Парадокс кота Шрёдингера: простыми словами об эксперименте

Данное направление могло исследоваться только теоретически по причине «недосягаемости» изучения явлений и процессов «изнутри» микросистемы, то есть исследования велись способом создания теоретических моделей, которые сопоставлялись с «досягаемой» для изучения реальностью макромира.

Между учёными данного направления активно велись научные обсуждения и обмен мнениями. В 1935 году в ответ на работу учёных-физиков А. Эйнштейна, Б. Подольского и Н. Розена, в которой на основе мысленного эксперимента указывалось на отсутствие полноты квантовой механики, другой учёный-физик Эрвин Шрёдингер в научной статье, опубликованной в журнале, описал эксперимент, вошедший в историю под названием «кот Шрёдингера».

Пара слов об Эрвине Шрёдингере

Нобелевский лауреат австрийский учёный Эрвин Шрёдингер (1887–1961) внёс большой вклад в развитие физики, являясь одним из основателей квантовой механики. Этот выдающийся физик-теоретик сформулировал волновые уравнения, названные его именем, и разработал волновую механическую теорию возмущений.

Э. Шрёдингер написал множество трудов по статистической механике и термодинамике,

электродинамике, физике диэлектриков и теории света. Учёный занимался также вопросами общей теории относительности и космологии.

Э. Шрёдингер часто высказывал оригинальные идеи. Особенно данное качество его интеллекта запомнилось широкому кругу общественности при обсуждении физического смысла волновой функции с помощью мыслительного эксперимента, в котором учёный для объяснения своей позиции проводил «опыт в уме» с котом.

Что физик хотел доказать своим экспериментом?

Опыт Эрвина Шрёдингера был направлен на критику копенгагенской интерпретации (толкования) квантовой механики, сформулированной выдающимися физиками, лауреатами Нобелевской премии Нильсом Бором (1885–1962) и Вернером Гейзенбергом (1901–1976).

Суть интерпретации Бора-Гейзенберга сводилась к тому, что если квантовая система находится в смешении состояний, то в момент наблюдения t это смешение перестаёт существовать, и система выбирает одно из двух возможных состояний во время наблюдения t.

Описание мыслительного эксперимента с котом

Мыслительный опыт «кот Шрёдингера» можно описать простыми словами, рассмотрев его поэтапно.

Дано:

• живой кот,
• стальной сейф,
• счётчик Гейгера,
• частица радиоактивного вещества,
• сосуд с кислотой (яд),
• устройство с молоточком, который может разбить сосуд с кислотой, если на счётчик Гейгера попадёт частица радиоактивного распада атома.

Условия эксперимента:

• частица радиоактивного вещества мала,
• скорость радиоактивного распада равна 1 атому в час или
• скорость радиоактивного распада равна 0 атомов в час,
• за время 1 час с равной вероятностью может распасться только один атом или ни одного атома.

Что делается на этапе подготовки эксперимента:

• живого кота сажают в стальной сейф;
• в стальной сейф помещают счётчик Гейгера;
• в счётчик Гейгера помещают частицу радиоактивного вещества;
• в сейф помещают сосуд с кислотой (ядом),
• в сейф помещают устройство с молоточком, который может разбить сосуд с кислотой (ядом), если на счётчик Гейгера попадёт частица радиоактивного распада атома;
• сейф закрывают;
• всю созданную систему оставляют на время 1 час.

Что происходит в эксперименте:

• если атом распадётся в течение 1 часа, то счётчик Гейгера среагирует и приведёт в движение молоточек, который разобьёт сосуд;
• если атом не распадётся в течение 1 часа, то счётчик Гейгера не среагирует и не приведёт в движение молоточек, который не разобьёт сосуд.

Парадокс Шредингера

Если в начальный момент времени T₀ оставить систему в течение 1 часа, и за это время 1 час (до открытия сейфа в момент времени T = T₀ + 1 час) не распадётся ни один атом, то, очевидно, что кот жив. Если в течение часа 1 атом всё же распадётся, то, очевидно, кот не останется живым. Когда же наблюдатель откроет сейф в момент времени T (T = T₀ + 1 час), то он совершенно определённо скажет живой кот или нет.

