференциальных значений координат. Только так можно простыми словами раскрыть суть теории Шредингера, какой ее видели такие ученые, как Эйнштейн, Гейзенберг и другие.

Кот Шредингера простыми словами

Сам ученый постоянно спорил, не признавая иного представления об его уравнении. Он считал, что оно таким, каким было выведено, является довольно наглядным, а само понятие вероятность носит весьма размытый характер. По его мнению, микрообъекты оказывали бы влияние на макромир, будь все так, как считали несогласные с ним ученые. В качестве наглядного объяснения своей правоты, он привел пример с котом и ящиком стенки которого не позволяют увидеть и услышать то, что в нем происходит.

В этот ящик помещается саморазрушающаяся капсула с ядом и всего один атом радиоактивного элемента. Вероятность распада атома за 1 час составляет 50%. В случае распада срабатывает датчик, который запускает механизм, созданный чтобы разрушить колбу. Но, поскольку узнать, произошел ли распад атома, можно лишь экспериментальным путем, произошел ли данный процесс, или нет узнать нельзя. Также нельзя точно сказать, умер кот или остался жив. Соответственно до открытия ящика, можно сказать, что он жив и мертв одновременно, а после ее открытия можно точно сказать, имела ли место одна из двух возможностей. Поскольку не существует иного состояния, кроме мертвого или живого для кота, была наглядно показана несостоятельность квантовой теории. Поэтому, в дальнейшем квантовая наука установила некоторые правила своей применимости. Напоследок, видео про кота Шредингера.

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.

Кот Шрёдингера – самый загадочный из всех котиков, котов, кошек, котеек, которых так обожает человечество. Вирусные видео «с котиками» разлетаются по Всемирной паутине с миллионами ежедневных просмотров, а изображения милых котят на рекламных билбордах способны заставить нас купить любой товар. На поприще популяризации науки тоже есть свои усатые-полосатые герои. Точнее, один - кот Шрёдингера. Наверняка вы о нем слышали, даже если не занимаетесь вопросами квантовой механики. Так почему почти сотню лет знаменитый кот не дает покоя физикам и лирикам, а также становится одним из наиболее любопытных объектов современной массовой культуры?

Кот Шрёдингера как метафора

Как это парадоксально ни звучит, но австрийский физик-теоретик и обладатель Нобелевской премии Эрвин Шрёдингер является «отцом» самого таинственного кота, а не хозяином. Ведь кот Шрёдингера - это мысленный эксперимент, теоретический парадокс и действительно потрясающая метафора для описания квантовой суперпозиции.

А был ли котик?

Вопрос «А был ли у Шрёдингера кот?» до сих пор остается открытым. Хотя, если верить ряду источников, в одном из ранних изданий Physics Today есть фотография ученого с его домашним котом Мильтоном. С другой стороны, в оригинальном тексте статьи 1935 г., где Эрвин Шрёдингер описал свой гипотетический эксперимент, и вовсе значится не кот, а кошка (die Katze). Почему главным персонажем своей концепции физик выбрал именно представителя кошачьих? Как же кошка превратилась в кота? Этим вопросам, похоже, суждено остаться риторическими.

Кот Шрёдингера мертв с вероятностью 50%

Однако если источником вдохновения для исследователя все-таки послужил его личный питомец, то, видимо, поводом к этому стала разбитая котом ваза или испорченные обои. Потому как главное, что кот Шрёдингера делает в ходе эксперимента, так это находится запертым в стальном ящике и… умирает. Правда, с вероятностью в 50%. А точнее, кроме бедного животного внутрь бокса помещен специальный механизм, содержащий радиоактивное ядро и емкость с ядовитым газом. Если ядро распадается, то механизм срабатывает, и от выпущенного газа кот погибает. Если не срабатывает - живет. Но узнать его судьбу может только наблюдатель, открывший ящик. До тех пор кот одновременно жив и мертв.

