Кот Шрёдингера существует лишь в мысленном опыте. В закрытой коробке его судьба зависит от случайного распада атома. Квантовое описание связывает две возможности, но при открытии мы видим один исход. Шрёдингер придумал эту историю, чтобы спросить, как появляется определённый результат. Настоящих животных в опыте не было.
Разберём коробку по деталям, сравним её с обычной закрытой монетой и выясним, что физики называют суперпозицией. В конце станет понятнее, почему открывать коробку не нужно для «магического» изменения судьбы кота и какие похожие состояния действительно создавали в лаборатории.
В статье вы узнаете:
Представьте непрозрачную закрытую коробку. Внутри кот, небольшое количество радиоактивного вещества, счётчик Гейгера и механизм с ампулой яда. Счётчик реагирует на распад атома. Если он его зафиксирует, сработает реле, молоточек разобьёт ампулу и кот погибнет. Если распада не случится, механизм останется неподвижным и кот будет жив.
Шрёдингер выбрал количество вещества и время ожидания так, чтобы за час распад и отсутствие распада были примерно равновероятны. Это условие примера, а не свойство всякого радиоактивного атома. Можно подобрать и другие вероятности; парадокс от этого не исчезнет. Важна связь одного крошечного события с заметным исходом для целого животного.
Схема содержит четыре звена: атом → счётчик → ампула → кот. Первое звено квантовое: заранее нельзя указать точный момент отдельного радиоактивного распада. Остальные звенья усиливают его результат. Незаметное изменение в веществе приводит к щелчку прибора, движению молоточка и судьбе кота.
Никакого настоящего кота Шрёдингер в коробку не сажал. В 1935 году он описал это как мысленный опыт в работе о состоянии квантовой механики. Физик, получивший Нобелевскую премию в 1933 году за вклад в новую теорию, проверял не жестокий прибор, а последовательность рассуждений о том, что теория говорит о мире. Подробности устройства есть в оригинальной статье Шрёдингера.
Положите под чашку монету орлом или решкой вверх, не показывая другу результат. Для друга возможны два ответа. Он может сказать: «Вероятность орла 50%», если монета честная и он не видел бросок. Но монета уже лежит какой-то стороной вверх. Недостаток информации находится у друга, а не у монеты.
Теперь возьмите историю с котом, но забудьте на минуту о квантовой теории. Вы закрыли коробку, подождали час и не слышали прибор. Для вас есть два возможных рассказа о том, что случилось внутри. Такая неопределённость тоже похожа на чашку с монетой: вы пока не знаете исход. Одного незнания недостаточно, чтобы получить суперпозицию.
Поэтому выражение «кот жив и мёртв, пока на него не посмотрели» сбивает с толку. Если его понимать как бытовое «мы не знаем, жив ли кот», квантовая часть исчезает. Если понимать буквально, будто обычный кот наполовину жив, получится сказочная картинка. Чтобы увидеть смысл опыта, нужно разобраться, что именно добавляют квантовые правила к двум вариантам ответа.
У очень маленького объекта, например атома или частицы света, состояние описывают не всегда одним привычным вариантом вроде «здесь» или «там». Квантовое описание может соединять несколько возможных состояний. Такое соединение называют суперпозицией. При проверке мы получаем конкретный результат, а описание помогает рассчитать вероятности разных результатов.
Звучит похоже на закрытую монету. Но квантовые варианты могут влиять друг на друга до измерения. Представьте две волны на воде: где гребни совпали, волна выше, а где гребень встретил впадину, поверхность ровнее. Это называется интерференцией. Волны в квантовой теории не являются маленькими водяными волнами; они математически описывают возможные результаты.
Вот как эту разницу обнаруживают со светом. При подходящем освещении отдельные частицы света проходят через две узкие щели; на экране после многих попаданий складываются светлые и тёмные полосы. Варианты пути влияют друг на друга. Если поставить прибор, который определяет щель для каждой частицы, такой рисунок исчезает. У монеты под чашкой нет подобной связи между «орлом» и «решкой»: закрывание чашки не создаёт полос. Так интерференция помогает отличить суперпозицию от простого списка исходов, о которых мы не знаем.
