В квантовой механике кот Шредингера — это мысленный эксперимент, касающийся квантовой суперпозиции . В мысленном эксперименте гипотетический кот может считаться одновременно и живым, и мертвым, при этом он не наблюдается в закрытом ящике, поскольку его судьба связана со случайным субатомным событием, которое может произойти, а может и нет. Этот эксперимент, рассматриваемый таким образом, описывается как парадокс . Этот мысленный эксперимент был придуман физиком Эрвином Шредингером в 1935 году [1] в дискуссии с Альбертом Эйнштейном [2], чтобы проиллюстрировать то, что Шредингер видел в проблемах Копенгагенской интерпретации квантовой механики.
В оригинальной формулировке Шредингера кот, колба с ядом и радиоактивный источник помещаются в герметичную коробку. Если внутренний радиационный монитор (например, счетчик Гейгера ) обнаруживает радиоактивность (т. е. распад одного атома), колба разбивается, высвобождая яд, который убивает кота. Копенгагенская интерпретация подразумевает, что через некоторое время кот одновременно жив и мертв. Однако, когда мы смотрим в коробку, мы видим кота либо живым , либо мертвым, а не одновременно живым и мертвым. Это ставит вопрос о том, когда именно заканчивается квантовая суперпозиция и реальность разрешается в одну или другую возможность.
Хотя изначально это была критика копенгагенской интерпретации, кажущийся парадоксальным мысленный эксперимент Шредингера стал частью фундамента квантовой механики. Сценарий часто фигурирует в теоретических обсуждениях интерпретаций квантовой механики , особенно в ситуациях, связанных с проблемой измерения . В результате кот Шредингера имел устойчивую привлекательность в популярной культуре . Эксперимент не предназначен для фактического проведения на коте, а скорее как легко понятная иллюстрация поведения атомов. Были проведены эксперименты в атомном масштабе, показавшие, что очень маленькие объекты могут существовать как суперпозиции; но наложение объекта такого размера, как кот, создало бы значительные технические трудности. [ необходима цитата ]
По сути, эксперимент с котом Шредингера задает вопрос о том, как долго длятся квантовые суперпозиции и когда (или разрушаются ли вообще ) они. Были предложены различные интерпретации математики квантовой механики , которые дают различные объяснения этого процесса.
Шредингер задумал свой мысленный эксперимент как обсуждение статьи ЭПР —названной в честь ее авторов Эйнштейна , Подольского и Розена — в 1935 году. [3] [4] Статья ЭПР подчеркнула контринтуитивную природу квантовых суперпозиций , в которых квантовая система для двух частиц не разделяется [5] : 150 даже когда частицы обнаруживаются далеко от их последней точки контакта. Статья ЭПР завершается утверждением, что это отсутствие разделимости означает, что квантовая механика как теория реальности была неполной.
Шредингер и Эйнштейн обменялись письмами по поводу статьи Эйнштейна об ЭПР , в ходе которой Эйнштейн указал, что состояние нестабильной бочки с порохом через некоторое время будет содержать суперпозицию как взорвавшихся, так и невзорвавшихся состояний. [4]
Для дальнейшей иллюстрации Шредингер описал, как можно, в принципе, создать суперпозицию в крупномасштабной системе, сделав ее зависимой от квантовой частицы, которая находилась в суперпозиции. Он предложил сценарий с котом в закрытой стальной камере, в котором жизнь или смерть кота зависели от состояния радиоактивного атома , распался ли он и испустил излучение или нет. По мнению Шредингера, копенгагенская интерпретация подразумевает, что кот остается одновременно и живым, и мертвым, пока состояние не будет обнаружено. Шредингер не хотел продвигать идею мертвых и живых котов как серьезную возможность; напротив, он намеревался привести пример, чтобы проиллюстрировать абсурдность существующего взгляда на квантовую механику [1] , и, таким образом, он использовал reductio ad absurdum .
Со времен Шредингера физики выдвигали различные интерпретации математики квантовой механики , некоторые из которых считали суперпозицию «живого и мертвого» кота вполне реальной, другие — нет. [6] [7] Задуманный как критика копенгагенской интерпретации (господствующей ортодоксальности в 1935 году), мысленный эксперимент с котом Шредингера остается краеугольным камнем для современных интерпретаций квантовой механики и может использоваться для иллюстрации и сравнения их сильных и слабых сторон. [8]
Шредингер писал: [1] [9]
Можно придумать даже совершенно карикатурные [фарсовые] случаи. Кота помещают в стальную камеру вместе со следующим адским устройством (которое должно быть защищено от прямого вмешательства кота): в счетчике Гейгера находится крошечное количество радиоактивного вещества, настолько крошечное, что в течение часа один из атомов, возможно, распадется, но также, с равной вероятностью, что ни один из них не распадется; если это произойдет, трубка счетчика разрядится и через реле выпустит молоток, который разобьет небольшую колбу с синильной кислотой . Если бы кто-то предоставил всю эту систему самой себе на час, он бы сказал себе, что кот все еще жив, если ни один атом за это время не распался . Даже один атомный распад отравил бы его. Пси-функция всей системы выразила бы это, имея в ней живую и мертвую кошку (простите за выражение) смешанными или распределенными в равных частях.
