Чули коли-небудь, що щось може бути одночасно істинним і хибним, поки ви на це не подивитесь?
Кіт Шредінгера – це уявний експеримент, який демонструє, як у квантовій фізиці об’єкт може перебувати в кількох станах одночасно до моменту спостереження.
Експеримент Шредінгера
Суть цього експерименту полягає в тому, що кішку поміщають у закриту коробку разом із радіоактивною частинкою, яка має певну ймовірність розпаду протягом певного періоду часу. Якщо розпад відбувається, спеціальний детектор реєструє його, і механізм розбиває колбу з отрутою — кішка гине.
Якщо розпад не відбувається, отрута залишається запечатаною, а кішка залишається живою. Але згідно із законами квантової механіки, доки хтось не відкриє коробку і не перевірить, кішка вважається і живою, і мертвою, тобто перебуває в суперпозиції двох станів.
Якщо частинка розпадається, отрута вивільняється, і кішка гине. Якщо ні, кішка залишається живою. Проблема полягає в тому, що, згідно із законами квантової механіки, доки коробка не відкрита, система перебуває в суперпозиції, тобто одночасно перебуває в обох станах: кішка є і живою, і мертвою.
До чого тут кіт?
Ви напевно зустрічали в соцмережах меми і жарти про Шредінгера. Говорячи так, коментатори посилаються на відомий експеримент із котом Шредінгера, який начебто і живий, і мертвий одночасно.
Без кота і життя не те, і теорія суперпозиції у квантовій фізиці.
Експеримент не має нічого спільного з реальними кішками і був вигаданий для ілюстрації парадоксу квантової механіки, зокрема, суперпозиції станів і проблеми спостереження.
Кіт це просто зрозумілий образ, який робить складне квантове поняття більш доступним для людей. Сам Шредінгер критично ставився до такого тлумачення квантової фізики. Експеримент показав абсурдність застосування квантових законів до макроскопічних об’єктів.
Іронія полягає в тому, що фізики часто згадують «кішку Шредінгера», але рідко згадують, що сам Шредінгер намагався використовувати цей приклад, щоб довести, що таке тлумачення не має сенсу.
Хто такий Ервін Шредінгер
Ервін Шредінгер (1887-1961) – видатний австрійський учений-фізик, відомий як один з основоположників квантової теорії. За роботу з хвильової механіки 1933 року він удостоївся Нобелівської премії, а сам Ейнштейн говорив, що «її ідея походить від справжнього генія».
Щоб зрозуміти, у чому полягає заслуга Шредінгера, розберемося, що таке «квантовий» і «хвильовий». Слово «квант» означає мінімальну неподільну порцію чого-небудь. Наприклад, квант світла – це фотон, а квант електричного поля – це електрон. У кванта є безліч дивовижних і навіть дивних властивостей. Наприклад:
- Залежно від умов він може бути як часткою, так і хвилею – це називається корпускулярно-хвильовим дуалізмом.
- Він може перебувати одночасно в кількох місцях і станах одночасно – така його властивість називається суперпозицією.
Досягнення ж Шредінгера полягає в тому, що він зміг буквально «зловити квант за руку». Говорячи формально – придумав рівняння хвильової функції, яке допомагає визначити ймовірність знаходження кванта в будь-якій точці простору. За це рівняння, яке пізніше назвуть його ім’ям, він і отримав Нобелівську премію з формулюванням «за відкриття нових форм квантової теорії».
Взагалі, життя Шредінгера настільки ж трагічне, настільки ж і дивовижне: у ньому була і участь у Першій світовій війні, і роки безуспішних наукових пошуків, і вимушена еміграція від нацистів, і дружба з найвидатнішими вченими світу, зокрема й з Ейнштейном, Нільсом Бором і Вернером Гейзенбергом.
Як і багато геніїв, Шредінгер за вдачею був доволі ексцентричним і навіть у чомусь дивним – наприклад, він усе життя подорожував із рюкзаком у прогулянкових черевиках. Одного разу через це йому навіть мало не відмовили в заселенні в готель, коли він приїхав на Сольвеєвську конференцію для нобелівських лауреатів.
Про особистість і внесок Шредінгера у світову науку можна розповідати ще довго. Але ми зовсім забули про кота.
Навіщо знадобився експеримент Шредінгера
Як ми зазначили трохи вище, згідно з квантовою механікою, найдрібніші частинки можуть перебувати одразу в багатьох місцях одночасно. Така їхня властивість називається суперпозицією, і постулюється вона так:
Будь-яка система, поки за нею не спостерігають, перебуває у стані суперпозиції. Тобто у двох, а може бути й більше, положеннях, що взаємовиключають одне одного.
