Парадокс кота Шредингера. Объяснение смысла. Американский физик разгадал парадокс кота Шрёдингера

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 статье описывается, что такое теория Шредингера. Показан вклад этого великого ученого в современную науку, а также описан придуманный им мысленный эксперимент про кота. Вкратце обрисована область применения такого рода знаний.

Эрвин Шредингер

Пресловутого кота, который ни жив, ни мертв, сейчас задействуют везде. Про него снимают фильмы, в его честь называют сообщества про физику и животных, есть даже такой бренд одежды. Но чаще всего люди подразумевают парадокс с несчастным котом. А вот про его создателя, Эрвина Шредингера, как правило, забывают. Он родился в Вене, которая тогда была частью Австро-Венгрии. Был отпрыском весьма образованной и состоятельной семьи. Его отец, Рудольф, производил линолеум и вкладывал деньги в том числе и в науку. Его мать была дочерью химика, и Эрвин часто ходил слушать в академию лекции деда.

Так как одна из бабушек ученого являлась англичанкой, с детства он был заинтересован иностранными языками и в совершенстве овладел английским. Неудивительно, что в школе Шредингер каждый год был лучшим в классе, а в университете задавался сложными вопросами. В науке начала двадцатого века уже были выявлены несоответствия между более понятной классической физикой и поведением частиц микро- и наномира. На разрешение возникающих противоречий и бросил все силы

Вклад в науку

Для начала стоит сказать, что этот физик занимался многими областями науки. Однако когда мы произносим «теория Шредингера», то подразумеваем не созданное им математически стройное описание цвета, а вклад в квантовую механику. В те времена технология, эксперимент и теория шли рука об руку. Развивалась фотография, были зафиксированы первые спектры, открылось явление радиоактивности. Ученые, которые получали результаты, тесно взаимодействовали с теоретиками: соглашались, дополняли друг друга, спорили. Создавались новые школы и отрасли науки. Мир заиграл совсем другими красками, и человечество получило новые загадки. Несмотря на сложность математического аппарата, описать, что такое теория Шредингера, простым языком можно.

Квантовый мир - это просто!

Сейчас хорошо известно, что масштаб исследуемых объектов напрямую влияет на результаты. Видимые глазу предметы подчиняются понятиям классической физики. Теория Шредингера применима к телам размерами сто на сто нанометров и меньше. А чаще всего речь идет вообще об отдельных атомах и более мелких частицах. Итак, каждый элемент микросистем обладает одновременно свойствами как частицы, так и волны (корпускулярно-волновой дуализм). От материального мира электронам, протонам, нейтронам и т. п. присуща масса и связанные с ней инерция, скорость, ускорение. От теоретической волны - такие параметры, как частота и резонанс. Для того чтобы понять, как это возможно одновременно, и почему они неотделимы друг от друга, ученым потребовалось пересмотреть вообще все представление о строении веществ.

Теория Шредингера подразумевает, что математически эти два свойства связаны через некий конструкт, называемый волновой функцией. Нахождение математического описания этого понятия принесло Шредингеру Нобелевскую премию. Однако физический смысл, который приписал ему автор, не совпал с представлениями Бора, Зоммерфельда, Гейзенберга и Эйнштейна, которые основали так называемую Копенгагенскую интерпретацию. Отсюда и возник «парадокс кота».

Волновая функция

Когда речь идет о микромире элементарных частиц, теряют смысл понятия, присущие макромасштабам: масса, объем, скорость, размер. И вступают в свои права зыбкие вероятности. Объекты таких размеров невозможно человеку зафиксировать - людям доступны только опосредованные способы изучения. Например, полоски света на чувствительном экране или на пленке, количество щелчков, толщина напыляемой пленки. Все остальное - область расчетов.

Теория Шредингера строится на уравнениях, которые вывел этот ученый. А их неотъемлемой составляющей является волновая функция. Она однозначно описывает тип и квантовые свойства исследуемой частицы. Считается, что показывает состояние, к примеру, электрона. Однако она сама, вопреки представлениям её автора, физического смысла не имеет. Это просто удобный математический инструмент. Так как в нашей статье излагается теория Шредингера простыми словами, скажем, что квадрат волновой функции описывает вероятность найти систему в заранее заданном состоянии.