Если рассмотреть ситуацию, при которой в определённый момент времени T < T₀ + 1 час (до открытия сейфа наблюдателем) атом распался, и кот стал не жив, то в соответствии с копенгагенской интерпретацией (толкованием), если в момент времени T (T = T₀ + 1 час) наблюдатель откроет сейф, то система кот – колба с кислотой – молоточек – счётчик Гейгера – радиоактивное вещество выберет одно из двух возможных состояний:

• атом распался, и кот не жив;
• атом не распался, и кот жив.

А это означает, что система вероятностью 1/2 может стать в состояние «атом распался, и кот не жив», и в состояние «атом не распался, и кот жив».

Но изначально рассматривалась ситуация, при которой атом распался, и кот не жив. А это, в свою очередь, означает, что в каждый момент времени от T₀ до T = T₀ + 1 час система пребывает сразу в двух состояниях («кот жив» и «кот не жив») одновременно.

В квантовой механике существует пси-функция, которая описывает чистое состояние квантовой системы. Чистым состоянием квантовой системы является любое возможное её состояние, определяемое вероятностными методами.

Пси-функция применительно к эксперименту с котом в сейфе выражает равновероятностные состояния: атом распался или атом не распался, кот жив или не жив. То есть по значениям пси-функции в один и тот же момент времени кот может быть и живым и не живым.

Эрвин Шрёдингер в заключении своего мыслительного опыта пишет, что очевидность невозможности пребывания кота одновременно в двух состояниях («жив» и «не жив»), показывает, что реальность согласно пси-функции «смешивается или размазывается» в одинаковых соотношениях.

Отметим, что являясь абсолютно адекватным человеком, Эрвин Шрёдингер перед описанием своего эксперимента в журнальной статье называет этот опыт «безумным примером такого рода».

Важность эксперимента Шрёдингера заключается в следующем. Законы классической физики применимы для макроскопических (больших) тел, а законы квантовой механики описывают тела микроскопического мира.

Например, если взять 2 разных сейфа и посадить того же кота в один из них, то очевидно, что кот пребывает только в одном из сейфов, а одновременно в двух сейфах кот находиться никак не может.

Если взять объект микроскопического мира, например, электрон, то эта элементарная частица может одновременно находиться сразу в двух сейфах. В макроскопическом мире такого быть не может, а в микромире, в котором электрон представляет из себя не определённую частицу, вращающуюся вокруг атомного ядра, а электронное облако, такое явление имеет место быть.

Копенгагенская интерпретация (пси-функция) относится только к объектам микромира. В эксперименте с котом, являющегося объектом макромира, состояние самого кота не должно вычисляться по пси-функции квантовой механики. Поэтому и говорить о «смешивании или размазывании» состояний кота (одновременное пребывание кота в состояниях и «жив», и «не жив») нельзя. А говорить о том, что электрон, как объект микромира, может находиться в одно и то же время в двух состояниях – частица и облако (или волна) – можно.

Таким образом, законы физики для макромира и микромира существенно различаются. В настоящее время нет законов физики, которые описывали бы переход макро- в микромир. Мыслительный опыт Шрёдингера с котом демонстрирует неполноту знаний современной теоретической физики.

Трактовка Шелдона из «Большого взрыва»

Главный герой сериала «Теория Большого взрыва» Шелдон Купер, экстравагантный физик-теоретик, в разговоре с героиней Пенни, привлекательной девушкой, соседкой Шелдона, рассказывает собеседнице о мыслительном эксперименте Эрвина Шрёдингера с котом.

По мнению Шелдона, эксперимент с котом Шрёдингера может служить аналогом возможных отношений Пенни и Леонарда (Леонард – молодой физик-экспериментатор, сосед Пенни).

Шелдон объясняет Пенни, что её отношения с Леонардом до их первого свидания можно рассматривать одновременно как смешение двух взаимно исключающих состояний (плохого и хорошего), пока не откроется шкатулка, то есть не состоится свидание, и ситуация не станет чётко определённой.