Виходить, що ми не можемо точно знати, в якому стані або точці простору перебуває наразі якась частинка, поки не станемо за нею спостерігати. Говорячи науково – хвильова функція колапсує і квантова система набуває одного зі станів лише за появи спостерігача.
Звучить вельми дивно – питається, яке діло частці до того, дивляться на неї чи ні? Але поспішаємо заспокоїти: цей парадокс спостерігача викликає питання не тільки у вас – це взагалі одна з головних проблем квантової механіки. Так, наприклад, ілюстрував її Альберт Ейнштейн: «Невже ви вважаєте, що Місяць існує тільки в той момент, коли ви дивитеся на нього?»
Варто застерегти, що Ейнштейн таким чином не висміював саму квантову механіку, а лише намагався образно сформулювати наявність серйозної прогалини в цій науці.
Шредінгер же пішов іншим шляхом: він вирішив експериментально довести, що стан системи не залежить від того, спостерігають за нею чи ні. Експеримент був уявний, тому любителі тварин можуть не переживати: під час експерименту жоден кіт не постраждав!
Експеримент із «Котом Шредінгера»
У 1935 році Шредінгер опублікував статтю з трьох частин під назвою «Сучасний стан квантової механіки», в якій було описано знаменитий парадокс із котом. Отже, ось у чому його суть:
- Уявімо, що у нас є сталевий звукоізольований ящик (контейнер, коробка).
- Усередині ящика встановлена «пекельна машинка» – спеціальний пристрій, у якому стоїть лічильник Гейгера з поміщеним у нього атомом радіоактивної речовини. Імовірність, що цей атом розпадеться протягом години, – 50%. Якщо атом розпадається, то лічильник приводить у дію спеціальний механізм – молоточок, що розбиває колбу з отруйною синильною кислотою.
- Поміщаємо в скриньку звичайного кота і закриваємо кришку. Через годину ми його відкриємо і зможемо побачити, живий кіт чи помер від отруєння отруйною речовиною.
Якщо слідувати копенгагенській інтерпретації квантової механіки, поки коробка зачинена, нещасна тварина, як і радіоактивний атом, перебуває в суперпозиції – тобто кіт Шредінгера і живий, і мертвий одночасно. Зрозуміло, що цього не може бути: не може ж кіт отруїтися отрутою лише наполовину.
Своїм «досвідом» Шредінгер хотів показати неповноту загальноприйнятої концепції. Мовляв, якщо вона не працює з макроскопічним об’єктом, яким є кіт, то як ми можемо застосувати її до мікроскопічного об’єкта, яким є атом? Він пропонував шукати інші способи розуміння квантової реальності, які б не суперечили здоровому глузду.
Пояснення експерименту
Експеримент Шредінгера викликав фурор у наукових колах. Ще б пак: один із фундаментальних принципів квантової механіки – принцип суперпозиції – було поставлено під сумнів. Стало з’являтися безліч спроб якось згладити протиріччя – від цілком тривіальних до зовсім фантастичних.
Так, копенгагенська інтерпретація продовжує наполягати на тому, що вихід частинки зі стану суперпозиції пов’язаний із появою спостерігача. Ба більше, сам вимір не є пасивним процесом – він впливає на систему і змушує її обрати один зі станів.
Річ у тім, що через недосконалість вимірювальних приладів ми не можемо однаково точно виміряти два параметри частинки – наприклад, її імпульс і положення в просторі. Що точніше ми вимірюємо одну величину, то гірші вимірювання в іншій. Це називається принципом невизначеності Гейзенберга. На цю тему у вчених-фізиків навіть існує анекдот:
Гейзенберг веде машину, його зупиняє поліцейський.
“Професоре, ви знаєте, з якою швидкістю ви їдете?”
“Ні, зате я точно знаю, де перебуваю.”
Наприклад, щоб виміряти, скажімо, імпульс частинки, нам потрібно пропустити її через детектор – тобто опромінити фотонами світла. Щойно ми це зробимо, під впливом фотонів частинка одразу ж втратить швидкість – а отже, вимірювання будуть неточними. Така втрата квантових властивостей при зіткненні із зовнішнім світом називається декогеренцією.
Виходить, що «ефект спостерігача» пов’язаний не з тим, що частинка якимось чином дізнається, що ми на неї дивимося. Це ми не можемо адекватно вивчити все різноманіття станів частинки – а під час спроби виміряти її параметри натикаємося лише на один із них, без жодної суперпозиції.
Якщо підсумувати, у копенгагенській інтерпретації кіт Шредінгера залишиться живим доти, доки радіоактивний атом не потрапить у детектор, де буде опромінений фотонами світла, які й змусять його вийти із суперпозиції.
