История кота Шредингера, который пострадал за науку. Или не пострадал — физики до сих пор не могут договориться
История кота Шредингера, который пострадал за науку. Или не пострадал — физики до сих пор не могут договориться
Физик-теоретик Эрвин Шредингер сделал в жизни много важных вещей. Он получил Нобелевскую премию, был почетным профессором в десятке стран, писал стихи, а еще занимался философией и биологией. Вот только всему современному миру он известен как человек, который додумался запихнуть кота в смертельную ловушку.
Мы решили раз и навсегда разобраться с парадоксом кота Шредингера. Оказывается, все не так уж и сложно.
Эрвин Шредингер
Шредингер умудрился приобрести репутацию чудака даже среди коллег, которые сами-то часто бывают оторваны от жизни. Ученый одевался так небрежно, что его не хотели пускать в гостиницу, потому что принимали за бродягу. Однажды на важной конференции Шредингер отказался говорить о ядерной энергии и прочел лекцию по философии.
Вот такой неоднозначный человек решил потроллить научную общественность и придумал жестокий эксперимент с участием кота и смертельного газа. К счастью, ни один котик не пострадал. А все потому, что эксперимент был мысленным и все происходило только в воображении отдельно взятого физика.
Пару слов о квантовой механике
Вот простой пример работы квантовой физики. Возьмите 2 пустых спичечных коробка. В один из них положите спичку — это объект нашего привычного макромира. Теперь вы можете сказать, что спичка лежит только в одном коробке, а в другом ничего нет. Так работает привычная нам ньютоновская физика.
Все меняется, если вместо спички взять электрон: он будет находиться одновременно в 2 коробках. Так работают законы квантовой физики.
Квантовая механика говорит нам о том, что любая квантовая частица (фотон, электрон, ядро атома и т. п.) находится сразу в нескольких состояниях или в нескольких точках пространства. В микромире частиц не работают привычные нам ньютоновские законы физики.
Частицы ведут себя по своим собственным правилам: они находятся в суперпозиции, т. е. в 2 или более траекториях либо в 2 или более точках пространства одновременно. Здорово, правда?
Кот Шредингера
С чем был не согласен Шредингер? Физик хотел показать, что есть классическая физика (описывает большие объекты) и квантовая физика (описывает крохотные объекты вроде атомов), а точных правил перехода от квантовой системы к макросистеме не существует.
Внимание, знатоки. Когда перестают действовать законы микромира и где начинается макромир? Для поклонников квантовой механики это был больной вопрос. Пришел Шредингер со своим котом и запутал всех окончательно.
В 1935 году физик провел свой знаменитый мысленный эксперимент. Оригинал текста на немецком есть тут. Ну а мы перевели его для вас с языка ученых на язык простых людей.
- В закрытый стальной ящик помещают кота.
- Кроме кота в ящике есть адская машина с радиоактивным ядром и ядовитым газом. Газ находится в запечатанном стеклянном сосуде.
- Радиоактивное ядро может распасться в течение 1 часа. А может и не распасться. Вероятность события — 50 %. (Примечание: распад ядра — самый легкий пример, который пришел ученому в голову, потому что в данном случае у ядра есть только 2 варианта. Если бы он взял какую-то другую переменную, результаты эксперимента трудно было бы предсказать.)
- Если ядро распадется, котику не повезет. Потому что распад ядра будет зафиксирован счетчиком Гейгера, сработает реле, и специальный молоточек разобьет ампулу с токсичным газом. Кот мертв.
- Если ядро не распадается, кот остается жив.
По законам квантовой механики в то время, пока ящик закрыт, радиоактивное ядро и наш многострадальный кот находятся в 2 состояниях одновременно. Ядро распалось / не распалось, а кот Шредингера жив / мертв. Если наблюдатель откроет крышку, то увидит либо мертвого кота (ядро распалось), либо живого и удивленного кота (ядро цело).
Но мы-то знаем, что кот не может быть и жив, и мертв одновременно. Может, и с ядром происходит то же самое?
Парадокс Шредингера
Чтобы понять суть эксперимента Шредингера, нужно познакомиться с еще одним принципом квантовой механики — парадоксом наблюдателя.
Радиоактивное ядро, которое грозит нашему котику, находится в суперпозиции ровно до тех пор, пока мы не наблюдаем за системой. Как только к системе подключается наблюдатель и пытается посмотреть, что вообще происходит, ядро (атомы, фотоны) наконец-то определяется и занимает некую позицию.
Если за системой никто не наблюдает (не лезет в ящик со своими измерительными приборами), то ядро распалось / не распалось одновремененно.
Но кот — совсем другое дело. Он совершенно точно жив или совершенно точно мертв. Потому что на котика, т. е. макросистему, не действуют квантовые законы — он состоит из множества разных частиц. Радиоактивное ядро находится в одном мире, а котик живет в мире больших вещей.
Коту все равно, когда вы откроете крышку. Это ядро распадется / не распадется, когда появится наблюдатель. А кот будет либо жив, либо мертв независимо от того, смотрите вы на него или нет.
Откуда ядро «знает», что за ним наблюдают? Когда люди или приборы начинают наблюдение или измерение, частицы переживают волновой (квантовый) коллапс: какое-то время они были в состоянии неопределенности (у них было много вариантов), а измерение / наблюдение определяет положение ядра в пространстве / времени. Говоря простыми словами, ядро из микромира попадает в макромир. Оно покидает зону действия законов квантовой физики и попадает под действие ньютоновской физики.
Выводы
Шредингер намеренно смешал теплое с мягким. Он поместил в один эксперимент объект микромира и макромира. Хотя их взаимодействие невозможно просто потому, что у кота и у ядра свои законы физики.
Ученый добился своего и показал, что законы квантовой физики нуждаются в уточнении. А наблюдатель при работе с объектами макромира не играет никакой роли. Иначе судьбу кота решал бы человек, который откроет крышку железного ящика.
Объяснение от Шелдона Купера
Если к концу нашей статьи ваши мозги начинают кипеть, вот вам объяснение Шелдона Купера из сериала «Теория Большого взрыва». Главный ботан сериала применил теорию к отношениям между людьми. Чтобы понять, какие отношения между мужчиной и женщиной, нужно открыть железный ящик (пойти на свидание). Пока ящик закрыт, отношения и хорошие, и плохие одновременно.
Кот Шредингера постепенно стал физико-математическим мемом. В научно-фантастических книгах, кино и сериалах этот парадок упоминается регулярно. Хотя, конечно, о главном смысле эксперимента никто уже не помнит.