Кот как пример макрообъекта

С данной интерпретацией, которая называется копенгагенской, сам автор не согласился до конца жизни. Ему претила размытость понятия вероятности, и он настаивал на наглядности самой функции, а не ее квадрата.

Как пример несостоятельности таких представлений, он утверждал, что в таком случае микромир влиял бы на макрообъекты. Теория гласит следующее: если в герметичную коробку поместить живой организм (например, кота) и капсулу с ядовитым газом, которая открывается, если некий радиоактивный элемент распадается, и остается закрытой, если распад не происходит, то до открытия коробки получаем парадокс. Согласно квантовым представлениям, атом радиоактивного элемента с некоторой вероятностью за определенный промежуток времени распадется. Таким образом, до экспериментального обнаружения атом одновременно и цел, и нет. И, как гласит теория Шредингера, на эту же долю вероятности кот одновременно мертв, а в остальном жив. Что, согласитесь, абсурдно, ибо, открыв коробку, мы обнаружим только одно состояние животного. И в закрытой емкости, рядом со смертоносной капсулой, кот либо мертв, либо жив, так как данные показатели дискретны и не предполагают промежуточных вариантов.

Данному феномену есть конкретное, но пока не до конца доказанное объяснение: при отсутствии ограничивающих время условий для определения конкретного состояния гипотетического кота этот эксперимент, несомненно, парадоксален. Однако квантовомеханические правила нельзя употреблять для макрообъектов. Точно провести границу между микромиром и обычным пока не получилось. Тем не менее животное размером с кошку, без сомнений, - макрообъект.

Применение квантовой механики

Как и для любого, даже теоретического, явления, встает вопрос о том, чем может быть полезен кот Шредингера. Теория большого взрыва, например, основывается именно на процессах, которые касаются этого мысленного эксперимента. Все, что относится к сверхвысоким скоростям, сверхмалому строению вещества, изучению вселенной как таковой, объясняется в том числе и квантовой механикой.

Может ли кот одновременно быть и живым и мертвым? Сколько существует параллельных вселенных? И существуют ли они вообще? Это вовсе не вопросы из области фантастики, а вполне реальные научные задачи, решаемые квантовой физикой.

Итак, начнем с Кота Шредингера . Это мысленный эксперимент, который предложил Эрвин Шредингер с целью указать на парадокс, существующий в квантовой физике. Суть эксперимента заключается в следующем.

В закрытый ящик одновременно помещен воображаемый кот, а также такой же воображаемый механизм с радиоактивным ядром и емкостью с ядовитым газом. Согласно эксперименту, если ядро распадется, то оно приведет механизм в действие: емкость с газом откроется и кот умрет. Вероятность распада ядра составляет 1 к 2.

Парадокс заключается в том, что согласно квантовой механике если над ядром не производят наблюдение, то кот находится в так называемой суперпозиции, другими словами кот одновременно находится во взаимоисключающих состояниях (он одновременно жив и мертв). Однако если наблюдающий откроет ящик, он может убедиться, что кот находится в одном конкретном состоянии: он или жив, или мертв. По мнению Шредингера, неполнота квантовой теории состоит в том, что она не уточняет, при каких условиях кот перестает быть в суперпозиции и оказывается либо живым, либо мертвым.

Данный парадокс усугубляется экспериментом Вигнера, который добавляет к уже существующему мысленному эксперименту категорию друзей. Согласно Вигнеру, во время открытия экспериментатором коробки, он узнает, жив ли кот или мертв. Для экспериментатора кот перестает быть в суперпозиции, однако для друга, который находится за дверью, и который еще не знает о результатах эксперимента, кот все еще находится где-то "между жизнью и смертью". Так можно продолжать с бесконечным количеством дверей и друзей, и согласно подобной логике, кот будет находиться в суперпозиции до тех пор, пока все люди во Вселенной не узнают, что же увидел экспериментатор, открыв ящик.

Как же объясняет подобный парадокс квантовая физика? Квантовая физика предлагает мысленный эксперимент квантового самоубийства и два возможных варианта развития событий, исходя различных интерпретаций квантовой механики.

