Суть эксперимента[править | править код]
В закрытый ящик помещён кот. В ящике имеется механизм, содержащий радиоактивное ядро и ёмкость с ядовитым газом. Параметры эксперимента подобраны так, что вероятность того, что ядро распадётся за 1 час, составляет 50 %. Если ядро распадается, оно приводит механизм в действие, он открывает ёмкость с газом, и кот умирает. Согласно квантовой механике, если над ядром не производится наблюдения, то его состояние описывается суперпозицией (смешением) двух состояний — распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике, и жив, и мёртв одновременно. Если же ящик открыть, то экспериментатор обязан увидеть только какое-нибудь одно конкретное состояние — «ядро распалось, кот мёртв» или «ядро не распалось, кот жив».
Вопрос стоит так: когда система перестаёт существовать как смешение двух состояний и выбирает одно конкретное? Цель эксперимента — показать, что квантовая механика неполна без некоторых правил, которые указывают, при каких условиях происходит коллапс волновой функции и кот становится либо мёртвым, либо остаётся живым, но перестаёт быть смешением того и другого.
Вопреки расхожим представлениям, сам Шрёдингер придумал этот опыт вовсе не потому, что он верил, будто «мёртвоживые» коты существуют; наоборот, он считал квантовую механику неполной и не до конца описывающей реальность в данном случае. Поскольку ясно, что кот обязательно должен быть либо живым, либо мёртвым (не существует состояния, промежуточного между жизнью и смертью), то это означает, что это верно и для атомного ядра. Оно обязано быть либо распавшимся, либо нераспавшимся.
Оригинальная статья вышла в немецком журнале Naturwissenschaften («Естественные науки») в году: E. Schrödinger: «Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik» («Сегодняшнее положение дел в квантовой механике»), Naturwissenschaften, 48, 807, 49, 823, 50, 844 (November 1935). Целью статьи было обсуждение ЭПР парадокса, опубликованного Эйнштейном, Подольским и Розеном ранее в том же году. Кроме того, что Шрёдингер в этой статье познакомил нас с котом, он ещё ввёл термин «запутанность» (По-немецки: Verschränkung, по-английски: entanglement).
Эксперимент с котом Шредингера
Для того чтобы максимально доступно рассказать о сути эксперимента, нужно отметить, что перед его началом ставится некая загадка. Разрешить ее, найти ответ позволяет кот в ящике. Основная суть заключается в том, что животное заперто в стальной конструкции. Вместе с ним находится смертельно опасный механизм. Он активируется после того, как происходит распад радиоактивного атома внутри него. Если атом распадется в течение отведенного на эксперимент часа, механизм сработает и кошка, которая находится внутри, умрет.
В другом описании говорится, что вместе с кошкой в коробе заперта коробка с ядовитым веществом. Она постепенно раскрывается, но может и остаться закрытой. На этот показатель оказывает влияние процесс распада внутри ядра.
В ходе исследования становится понятно, что вероятность смертельного исхода для животного составляет 50%.
Подробное описание и объяснение
Проводится эксперимент так:
- Нужно поместить в железную конструкцию кота и колбу с ядом.
- Закрыть ящик.
- Ждать час (60 минут).
В том случае, если ядро распадается, что происходит мгновенно, наблюдающий не будет этого знать. После открытия ящика можно наблюдать 2 варианта исхода эксперимента: кот будет живой или мертвый. В первом случае можно говорить, что процесс распада ядра произошел, а во втором – нет.
Нужно понимать, что до самого конца эксперимента наблюдатель не будет полностью уверен в результате, так как ему нельзя по условиям открывать крышку ящика. Получается, что в течение 1 часа кот жив и мертв одновременно.
Особые моменты эксперимента
Нужно учитывать, что конечный итог всегда может быть только один. Непонимание возникает благодаря принципу квантовой неопределенности. Согласно ему возникает состояние между жизнью и смертью. В реальности оно не может быть, но теорема квантовой механики подобное допускает. В научной категории 90% явлений построены именно на этом состоянии. Во время эксперимента человек всегда находится в догадках, что же произойдет. Узнать результат можно будет только после открытия крышки ящика.
