Фізик-теоретик Ервін Шредінгер зробив у житті багато важливих речей. Він отримав Нобелівську премію, був почесним професором в десятці країн, писав вірші, а ще займався філософією і біологією. Ось тільки всьому сучасному світу він відомий як людина, який додумався запхати кота в смертельну пастку.
Ми в Shnyagi.Net вирішили раз і назавжди розібратися з парадоксом кота Шредінгера. Виявляється, все не так уже й складно.
Шредінгер примудрився придбати репутацію дивака навіть серед колег, які самі часто бувають відірвані від життя. Вчений одягався так недбало, що його не хотіли пускати в готель, тому що брали за волоцюгу. Одного разу на важливій конференції Шредінгер відмовився говорити про ядерної енергії та прочитав лекцію з філософії.
Ось такий неоднозначний чоловік вирішив потролити наукову громадськість і придумав жорстокий експеримент за участю кота і смертельного газу. На щастя, жоден котик не постраждав. А все тому, що експеримент був уявним і все відбувалося тільки в уяві окремо взятого фізика.
Пару слів про квантової механіки
Ось простий приклад роботи квантової фізики. Візьміть 2 порожніх сірникових коробка. В один з них покладіть сірник — це об’єкт нашого звичного макросвіту. Тепер ви можете сказати, що сірник лежить тільки в одному коробці, а в іншому нічого немає. Так працює звична нам ньютоновская фізика.
Все змінюється, якщо замість сірники взяти електрон: він буде перебувати одночасно в 2 коробках. Так працюють закони квантової фізики.
Квантова механіка говорить нам про те, що будь-яка квантова частинка (фотон, електрон, ядро атома тощо) знаходиться відразу в декількох станах або в кількох точках простору. У мікросвіті частинок не працюють звичні нам ньютона закони фізики.
Частинки поводяться за своїми власними правилами: вони знаходяться в суперпозиції, тобто в 2 або більше траєкторій або у 2 чи більше точках простору одночасно. Здорово, правда?
З чим був не згоден Шредінгер? Фізик хотів показати, що є класична фізика (описує великі об’єкти) і квантова фізика (описує крихітні об’єкти на кшталт атомів), а точних правил переходу від квантової системи до макросистемі не існує.
Увага, знавці. Коли перестають діяти закони мікросвіту і де починається макросвіт? Для шанувальників квантової механіки це було болюче питання. Прийшов Шредінгер зі своїм котом і заплутав усіх остаточно.
У 1935 році фізик провів свій знаменитий уявний експеримент. Оригінал тексту німецькою є тут. Ну а ми перевели його для вас з мови вчених на мову простих людей.
-
- В закритий сталевий ящик поміщають кота. Крім кота в ящику є пекельна машина з радіоактивним ядром і отруйним газом. Газ знаходиться в закритому скляному посуді. Радіоактивне ядро може розпастися протягом 1 години. А може і не розпастися. Ймовірність події — 50 %.
(Примітка: розпад ядра — найлегший приклад, який прийшов вченому в голову, тому що в даному випадку у ядра є тільки 2 варіанти. Якщо б він взяв якусь іншу змінну, результати експерименту важко було б передбачити.)
- Якщо ядро розпадеться, котику не пощастить. Тому що розпад ядра буде зафіксований лічильником Гейгера, спрацює реле, і спеціальний молоточок розіб’є ампулу з токсичним газом. Кіт мертвий. Якщо ядро не розпадається, кіт залишається живий.
За законами квантової механіки в той час, поки ящик закритий, радіоактивне ядро і наш багатостраждальний кіт знаходяться в 2 станах одночасно. Ядро розпалося / не розпалося, а кіт Шредінгера живий / мертвий. Якщо спостерігач відкриє кришку, то побачить або мертвого кота (ядро розпалося), або живого і здивованого кота (ядро ціле).
Але ми-то знаємо, що кіт не може бути і живий, і мертвий одночасно. Може, і з ядром відбувається те ж саме?
Парадокс Шредінгера
Щоб зрозуміти суть експерименту Шредінгера, потрібно познайомитися з ще одним принципом квантової механіки — парадоксом спостерігача.
Радіоактивне ядро, яке загрожує нашому котику, знаходиться в суперпозиції рівно до тих пір, поки ми не спостерігаємо за системою. Як тільки до системи підключається спостерігач і намагається подивитися, що взагалі відбувається, ядро (атоми, фотони) нарешті-то визначається і займає певну позицію.
Якщо за системою ніхто не спостерігає (не лізе в ящик зі своїми вимірювальними приладами), то ядро розпалося / не розпалося одновремененно.
Але кіт — зовсім інша справа. Він абсолютно точно живий або абсолютно точно мертвий. Тому що на котика, тобто макросистему, не діють квантові закони — він складається з безлічі різних частинок. Радіоактивне ядро знаходиться в одному світі, а котик живе в світі великих речей.
Коту все одно, коли ви відкриєте кришку. Це ядро розпадеться / не розпадеться, коли з’явиться спостерігач. А кіт буде або живий, або мертвий незалежно від того, чи дивитеся ви на нього чи ні.
Звідки ядро «знає», що за ним спостерігають? Коли люди або прилади починають спостереження або вимір, частинки переживають хвильовий (квантовий) колапс: якийсь час вони були в стані невизначеності (у них було багато варіантів), а вимір / спостереження визначає положення ядра в просторі / часі. Кажучи простими словами, ядро з мікросвіту потрапляє в макросвіт. Воно покидає зону дії законів квантової фізики і потрапляє під дію ньютонівської фізики.
Шредінгер навмисно змішав тепле з м’яким. Він помістив в один експеримент об’єкт мікросвіту і макросвіту. Хоча їх взаємодія неможливо просто тому, що у кота і у ядра свої закони фізики.
Вчений домігся свого і показав, що закони квантової фізики потребують уточнення. А спостерігач при роботі з об’єктами макросвіту не грає ніякої ролі. Інакше долю кота вирішував би людина, яка відкриє кришку залізного ящика.
Пояснення від Шелдона Купера
Якщо до кінця нашої статті ваші мізки починають кипіти, ось вам пояснення Шелдона Купера з серіалу «Теорія Великого вибуху». Головний ботан серіалу застосував теорію до відносин між людьми. Щоб зрозуміти, які відносини між чоловіком і жінкою, потрібно відкрити залізний ящик (піти на побачення). Поки ящик закритий, відносини і хороші, і погані одночасно.
Кіт Шредінгера поступово став фізико-математичним мемом. У науково-фантастичних книгах, кіно і серіалах цей парадок згадується регулярно. Хоча, звичайно, про головному сенсі експерименту ніхто вже не пам’ятає.