Здесь полезно держать в голове два разных описания. В закрытой чашке монета уже показывает орла либо решку, а мы не видим какую сторону. В хорошо изолированном квантовом опыте до измерения математическое описание связывает варианты так, что можно обнаружить их интерференцию. Вероятность 50 на 50 может получиться и там и там. Одинаковые шансы ещё не делают монету квантовой.
Фраза «частица одновременно в двух местах» служит короткой подсказкой, а не фотографией того, как выглядит частица. Точнее сказать: её состояние нельзя описать одним из двух обычных вариантов без потери того, что предсказывает опыт. Для кота эта разница станет неприятной: у животного мы привыкли ожидать один вполне определённый исход.
Предположим, мы сначала описали радиоактивное вещество суперпозицией двух вариантов: распад произошёл и не произошёл. Затем дадим счётчику взаимодействовать с веществом. В одном варианте прибор срабатывает, в другом молчит. Механизм и кот следуют за прибором.
Если в уравнении считать всю закрытую систему одним квантовым объектом и не вставить отдельное правило появления единственного результата, получатся две связанные цепочки. В первой распада нет, счётчик молчит, ампула цела, кот жив. Во второй распад есть, счётчик срабатывает, ампула разбита, кот погиб. Теория не выдаёт картину «распад был, а кот жив» в идеальном устройстве: звенья специально сцеплены между собой.
Это и есть место, где школьное «кот сразу в двух состояниях» становится слишком грубым. Суперпозицию записывают для всей системы: вещества, детектора, механизма и кота. Не нужно представлять отдельного полупрозрачного кота, который одновременно бегает и лежит без движения. Такое изображение красиво в кино, но ничего не объясняет о связанности событий.
В исходном тексте Шрёдингер намеренно довёл неопределённость от атома до большого видимого предмета. Один атом трудно увидеть, но с котом вопрос становится резким: как совместить квантовое описание с тем, что при открытии мы всегда находим один исход? Физик называл пример нелепым. Его цель состояла в том, чтобы проблема не потерялась среди формул.
Квантовые уравнения успешно описывают поведение микроскопических систем. Если применять их и к прибору с котом, математическая история идёт сразу по двум связанным путям. А когда мы узнаём результат опыта, видим живого кота или погибшего, а не оба исхода сразу. Где именно и по какому правилу из квантового описания появляется один видимый результат? Это проблема измерения.
Обычно в школьном объяснении говорят: «открыли коробку, волновая функция схлопнулась». Волновая функция здесь означает математическое описание состояния системы, а «схлопнулась» означает, что после измерения мы используем описание с одним зарегистрированным результатом. Такая фраза годится как краткое правило расчёта. Она оставляет вопрос, который и интересовал Шрёдингера: почему именно открытие коробки должно быть особым моментом, если внутри уже есть счётчик и множество взаимодействующих объектов?
Полезно сравнить две последовательности. В обычной истории монета упала под чашку, исход определился, а человек позже его узнал. В квантовом описании изолированной системы разные варианты до измерения могут сохранять связь, которая проявляется в интерференции. Если связать эту систему с прибором, непонятно, где провести границу между «квантовым устройством» и «готовым результатом». Кот делает спор о границе ярким и неудобным.
Так что парадокс не в том, что вероятность равна половине. И не в том, что человек любопытен и откроет крышку. Он в переходе от очень удачного квантового описания к нашему опыту, в котором записи приборов и судьбы животных выглядят определёнными.
Для физического измерения не требуется сознательный зритель. Счётчик Гейгера взаимодействует с продуктами распада, реле перемещается, ампула может разбиться. Эти события оставляют следы и без человека. В реальной коробке кот, воздух и стенки тоже непрерывно взаимодействуют между собой. Открывая крышку, мы узнаём доступный нам результат, но не посылаем в прошлое команду атому распасться.