Без кота квантовая механика не та

Вся эта парадоксальная на первый взгляд ситуация наглядно иллюстрирует одно из положений квантовой механики. Согласно ему, атомное ядро находится одновременно во всех возможных состояниях: распада и не распада. Если над атомом не производится наблюдение, то его состояние описывается смешением этих двух характеристик. Поэтому кот, читай - ядро атома, и жив, и мертв. А это попросту невозможно. Значит, квантовой механике недостает некоторых правил, определяющих условия, при которых судьба кота однозначно ясна.

Кот Шрёдингра: разновидности

Не удивительно, что смысл происходящего с мифическим котом в стальной коробке имеет несколько интерпретаций.

• копенгагенская разновидность

Есть копенгагенская интерпретация квантовой механики, авторами которой являются Нильс Бор и Вернер Гейзенберг. Согласно ей, кот остается и в том, и в другом состоянии вне зависимости от наблюдателя. Ведь решающий момент происходит не тогда, когда открывается ящик, а когда срабатывает механизм. То есть условно животное уже давно погибло от газа, а ящик все еще заперт. Иными словами, в копенгагенской интерпретации нет никакого «мертвого-живого» состояния, потому как оно определяется детектором, реагирующим на распад ядра.

• разновидность Эверетта

Существует также многомировое толкование, или интерпретация Эверетта. Она трактует опыт с котом Шрёдингера как два отдельно существующих мира, расщепление на которые происходит в тот момент, когда открывается ящик. В одной вселенной кот жив-здоров, в другой он не пережил эксперимент.

• «квантовое самоубийство»

Так или иначе поочередно бедного кота Шрёдингера «перемучало» немало ученых-физиков. Одни, например, предлагали рассматривать ситуацию с котом с точки зрения самого животного - ведь он-то лучше всех физиков мира знает, мертв он или жив. Действительно, не поспоришь. Этот подход получил название «квантового самоубийства» и гипотетически позволяет проверить, какая из указанных интерпретаций верна.

Каждый может вывести свою разновидность

Если посмотреть на современную физическую науку, то можно с уверенностью сказать, что на страницах исследований многострадальный котик Шрёдингера живее всех живых. Периодически ученые предлагают свои решения этого известного парадокса, а также развивают концепцию в рамках весьма интересных разработок.

• «вторая коробка»

Например, в прошлом году исследователи из Йельского университета «дали» коту Шрёдингера вторую коробку для его смертельных пряток. На основе этого подхода ученые попробовали смоделировать систему, необходимую для работы квантового компьютера. Ведь, как известно, одна из главных сложностей в создании этого вида машины заключается в необходимости корректировать ошибки. И, как оказалось, привлечение котиков Шрёдингера - перспективный способ управления избыточной квантовой информацией.

• «микрокошка»

А буквально пару недель назад международной команде ученых, возглавляемой российскими специалистами в области квантовой оптики, удалось «развести» микроскопических шрёдингеровских кошек для того, чтобы продвинуться в поисках границы между квантовым и классическим мирами. Так кот Шрёдингера помогает физикам развивать квантовые технологии коммуникации и криптографии.

Кот Шрёдингера – звезда поп-культуры

Africa Studio / shutterstock.com

Если из своей злополучной коробки кот никак не может сбежать, то выбраться за пределы научных концепций и страниц исследований ему удалось. Да еще как!

Персонаж загадочного кота с нелегкой судьбой с завидным постоянством появляется в произведениях массовой культуры. Так, кот Шрёдингера фигурирует в книгах Терри Пратчетта, Фредрика Пола, Дугласа Адамса и других всемирно известных писателей. Конечно же, не обошлось без упоминания кота в популярных телепроектах, таких как «Теория большого взрыва» и «Доктор Кто». Не говоря о том, что образ кота Шрёдингера постоянно встречается в видеоиграх и текстах песен. А интернет-портал ThinkGeek уже заработал целое состояние на продаже футболок, где на одной стороне помещена надпись: «Кот Шрёдингера жив», а на другой - «Кот Шрёдингера мертв».

У котов получается лучше

Согласитесь, можно наблюдать удивительную вещь: самый известный научный кот - это всего лишь визуализированная модель для проверки гипотезы. Однако участие в ней хвостатого любимца придало эксперименту значительную долю поэтичности и шарма. А может быть, просто дело в том, что котики все делают лучше? Вполне возможно.

