Как большинство людей неправильно поняли мысленный эксперимент Шредингера с котом

Квантовая механика — любимый волновой инструмент каждого голливудского писателя, позволяющий добиться всего, что он чувствует в данный момент, независимо от того, имеет ли то, что он говорит или происходит, какое-либо отдаленное отношение к реальности этой отрасли науки и, ну, в общем, к реальности. За пределами масс это настолько НЕ понимают, что даже такие люди, как Ричард Фейнман, один из величайших физиков-теоретиков, говорили (вероятно, в шутку), что никто не понимает эту тему. И все же, многие будут использовать примеры, чтобы объяснить это, и, вероятно, нет примера, который использовался бы чаще, чем кот Шредингера… но не делайте этого сами, потому что есть вероятность, что вы упускаете суть, которую имел в виду Шредингер.

Для непосвященных, если коротко, по иронии судьбы, квантовая механика — это изучение всего в очень маленьком масштабе, включая изучение элементарных частиц, таких как те, из которых состоит атом. Область квантовой механики в значительной степени вероятностна, учитывая, что вещи, которые кажутся такими простыми в классической физике, такие как одновременное знание положения и импульса макроскопических объектов, невозможны в масштабах атома или меньше. Таким образом, квантовая механика имеет дело с состояниями суперпозиции, когда частица может находиться более чем в одном состоянии одновременно, прежде чем она будет вынуждена коллапсировать при наблюдении.

Как вы понимаете, проглотить эту таблетку непросто, и на заре этой отрасли физики каждый изо всех сил пытался быстро получить немного воды. Было опубликовано множество предложенных различных решений, объясняющих отсутствие детерминированной природы этих очень маленьких частиц, но никто не смог предложить общепризнанного. Многие физики на самом деле довольствуются тем, что просто имеют дело с вероятностным беспорядком, поскольку до сих пор это работало. Альберта Эйнштейна среди них не было. Поэтому он вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном в 1935 году опубликовал статью под названием «Можно ли квантово-механическое описание физической реальности считать полным?» где они утверждали, что квантовая физика не является полной из-за парадоксов, которые она может создать без какого-либо дополнительного контекста. В качестве примера в статье они упомянули проблему квантовой запутанности; явление того, как состояние одной частицы может влиять на другую, даже если они были разделены, независимо от расстояния, но это влияние было бы мгновенным. По мнению Эйнштейна, это означало бы, что информация будет распространяться с бесконечной скоростью, нарушая тем самым одну из самых фундаментальных констант физики; скорость света. В 1964 году Джон Стюарт Белл предложил решение парадокса, и более поздние эксперименты подтвердили эти выводы, но на момент публикации статьи Эйнштейна другого физика также не впечатлили последствия, которые квантовая неопределенность привнесла в обсуждение, и что кем-то был Эрвин Шредингер. .

Читайте также:   Младенец с сердцем бабуина

Эрвин Шредингер, родившийся в Австрии в 1887 году, был не только успешным физиком, но и внес значительный вклад в квантовую механику, и одним из этих вкладов было

Уравнение Шредингера, которое используется для описания волновой функции системы, инструмент, который в конечном итоге принес ему Нобелевскую премию по физике, которую он разделил с Полем Адриеном Морисом Дираком. Учитывая, что его карьера была так широко посвящена квантовой механике, вы можете задаться вопросом; как он мог скептически относиться к описанию природы в квантовой механике?

Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо погрузиться в разговоры Шрёдингера и Эйнштейна на протяжении многих лет. Учитывая их общий скептицизм по поводу квантовой неопределенности, они обменивались письмами на эту тему, и в одном из этих писем он предложил пример, который на данный момент всем хорошо известен:

Представьте себе кота внутри стального ящика, внутри у кота находится устройство; Счетчик Гейгера (устройство для измерения радиации) контролирует небольшое количество радиоактивного вещества с вероятностью 50%, что один из атомов распадется в течение следующего часа (конечно, с вероятностью 50%, что ни один атом не распадется). Если один из атомов распадется, это будет обнаружено счетчиком Гейгера, который сообщит устройству о выделении цианистого водорода.

Учитывая неопределённость квантовой механики, до тех пор, пока она не будет измерена или наблюдаема, система не была вынуждена перейти в одно из двух состояний (атом распадается или не распадается), следовательно, кот одинаково мёртв и жив одновременно, как и распался или не распался атом, так как от упомянутого атома зависит здоровье кошки. Спусковым крючком, который заставит атом, а затем и кошку перейти в одно из двух возможных состояний, является физик (надеюсь, не владелец кота), который откроет дверцу ящика и сам осмотрит его через час после начала эксперимента.

Видите ли, проблема, с которой столкнулся физик в квантовой механике, заключалась в том, что никто не знал, где заканчиваются ее вероятностные эффекты. Почему жизнь или смерть кошки зависят от наших наблюдений? Почему систему должно волновать, наблюдаем мы за ней или нет? Разве кот не наблюдает за ядом? Кто наблюдает за физиком, наблюдающим за внутренней частью коробки? Насколько велики могут быть эти вероятностные эффекты? Если у него есть предел в его масштабе, насколько он велик? Как может система быть независимой и суперпозиционной до нашего наблюдения, но тогда ее состояние можно определить только после того, как мы ее наблюдаем? Это сложно объяснить, потому что в относительных макроскопических терминах повседневные объекты не находятся в нескольких состояниях, пока с ними не взаимодействует наблюдатель. Поэтому нелогично, что до открытия коробки кот мертв и жив одновременно, и только до тех пор, пока вы не откроете коробку, кот мертв задним числом, если это наблюдаемый результат. Это было задумано как прямая критика копенгагенской интерпретации.