Эффект наблюдателя в квантовой физике – понятие, говорящее о некой неопределенности, которую испытывает человек, выдвигая предположения в ходе разворачивающейся перед ним ситуации. Ящик, взятый для проведения опыта, должен иметь толстые стенки. Также он звуконепроницаемый. Если использовать логику, то состояние кота полностью соответствует состоянию ядра и атомов внутри него. Подобный опыт указывает, что пока ядро сохраняет целостность кот (кошка Шредингера) будет жить.
Квантовая механика утверждает, что нестабильное ядро пребывает в суперпозиции. Это означает, что оно может одновременно является и целым, и распавшимся. Определяет итоговое состояние именно ученый – экспериментатор, открывая контейнер. Так он устраняет элемент неопределенности, который присутствует в ходе всего опыта.
Копенгагенская интерпретация
Для того чтобы понять закон, который выдвигается квантовой механикой, нужно обратиться к трудам Нильса Бора и Вернера Гейзенберга. Они в 1927 году сформулировали улучшенную интерпретацию волновой функции. В основе лежит идея о том, что вся квантовая механика индетерминистичная. Отсюда следует, что в основе расчетов и вычислений лежат вероятности и принцип дополненности. Согласно ему все без исключения объекты обладают определенными парами свойств. Они взаимодополняют друг друга. Особенность: их нельзя измерить или наблюдать в действии одновременно.
Многомировая интерпретация Эверетта
Она указывает на то, что существует ряд параллельных вселенных. В каждой из них действуют одинаковые законы природы и научные факты. Мировое постоянство схожее. Основным различием являются состояния объектов . Выдвинуто такое предположение Эвереттом было в 1957 году.
Многомировая интерпретация отказывается от рассмотренного ранее в качествен основы индетерминированного коллапса волновой функции как основы любого возможного изменения. В предложенной интерпретации главной является квантовая сцепленность т.е. обратимость существующих эволюцией состояний.
МЕЖДУ ЖИЗНЬЮ И СМЕРТЬЮ
Шредингер, кстати, как и Эйнштейн, был недоволен квантовой механикой из-за ее неопределённости. Строгий детерминизм учёным был привычнее и понятнее квантового вероятностного описания. Классическая физика на вопрос: «Что произойдет при таких-то и таких-то условиях?» дает конкретный ответ: «Произойдет то-то и то-то». Квантовая же на него отвечает: «произойдет то-то и то-то с такой-то вероятностью. А может произойти и что-то иное с соответствующей вероятностью».
Мысленный эксперимент Шрёдингера «проводился» дабы указать на изъяны квантовой теории, ее неразрешенные проблемы в сопоставлении с классической реальностью. В нем представлена квантовая система, где атом может быть и распавшимся и не распавшимся одновременно и на первый взгляд это кажется нормальным. Однако когда аналогичное происходит с котом, который становится и живым и мёртвым, это звучит несообразно. Ведь в объективной реальности не существует состояния, промежуточного между жизнью и смертью, кот обязательно должен находиться в одном из них.
Таким образом, при переходе из субатомной системы в макроскопическую, где привычные для нас объекты всегда находятся в единственном конкретном состоянии, раскрывается неполнота квантовой механики. Квантовые эффекты применительно к макроскопическим системам выглядят очень странно.
Как предсказать квантовый скачок?
Искусственные атомы называют кубитами. Они применяются в качестве основных единиц информации в квантовом компьютере. При каждом измерении кубита он выполняет квантовый скачок, но эти скачки непредсказуемы, а все попытки построить квантовые вычисления крайне проблематичны. В попытках спасти кота Шредингера, команда из Йельского университета разработала эксперимент для косвенного наблюдения сверхпроводящего кубита.
Для проведения эксперимента ученые подготовили специальную установку, включающую три микроволновых генератора для облучения кубита, которые находились в герметичном трехмерном корпусе из алюминия. В ходе исследования физики использовали два специально настроенных микроволновых сигнала. Один луч микроволнового света давал энергию для квантового скачка, а другой позволял ученым следить за ситуацией. Обнаружить квантовые скачки удалось когда «атом» возбуждался или терял энергию. Как пишет The Guardian, исследователи считают, что «квантовые скачки» – это не столько резкие скачки между энергетическими уровнями атомов, но постепенные переходы, больше похожие на скольжение.