И помните: в результате эксперимента Шрёдингера ни один котик не пострадал.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

Если же ящик открыть, то экспериментатор обязан увидеть только какое-нибудь одно конкретное состояние: "ядро распалось, кот мёртв", или "ядро не распалось, кот жив"

"Кот Шрёдингера" - так называется занимательный мыслительный эксперимент, поставленный, как вы уже наверное догадались, Шрёдингером, а точнее, Нобелевским лауреатом по физике, австрийским ученым Эрвином Рудольфом Йозефом Александром Шрёдингером.

"Википедия" определяет эксперимент следующим образом: "В закрытый ящик помещён кот. В ящике имеется механизм, содержащий радиоактивное ядро и емкость с ядовитым газом. Параметры эксперимента подобраны так, что вероятность того, что ядро распадётся за 1 час, составляет 50 %. Если ядро распадается, оно приводит механизм в действие - открывается емкость с газом, и кот умирает.

Согласно квантовой механике, если над ядром не производится наблюдения, то его состояние описывается суперпозицией (смешением) двух состояний - распавшегося ядра и не распавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике, и жив, и мертв одновременно. Если же ящик открыть, то экспериментатор обязан увидеть только какое-нибудь одно конкретное состояние: "ядро распалось, кот мёртв", или "ядро не распалось, кот жив".

Читайте также :

Получается, что на выходе мы имеем живого или мертвого кота, однако в потенциале, кот и жив и мертв одновременно. Таким образом, Шрёдингер пытался доказать ограниченность квантовой механики, без применения к ней определенных правил.

Копенгагенская интерпретация квантовой физики - и в частности этого эксперимента - указывает на то, что кот приобретает свойства одной из потенциальных фаз (живой-мертвый) только после вмешательства в процесс наблюдателя.

То есть когда конкретный Шрёдингер открывает ящик, ему со стопроцентной уверенностью придется нарезать колбаски или позвонить ветеринару. Кот будет определенно жив или скоропостижно мертв. Но пока в процессе нет наблюдателя - конкретного человека обладающего несомненными достоинствами в виде зрения, и, как минимум, ясного сознания - кот будет находиться в подвешенном состоянии "между небом и землей".

Древняя притча о коте, который гуляет сам по себе, в этом контексте приобретает новые оттенки. Несомненно, кот Шрёдингера - не самое благополучное существо во Вселенной. Пожелаем же коту благополучного для него исхода и обратимся к другой занимательной задаче из таинственного и порой беспощадного мира квантовой механики.

Звучит она так: "Какой звук издает падающее в лесу дерево, если поблизости нет человека, способного этот звук воспринять?" Тут, в отличие от черно-белой судьбы несчастного/счастливого кота, мы сталкиваемся с разноцветной палитрой спекуляций: нет звука/есть звук, какой он, если он есть, а если его нет, то почему? Ответить на этот вопрос нельзя по очень простой причине - невозможности осуществить эксперимент. Ведь любой эксперимент подразумевает присутствие наблюдателя, способного воспринять и сделать выводы.

Читайте также :

То есть невозможно предположить, что происходит с объектами окружающей нас реальности в наше отсутствие. А если это невозможно воспринять, значит этого не существует. Как только мы покидаем комнату, все ее содержимое, вместе с самой комнатой перестает существовать или, точнее, продолжает существовать только в потенциале.

Одновременно там существуют пожар или наводнение, кража оборудования или незваные гости. Более того, в ней существуем и мы, в разных потенциальных состояниях. Один Я ходит по комнате и насвистывает дурацкую мелодию, другой Я грустно смотрит окно, третий - говорит с женой по телефону. В ней живет даже наша внезапная смерть или радостное известие в виде нежданного телефонного звонка.

Представьте на минуту все возможности, скрытые за дверью. А теперь представьте, что весь наш мир - это всего лишь скопище таких нереализованных потенциалов. Забавно, правда?