Читайте также:   Лучшие смартфоны Xiaomi (Сяоми) 2023 года: Рейтинг ТОП 15

Эйнштейн не мог не согласиться с последствиями этого сценария. При усилении его эффектов становится очень трудно определить ситуацию относительно того, что является детерминированным, а что вероятностным. Об этом говорится в письме, отправленном Шрёдингеру в 1950 году:

Однако эта интерпретация (что квантовая механика представляет собой полное описание реальности) элегантнее всего опровергается вашей системой радиоактивный атом + счетчик Гейгера + усилитель + заряд пороха + кот в ящике, в которой пси-функция система содержит кота как живого, так и разнесённого на куски. Неужели состояние кошки может быть создано только тогда, когда физик исследует ситуацию в какой-то определенный момент времени? Никто особо не сомневается, что наличие или отсутствие кота есть нечто независимое от акта наблюдения. Но тогда описание с помощью пси-функции заведомо неполное…

Надо сказать, что именно Эйнштейн заменил порох цианидом в качестве средства гипотетического жестокого обращения с животными.

Естественно, мысленный эксперимент либо неверно цитировали, либо даже иногда искажали, чтобы доказать что-то, совершенно не связанное с физикой. Самое легкое заблуждение относительно мысленного эксперимента состоит в том, что Шредингер серьезно относился к этому эксперименту и что «его можно провести». В этот момент вы могли догадаться, что он не воспринимал эту концепцию всерьез, а скорее высмеивал возможности, которые подразумевает квантовая неопределенность.

Еще одно заблуждение является излюбленным среди философов и людей, желающих придать мистический характер этому мысленному эксперименту. Для них «наблюдатель» определяется как действительный, так сказать, «очевидец»; сознательное существо или человек. Обычно это приводит к очень целостному соединению сознания и квантовой механики, чтобы придать мистическим философиям некоторую степень доверия. Одной из известных теорий является интерпретация фон Неймана-Вигнера, которая утверждает, что сознание необходимо для коллапса волновой функции. Однако следует отметить, что Шредингер, вероятно, имел в виду, что наблюдатель либо может быть сознательным наблюдателем, либо нет. Это может быть что-то, что просто измеряет или взаимодействует с системой. Таким образом, его философский охват, вероятно, не подразумевал обязательного разговора о сознательных существах или даже указания на то, что сознательный наблюдатель не нужен. Физики склонны принижать роль сознательного действующего лица в модели, поскольку для них Вселенную не волнует ваша интерпретация.

Читайте также:   Почему в Соединенных Штатах такое безумно большое количество заключенных? (И как это легко исправить)

Очень упрощенная интерпретация заключалась в том, что Шредингер высмеивал или полностью отвергал квантовую механику. Но зная, что он установил очень известные формулы и что все знали, что квантовая механика работает, это совсем не так. Он просто утверждал, что вместо того, чтобы интерпретировать квантовую механику как законченную теорию, основанную на вероятности, мы можем просто не знать, как работают реальные механизмы, стоящие за ней.

Как отметил научный автор Филип Болл, Эрвин Шридингер не имел в виду, что квантовая физика неприменима к повседневным макроскопическим объектам. Мы уже знаем об этом, но скорее используем этот пример как абсурдный и преувеличенный способ показать, что расширение границ того, что можно рассматривать как «квантовые объекты», может привести к парадоксам, которые, возможно, нелегко разрешить.

Конечно, это не остановило людей от попыток. Например, у нас есть реляционная интерпретация, которая утверждает, что наблюдателем может быть что угодно, причем у каждого есть своя версия, одинаково верная: если кот был отравлен, он наблюдал коллапс системы, но поскольку физик не заглянул внутрь ящика, система находится для него в суперпозиции, пока он не получит о ней дополнительную информацию, открыв коробку.

Существует также интерпретация «многих миров» Хью Эверетта, в которой говорится, что любое измерение, которое заставляет систему коллапсировать в одно из двух суперпозиционных состояний, разделит реальность на две части; оба одинаково реальны, но ни один из них не может взаимодействовать друг с другом. Это означает, что коллапса не произошло: если вы откроете коробку, а кот еще жив, он всегда должен был быть живым… в вашей реальности, но теперь есть другая вселенная, где вас арестовывают по обвинению в жестоком обращении с животными.

Что касается Нильса Бора, главного антагониста Альберта Эйнштейна по этой теме, то загадка вовсе не была загадкой. Он не думал, что наблюдатель напрямую вызвал коллапс, он просто измерил его. Для него первым наблюдателем был счетчик Гейгера. Можно сказать, что для Бора не было необходимости в чем-то нестандартном для получения результата.

Было предложено множество других решений парадокса, которые в то же время показывают, насколько сложно его решить. Ни один из них не дал удовлетворительного для всех вывода. Вероятно, именно поэтому Эрвин Шредингер не был большим поклонником разговоров о вероятности в квантовой механике, заявив:

Я не сторонник теории вероятностей, я ненавидел ее с первого момента, когда наш дорогой друг Макс Борн создал ее. Ибо было видно, как легко и просто все сделано, в принципе все выглажено и истинные проблемы спрятаны.