Копенгагенська версія досить гарна, щоб бути загальноприйнятою, але вона має одну суттєву ваду – у ній немає чіткого пояснення, за яких саме умов частка обирає один зі станів. Це ніби відбувається випадково і не залежить від жодних законів. Така відповідь багатьом фізикам здається незадовільною, а тому зберігається простір для інших інтерпретацій.
Багатосвітова інтерпретація. У 1957 році американський фізик Г’ю Еверетт запропонував пояснення, здатне перевернути уявлення про Всесвіт. Так, згідно з багатосвітовою теорією, суперпозиція атома не зникає під час вимірювання, а продовжує існувати в паралельних світах.
Щоразу, коли ми відкриваємо коробку, ми фактично створюємо новий всесвіт, де система перебуває в новому стані. Виходить, кіт може бути живий і мертвий одночасно, але в різних світах. І ми, як спостерігачі, теж «розщеплюємося»: одна наша версія дістає з коробки живого вихованця, а інша – мертвого.
Багатосвітова інтерпретація хоч і є радикальною, зате зберігає універсальність квантової механіки для всіх об’єктів – і на мікро-, і на макрорівні. Саме тому квантові фізики розглядають її не як щось фантастичне, а як повноцінну наукову теорію.
Загалом, ми б не рекомендували проводити будь-які досліди над котами, якщо ви не хочете випадково опинитися всередині якогось фільму або мема про мультивсесвіти 🙂
Криптографія і квантові комп’ютери
Як ми розповіли вище, «досвід» Шредінгера поставив під сумнів повноту формулювання принципу суперпозиції. Але це не означає, що принцип не працює – навпаки, він уже зараз щосили використовується в науці і техніці.
Взяти, наприклад, квантовий комп’ютер. На відміну від звичайного смартфона і ноутбука, він працює не зі звичайними бітами, які приймають значення від 0 до 1, а з кубітами, що мають нескінченну кількість станів. Завдяки цьому вони можуть виконувати незрівнянно більше операцій за один такт.
По суті, квантовий комп’ютер є механічним втіленням кота Шредінгера – адже, щоб дізнатися результати його обчислень, нам потрібно виміряти стан кубітів. А при цьому якраз і відбувається колапс суперпозиції, і ми, завдяки спеціальним квантовим алгоритмам, отримуємо тільки одну відповідь з усіх можливих.
Інша сфера, де кіт Шредінгера міг би реалізувати свій потенціал, – криптографія. Використовуючи принцип суперпозиції, можна створювати надійні засоби захисту даних, які не зможуть «прослухати» шахраї. Називаються вони квантовими ключовими розподільниками (QKD) і працюють так:
- Оптоволоконним кабелем за допомогою фотона світла передається сигнал.
- Фотон перебуває у стані суперпозиції – наприклад, він може мати вертикальну і горизонтальну поляризацію.
- Якщо до кабелю в будь-якому місці підключиться зловмисник, хвильова функція колапсує і фотон світла перейде в конкретний стан.
- Спеціальний датчик на приймальній станції зафіксує зміни і сигналізує про втручання з боку.
- Профіт! Зловмисника покарано, дані захищені, а принцип суперпозиції вкотре довів свою ефективність.
Звичайно, крім криптографії та квантових комп’ютерів, є й інші сфери, де використовується принцип суперпозиції. Як мінімум заслуговує на увагу квантова телепортація, за допомогою якої можна передавати стан одного об’єкта до іншого без фізичного контакту. Але це вже тема для окремої статті – нам, любителям котів і парадоксів, поки вистачить і цього.
Що почитати по темі
Як сказав нобелівський лауреат Річард Фейнман, «квантову фізику не розуміє ніхто». Але це не означає, що ми не можемо до цього прагнути. Якщо хочете зробити перші кроки на цьому шляху, рекомендуємо звернути увагу на такі книжки:
- Джон Гріббін, «У пошуках кота Шредінгера».
- Майкл Файєр, “Абсолютний мінімум. Як квантова теорія пояснює наш світ”.
- Стівен Гокінг і Леонард Млодінов, «Найкоротша історія часу».
Висновок
Кіт Шредінгера – це більше, ніж парадокс. Це інструмент, який змушує мислити не шаблонно, вчитись ставити питання і бачити багатошаровість у простому.
Цей приклад допомагає пояснити непрості явища через зрозумілий образ, що легко запам’ятовується. Він використовується у викладанні фізики, розвитку критичного мислення і навіть у творчих інтерпретаціях складних ідей.