Типично для таких случаев, что неопределенность, изначально ограниченная атомной областью, превращается в чувственно наблюдаемую [макроскопическую] неопределенность, которая затем может быть разрешена прямым наблюдением. Это не позволяет нам так наивно принимать «размытую модель» как репрезентативную для реальности. Сама по себе она не воплощала бы ничего неясного или противоречивого. Существует разница между шаткой или нечеткой фотографией и моментальным снимком облаков и туманных гряд.
Шредингер разработал свой знаменитый мысленный эксперимент в переписке с Эйнштейном. Он предложил этот «довольно нелепый случай», чтобы проиллюстрировать свой вывод о том, что волновая функция не может представлять реальность. [5] : 153 Описание волновой функции полной системы кота подразумевает, что реальность кота смешивает живого и мертвого кота. [5] : 154 Эйнштейн был впечатлен способностью мысленного эксперимента выдвигать на первый план эти вопросы. В письме Шредингеру от 1950 года он писал: [5] : 157
Вы единственный современный физик, помимо Лауэ , который видит, что нельзя обойти предположение о реальности, если только быть честным. Большинство из них просто не видят, какую рискованную игру они ведут с реальностью — реальностью как чем-то независимым от того, что установлено экспериментально. Их интерпретация, однако, самым элегантным образом опровергается вашей системой радиоактивного атома + усилителя + заряда пороха + кота в коробке, в которой пси-функция системы содержит как живого кота, так и разорванного на куски. Никто на самом деле не сомневается, что наличие или отсутствие кота — это нечто независимое от акта наблюдения. [10]
Обратите внимание, что заряд пороха не упоминается в установке Шредингера, которая использует счетчик Гейгера в качестве усилителя и синильную кислоту вместо пороха. Порох упоминался в первоначальном предложении Эйнштейна Шредингеру 15 лет назад, и Эйнштейн перенес его в настоящее обсуждение. [4]
В современных терминах гипотетический эксперимент Шредингера с котом описывает проблему измерения : квантовая теория описывает систему кота как комбинацию двух возможных результатов, но только один результат когда-либо наблюдается. [11] : 57 [12] : 1269 Эксперимент ставит вопрос: « когда квантовая система перестает существовать как суперпозиция состояний и становится одним из них?» (Более технически, когда фактическое квантовое состояние перестает быть нетривиальной линейной комбинацией состояний, каждое из которых напоминает различные классические состояния, и вместо этого начинает иметь уникальное классическое описание?) Стандартная микроскопическая квантовая механика описывает несколько возможных результатов экспериментов, но наблюдается только один результат. Мысленный эксперимент иллюстрирует этот очевидный парадокс. Наша интуиция говорит, что кот не может находиться более чем в одном состоянии одновременно — однако квантово-механическое описание мысленного эксперимента требует такого условия.
Со времен Шредингера были предложены другие интерпретации квантовой механики, которые дают разные ответы на вопросы, поставленные котом Шредингера, о том, как долго существуют суперпозиции и когда они разрушаются (и разрушаются ли вообще ).