В ходе проведения мысленного эксперимента на участника направлено ружье, которое либо выстрелит в результате распада радиоактивного атома, либо нет. Опять 50 на 50. Таким образом, участник эксперимента либо умрет, либо нет, а пока он находится, как и кот Шредингера в суперпозиции.

Данную ситуацию можно интерпретировать по-разному с точки зрения квантовой механики. Согласно копенгагенской интерпретации, ружье рано или поздно выстрелит, и участник умрет. Согласно интепретации Эверетта, суперпозиция предусматривает наличие двух параллельных вселенных, в которых одновременно существует участник: в одной из них он жив (ружье не выстрелило), во второй он мертв (оружие выстрелило). Однако если многомировая интерпретация верна, то в одной из вселенных участник всегда остается жив, что приводит к идее существования «квантового бессмертия».

Что касается кота Шредингера и наблюдателя эксперимента, то, согласно интерпретации Эверетта, он также оказывается вместе с котом сразу в двух Вселенных, то есть, выражаясь, «квантовым языком», «запутывается» с ним.

Звучит как история из фантастического романа, тем не менее, это одна из многих научных теорий, которая имеет место быть в современной физике.

Кот Шредингера - это знаменитый мыслительный эксперимент. Его поставил прославленный Нобелевский лауреат в области физики - австрийский ученый Эрвин Рудольф Йозеф Александр Шредингер.

Суть эксперимента заключалась в следующем. В закрытую камеру (ящик) был помещен кот. Ящик оборудован механизмом, который содержит радиоактивное ядро и ядовитый газ. Параметры подобраны так, что вероятность распада ядра за один час составляет ровно пятьдесят процентов. Если ядро распадется, то механизм придет в действие и откроется емкость с ядовитым газом. Следовательно, кот Шредингера умрет.

Согласно законам если не наблюдать за ядром, то его состояния будут описываться по двух основных состояний - ядра распавшегося и не распавшегося. И тут возникает парадокс: кот Шредингера, который сидит в ящике, может быть и мертв, и жив одновременно. Но вот если ящик открыть, то экспериментатор увидит только одно конкретное состояние. Либо «ядро распалось, и кот мертв», либо «ядро не распалось, и кот Шредингера жив».

По логике вещей, на выходе мы будем иметь одно из двух: либо живого кота, либо мертвого. Но вот в потенциале животное находится в обоих состояниях сразу. Шредингер пытался таким образом доказать свое мнение об ограниченности квантовой механики.

По копенгагенской интерпретации и этого эксперимента в частности, кот в одной из своих потенциальных фаз (мертв-жив) приобретает эти свойства исключительно после того, как в процесс будет вмешиваться сторонний наблюдатель. Но вот пока этого наблюдателя нет (тут подразумевается наличие конкретной личности, которая обладает достоинствами в виде ясности зрения и сознания), кот будет в подвешенном состоянии «между жизнью и смертью».

Знаменитая древняя притча о том, что кот гуляет сам по себе, приобретает в контексте данного эксперимента новые, интересные оттенки.

По Эверетта, которая заметно отличается от классической копенгагенской, процесс наблюдения не считается чем-то особенным. Оба состояния, в которых может быть кот Шредингера, в этой интерпретации могут существовать. Но они декогерируют друг с другом. Это значит, что единство данных состояний будет нарушено как раз таки вследствие взаимодействия с внешним миром. Именно наблюдатель, который открывает ящик, и вносит разлад в состояния кота.

Есть мнение, что решающее слово в этом вопросе нужно оставить за таким существом, как кот Шредингера. Смысл такого мнения - принятие факта, заключающегося в том, что во всем данном эксперименте именно животное является единственным абсолютно компетентным наблюдателем. Например, ученые Макс Тегмарк, Бруно Маршал и Ганс Моравен представили модификацию вышеприведенного эксперимента, где основной точкой зрения и является мнение кота. В этом случае кот Шредингера, несомненно, выживает, потому что наблюдать результаты может только выживший кот. А вот ученый Надав Кац опубликовал свои результаты, в которых он смог «вернуть» состояние частицы обратно после изменения ее состояния. Таким образом, шансы на выживание у кота заметно возрастают.

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.