О днако тут возникает закономерный вопрос: ну и что? Да - забавно, да - интересно, но что, по сути, это меняет? Наука об этом скромно умалчивает. Для квантовой физики такие познания открывают новые пути в осознании Вселенной и ее механизмов, ну а нам, людям далеким от больших научных открытий, такая информация вроде бы ни к чему.

Да как это - ни к чему!? Ведь если существую я, смертный, в этом мире, значит, существую я, бессмертный, в другом мире! Если моя жизнь состоит из полосы неудач и огорчений, то где-то существую я - удачливый и счастливый? На самом деле, вне наших ощущений ничего нет, как нет комнаты, пока мы в нее не вошли. Наши органы восприятия лишь обманывают нас, рисуя в мозгу картину "окружающего" нас мира. Что же на самом деле находится вне нас пока остается тайной за семью печатями.

Наверняка вы не раз слышали, что существует такой феномен, как «Кот Шредингера». Но если вы не физик, то, скорее всего, лишь отдаленно представляете себе, что это за кот и зачем он нужен.

«Кот Шредингера » – так называется знаменитый мысленный эксперимент знаменитого австрийского физика-теоретика Эрвина Шредингера, который также является лауреатом Нобелевской премии. С помощью этого вымышленного опыта ученый хотел показать неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим системам.

В данной статье дана попытка объяснить простыми словами суть теории Шредингера про кота и квантовую механику, так чтобы это было доступно человеку, не имеющему высшего технического образования. В статье также будут представлены различные интерпретации эксперимента, в том числе и из сериала «Теория большого взрыва».

Описание эксперимента

Оригинальная статья Эрвина Шредингера вышла в свет в 1935 году. В ней эксперимент был описан с использованием или даже олицетворение:

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.

Другими словами:

1. Есть ящик и кот. В ящике имеется механизм, содержащий радиоактивное атомное ядро и ёмкость с ядовитым газом. Параметры эксперимента подобраны так, что вероятность распада ядра за 1 час составляет 50%. Если ядро распадается, открывается ёмкость с газом и кот погибает. Если распада ядра не происходит - кот остается жив-здоров.
2. Закрываем кота в ящик, ждём час и задаёмся вопросом: жив ли кот или мертв?
3. Квантовая же механика как бы говорит нам, что атомное ядро (а следовательно и кот) находится во всех возможных состояниях одновременно (см. квантовая суперпозиция). До того как мы открыли ящик, система «кот-ядро» находится в состоянии «ядро распалось, кот мёртв» с вероятностью 50% и в состоянии «ядро не распалось, кот жив» с вероятностью 50%. Получается, что кот, сидящий в ящике, и жив, и мёртв одновременно.
4. Согласно современной копенгагенской интерпретации, кот-таки жив/мёртв без всяких промежуточных состояний. А выбор состояния распада ядра происходит не в момент открытия ящика, а ещё когда ядро попадает в детектор. Потому что редукция волновой функции системы «кот-детектор-ядро» не связана с человеком-наблюдателем ящика, а связана с детектором-наблюдателем ядра.

Объяснение простыми словами

Согласно квантовой механике, если над ядром атома не производится наблюдение, то его состояние описывается смешением двух состояний - распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике и олицетворяющий ядро атома, 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».

Суть человеческим языком: эксперимент Шредингера показал, что, с точки зрения квантовой механики, кот одновременно и жив, и мертв, чего быть не может. Следовательно, квантовая механика имеет существенные изъяны.

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, промежуточного между жизнью и смертью), то это будет аналогично и для атомного ядра. Оно обязательно должно быть либо распавшимся, либо нераспавшимся (Википедия).

Видео из «Теории большого взрыва»

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.

Ниже приведен видеофрагмент этого диалога «Теории большого взрыва» между Шелдоном и Пении.

Остался ли кот живым в результате эксперимента?

Для тех, кто невнимательно читал статью, но все равно переживает за кота — хорошие новости: не переживайте, по нашим данным, в результате мысленного эксперимента сумасшедшего австрийского физика

НИ ОДИН КОТ НЕ ПОСТРАДАЛ