Распространенной интерпретацией квантовой механики является копенгагенская интерпретация. [13] В копенгагенской интерпретации измерение приводит только к одному состоянию суперпозиции. Этот мысленный эксперимент делает очевидным тот факт, что эта интерпретация просто не дает объяснения состоянию кота, пока ящик закрыт. Описание волновой функции системы состоит из суперпозиции состояний «распавшееся ядро/мертвый кот» и «нераспавшееся ядро/живой кот». Только когда ящик открыт и за ним наблюдают, мы можем сделать утверждение о коте. [5] : 157
В 1932 году Джон фон Нейман описал в своей книге «Математические основы» схему, в которой радиоактивный источник наблюдается устройством, которое само наблюдается другим устройством и так далее. Это не имеет значения в предсказаниях квантовой теории, где вдоль этой цепочки причинных эффектов суперпозиция разрушается. [14] Эта потенциально бесконечная цепь может быть разорвана, если последнее устройство заменить сознательным наблюдателем. Это решило проблему, поскольку утверждалось, что сознание человека не может быть множественным. [15] Нейман утверждал, что сознательный наблюдатель необходим для коллапса к одному или другому (например, либо к живому коту, либо к мертвому коту) членов в правой части волновой функции . Эта интерпретация была позже принята Юджином Вигнером , который затем отверг интерпретацию в мысленном эксперименте, известном как друг Вигнера . [16]
Вигнер предположил, что друг открыл коробку и наблюдал за кошкой, не сказав об этом никому. С сознательной точки зрения Вигнера, друг теперь является частью волновой функции и видел живую кошку и видел мертвую кошку. С сознательной точки зрения третьего лица, сам Вигнер становится частью волновой функции, как только Вигнер узнает результат от друга. Это может продолжаться до бесконечности. [16]
Разрешение парадокса заключается в том, что срабатывание счетчика Гейгера считается измерением состояния радиоактивного вещества. Поскольку измерение уже произошло, определив состояние кошки, последующее наблюдение человеком регистрирует только то, что уже произошло. [17] Анализ реального эксперимента Роджера Карпентера и А. Дж. Андерсона показал, что одного только измерения (например, счетчика Гейгера) достаточно, чтобы свернуть квантовую волновую функцию до того, как какой-либо человек узнает о результате. [18] Аппарат указывает один из двух цветов в зависимости от результата. Человек-наблюдатель видит, какой цвет указан, но он не знает осознанно, какой результат представляет цвет. Второму человеку, тому, кто настраивал аппарат, сообщают цвет, и он осознает результат, а ящик открывается, чтобы проверить, совпадает ли результат. [14] Однако спорно, считается ли простое наблюдение цвета сознательным наблюдением результата. [19]
Анализ работы Нильса Бора , одного из главных ученых, связанных с копенгагенской интерпретацией, предполагает, что он рассматривал состояние кота до открытия ящика как неопределенное. Сама суперпозиция не имела физического смысла для Бора: кот Шредингера был бы либо мертв, либо жив задолго до открытия ящика, но кот и ящик образуют неразделимую комбинацию. [20] Бор не видел роли для наблюдателя-человека. [21] : 35 Бор подчеркивал классическую природу результатов измерений. «Необратимый» или фактически необратимый процесс придает классическое поведение «наблюдения» или «измерения». [22] [23] [24]
В 1957 году Хью Эверетт сформулировал многомировую интерпретацию квантовой механики, которая не выделяет наблюдение как особый процесс. В многомировой интерпретации как живое, так и мертвое состояние кота сохраняются после открытия ящика, но декогерентны друг от друга. Другими словами, когда ящик открывается, наблюдатель и возможно мертвый кот разделяются на наблюдателя, смотрящего на ящик с мертвым котом, и наблюдателя, смотрящего на ящик с живым котом. Но поскольку мертвое и живое состояния декогерентны, между ними нет никакой связи или взаимодействия.
При открытии коробки наблюдатель оказывается запутанным с котом, поэтому формируются «состояния наблюдателя», соответствующие состоянию кота, живого и мертвого; каждое состояние наблюдателя запутано или связано с котом, так что наблюдение за состоянием кота и состояние кота соответствуют друг другу. Квантовая декогеренция гарантирует, что различные результаты не взаимодействуют друг с другом. Обычно считается, что декогеренция предотвращает одновременное наблюдение нескольких состояний. [25] [26]
Вариант эксперимента с котом Шредингера, известный как квантовая машина самоубийства , был предложен космологом Максом Тегмарком . Он рассматривает эксперимент с котом Шредингера с точки зрения кота и утверждает, что, используя этот подход, можно будет отличить копенгагенскую интерпретацию от многомировой.
Интерпретация ансамбля утверждает , что суперпозиции — это не что иное, как подансамбли более крупного статистического ансамбля. Вектор состояния не будет применяться к отдельным экспериментам с кошками, а только к статистике многих аналогично подготовленных экспериментов с кошками. Сторонники этой интерпретации утверждают, что это делает парадокс кота Шредингера тривиальным вопросом или не проблемой.
Эта интерпретация позволяет отвергнуть идею о том, что отдельная физическая система в квантовой механике имеет математическое описание, которое ей каким-либо образом соответствует. [27]
Реляционная интерпретация не делает фундаментальных различий между человеком-экспериментатором, котом и аппаратом или между одушевленными и неодушевленными системами; все они являются квантовыми системами, управляемыми одними и теми же правилами эволюции волновой функции , и все они могут считаться «наблюдателями». Но реляционная интерпретация допускает, что разные наблюдатели могут давать разные отчеты об одной и той же серии событий в зависимости от информации, которой они располагают о системе. [28] Кота можно считать наблюдателем аппарата; в то же время экспериментатора можно считать другим наблюдателем системы в коробке (кот плюс аппарат). До того, как ящик будет открыт, кот, в силу своей природы, будучи живым или мертвым, имеет информацию о состоянии аппарата (атом либо распался, либо не распался); но экспериментатор не имеет информации о состоянии содержимого коробки. Таким образом, два наблюдателя одновременно имеют разные отчеты о ситуации: для кота волновая функция аппарата, по-видимому, «коллапсировала»; для экспериментатора содержимое коробки, по-видимому, находится в суперпозиции. Только после того, как ящик открыт и оба наблюдателя получают одинаковую информацию о том, что произошло, оба состояния системы, по-видимому, «коллапсируют» в один и тот же определенный результат — кота, который либо жив, либо мертв.