Слово «наблюдение» в разговоре о квантовой механике легко обмануть бытовым смыслом. Кажется, что достаточно поставить камеру, а затем не смотреть запись, и загадка сохранится до включения экрана. Но камера уже взаимодействовала со светом и записала результат. Замена глаза камерой меняет способ регистрации, а не переносит физическое событие на момент просмотра видео.
Точно так же открыть крышку через минуту и через час не значит выбрать судьбу кота свободной волей. Радиоактивный распад случаен, а цепочка после него устроена заранее. Мысленный опыт спрашивает, как теория описывает возникновение определённого результата, а не наделяет наблюдателя властью над животным.
Чтобы увидеть интерференцию, тонкую связь квантовых вариантов приходится сохранять: ограждать маленькую систему от лишних столкновений, тепла, света и других контактов с окружением. Эту связь называют когерентностью. Когда взаимодействия с окружением оставляют следы, по которым можно различить варианты, доступная интерференция быстро пропадает. Потерю когерентности называют декогеренцией.
В коробке из рассказа слишком много взаимодействий. Прибор щёлкает, молекулы воздуха сталкиваются, кот дышит и излучает тепло. Даже идеально закрытая для нашего взгляда коробка не изолирует все её части друг от друга. Поэтому в реальности мы не умеем сохранять и затем обнаруживать интерференцию между состояниями «живой кот» и «погибший кот». Для привычного наблюдения исход выглядит одним из двух.
Декогеренция хорошо объясняет, почему большие вещи ведут себя так устойчиво и почему квантовая связь между явно разными вариантами исчезает из доступных нам наблюдений. Но она сама по себе не даёт всем исследователям единого ответа на философский и физический вопрос: почему в отдельном измерении мы переживаем именно один результат? Разные интерпретации квантовой теории отвечают на эту часть по-разному. Для понимания кота достаточно честно разделить две задачи: исчезновение наблюдаемой интерференции и выбор одного исхода.
С живым котом, ядом и ампулой такой опыт не проводят. Зато физики создают состояния, которые по устройству похожи на два связанных варианта Шрёдингера. Их часто называют «кошачьими состояниями»: например, суперпозицию двух заметно различимых состояний света в лабораторной установке. Имя указывает на научную идею, а не на участие животного.
В подобных опытах исследователи подготавливают квантовое состояние, проверяют его признаки и наблюдают, как взаимодействие с окружением разрушает когерентность. Для доказательства суперпозиции мало сообщить «мы получили два возможных результата». Нужно сначала показать признак связи между вариантами, например интерференцию, а затем можно измерить её исчезновение при взаимодействии с окружением. В Нобелевской лекции физик Серж Арош описывает такие опыты со светом и переход от квантового поведения к привычному.
Это важная развязка истории. Шрёдингер использовал кота, чтобы сделать проблему большой и видимой. Позднее учёные научились исследовать похожие состояния без котов и измерять, как они теряют квантовые свойства. Открытые вопросы о толковании результата при этом не исчезли одним экспериментом.
В коробке цепочка соединяет случайный распад атома с судьбой кота. Если продолжать квантовое описание через всю цепочку, оно содержит два связанных варианта, а в жизни мы видим один исход. Шрёдингер придумал пример, чтобы спросить, где и как возникает этот один результат.
Чтобы не перепутать его с обычной загадкой, вспомните монету под чашкой: у неё исход уже есть, а мы его пока не знаем. Квантовую суперпозицию отличает связь вариантов, которая может дать интерференцию. Прибор и окружение взаимодействуют с системой до открывания коробки. Почему в каждом наблюдении мы видим один исход, остаётся отдельным вопросом толкования теории.
Главный вопрос опыта можно сформулировать совсем коротко: почему у квантового описания есть несколько связанных возможностей, а у каждого увиденного результата одна история? Ради этого вопроса кот и вошёл в историю науки.
Напишите своё мнение, комментарий или предложение.