В транзакционной интерпретации аппарат испускает опережающую волну назад во времени, которая в сочетании с волной, которую источник испускает вперед во времени, образует стоячую волну. Волны рассматриваются как физически реальные, а аппарат считается «наблюдателем». В транзакционной интерпретации коллапс волновой функции является «вневременным» и происходит на протяжении всей транзакции между источником и аппаратом. Кот никогда не находится в суперпозиции. Скорее, кот находится только в одном состоянии в любой конкретный момент времени, независимо от того, когда человек-экспериментатор смотрит в ящик. Транзакционная интерпретация разрешает этот квантовый парадокс. [29]
Согласно теориям объективного коллапса , суперпозиции разрушаются спонтанно (независимо от внешнего наблюдения), когда достигается некий объективный физический порог (времени, массы, температуры, необратимости и т. д.). Таким образом, можно было бы ожидать, что кот достигнет определенного состояния задолго до того, как ящик будет открыт. Это можно было бы примерно сформулировать как «кот наблюдает себя» или «окружающая среда наблюдает кота».
Теории объективного коллапса требуют модификации стандартной квантовой механики, чтобы позволить суперпозициям разрушаться в процессе эволюции во времени. [30] Эти теории в идеале могли бы быть проверены путем создания мезоскопических суперпозиционных состояний в эксперименте. Например, энергетические состояния кота были предложены в качестве точного детектора моделей декогеренции энергии, связанных с квантовой гравитацией. [31]
Описанный эксперимент является чисто теоретическим, и неизвестно, была ли построена предложенная машина. Однако были проведены успешные эксперименты, включающие схожие принципы, например, суперпозиции относительно больших (по меркам квантовой физики) объектов. [32] [ требуется лучший источник ] Эти эксперименты не показывают, что объект размером с кошку может быть суперпозирован, но известный верхний предел « состояний кошки » был сдвинут ими вверх. Во многих случаях состояние недолговечно, даже при охлаждении почти до абсолютного нуля .
В квантовых вычислениях фраза «состояние кошки» иногда относится к состоянию GHZ , в котором несколько кубитов находятся в равной суперпозиции, где все равны 0 и все равны 1; например,
Согласно по крайней мере одному предложению, возможно определить состояние кошки до того, как наблюдать за ней. [39] [40]
В августе 2020 года физики представили исследования, включающие интерпретации квантовой механики , связанные с парадоксами кота Шредингера и друга Вигнера , что привело к выводам, которые бросают вызов, казалось бы, устоявшимся предположениям о реальности . [41] [42] [43]
Man kann auch ganz burleske Fälle konstruieren. Eine Katze wird in eine Stahlkammer Gesperrt, zusammen mit folgender Höllenmaschine (die man gegen den direkten Zugriff der Katze sichern muß): in einem Geigerschen Zählrohr befindet sich eine winzige Menge radioaktiver Substanz, so wenig, daß im Laufe einer Stunde vielleicht eines von den Atomen zerfällt, ebenso wahrscheinlich aber auch keines; это так, поэтому вы можете выбрать Zählrohr и сделать ставку на Relais ein Hämmerchen, das ein Kölbchen mit Blausäure zertrümmert. Hat man dieses ganze System eine Stunde lang sich selbst überlassen, поэтому wird man sich sagen, daß die Katze noch lebt, wenn inzwischen kein Atom zerfallen ist. Первоначальный Atomzerfall был очень опасным. Die Psi-Funktion des ganzen Systems würde das so zum Ausdruck Bringen, daß in ihr die und die tote Katze (svv) [sit venia verbo] zu gleichen Teilen Gemischt oder verschmiert sind. Das Typische an solchen Fällen ist, daß eine ursprünglich auf den Atombereich beschränkte Unbestimmtheit sich in Grobsinnliche Unbestimmtheit umsetzt, die sich dann durch Directe Beobachtung entscheiden Läßt. Das мешают людям, в столь наивном Weise ein «verwaschenes Modell» als Abbild der Wirklichkeit gelten zu lassen. An sich enthielte es nichts Unklares oder Widerspruchsvolles. Aufnahme von Wolken und Nebelschwaden.
Роль необратимости в теории измерения подчеркивалась многими. Только таким образом можно получить постоянную запись. Тот факт, что отдельные положения указателя должны иметь асимптотическую природу, обычно связанную с необратимостью, использовался в теории измерения Данери, Лойнджера и Проспери (1962). Он был принят как формальное представление идей Бора Розенфельдом (1966).