«Квантовые скачки атома в некоторой степени аналогичны извержениям вулкана. Они абсолютно непредсказуемы в долгосрочной перспективе, пишут авторы исследования
Отмечу, что в обычных атомах «состояния» представлены расположением электрона вокруг ядра атома, но в этом искусственном атоме состояние представлено квантованым свойством, значение которого изменяется по мере прохождения электронами ограждения короба из алюминия. Технически эта квантовая система – двухкубитный квантовый компьютер, следующий тем же принципам, что и другие квантовые системы, включая электроны вокруг атомов.
Однако, даже не смотря на потрясающие результаты, у исследователей было лишь мгновение до того, как произошел переход между состояниями. Это означает, что ученые не могут предсказать точный день и время перехода состояния атома. Но этот уровень предвидения может быть полезен для квантовых компьютеров. Технология, основанная на этом эксперименте, может позволить исследователям квантовых вычислений идентифицировать ошибки прямо по мере их возникновения.
Важно понимать, что предстоит еще много работы, прежде чем эти исследования будут интегрированы в существующие квантовые компьютеры. Другие эксперты в этой области приветствовали исследование, а профессор Влатко Ведрал из Оксфордского университета охарактеризовал его как «очень красивый эксперимент»
А как вы думаете, можно ли спасти кота Шредингера? Ответ будем ждать здесь!
Эффект наблюдателя в психологии
Одним из самых первых проявлений эффекта наблюдателя в социальной психологии считается эксперимент на фабрике Western Electric в США. Группа ученых во главе с психологом Джорджем Элтоном Мэйо (George Elton Mayo) меняла условия труда на фабрике, пытаясь понять, какие именно из них оказывают наибольшее влияние на производительность. Эксперимент проводился в несколько этапов и длился в общей сложности 8 лет.
Даже в тех случаях, когда условия труда были тяжелыми и непривычными, рабочие фабрики сохранили производительность, а в некоторых случаях даже стали работать эффективнее
Исследователи пришли к выводу, что на поведение рабочих положительно повлияло присутствие наблюдателей и понимание, что они участвуют в важном эксперименте. Иными словами, люди изменяли свое поведение, потому что за ними наблюдали
Это феномен был позже назван «эффектом Хоторна» (Hawthorne effect).
У исследователей пока нет о нем единого мнения. Они до сих пор задаются, вопросами, при каких условиях он возникает и какого размаха может достичь. В 2013 году ученые рассмотрели 19 исследований с данными о феномене. Они указали, что, хотя проявления эффекта Хоторна действительно существуют, собранных материалов недостаточно, чтобы сделать однозначные выводы.
Но эксперимент на фабрике помог психологу Мэйо сформулировать свою доктрину человеческих отношений
Один из главных ее принципов — важность сотрудничества между руководством и работниками. Мейо полагал, что межличностные отношения напрямую влияют на процесс производства и производительность
Сейчас доктрину человеческих отношений преподают в качестве учебной дисциплины в бизнес-школах и школах менеджмента.
Экономика образования
Что такое Agile и подойдет ли он вашей компании
Объяснения эксперимента
Эксперимент Шрёдингера произвёл фурор в научных кругах. Ещё бы: один из фундаментальных принципов квантовой механики — принцип суперпозиции — был поставлен под сомнение. Стало появляться множество попыток как-то сгладить противоречие — от вполне тривиальных до совсем фантастических.
Так, копенгагенская интерпретация продолжает настаивать на том, что выход частицы из состояния суперпозиции связан с появлением наблюдателя. Более того, само измерение не является пассивным процессом — оно влияет на систему и заставляет её выбрать одно из состояний.
Дело в том, что из-за несовершенства измерительных приборов мы не можем одинаково точно измерить два параметра частицы — например, её импульс и положение в пространстве. Чем точнее мы измеряем одну величину, тем хуже измерения в другой. Это называется принципом неопределённости Гейзенберга. На эту тему у учёных-физиков даже существует анекдот:
Гейзенберг ведёт машину, его останавливает полицейский.
— Профессор, вы знаете, с какой скоростью вы едете?
— Нет, зато я точно знаю, где нахожусь.
Например, чтобы измерить, скажем, импульс частицы, нам нужно пропустить её через детектор — то есть облучить фотонами света. Как только мы это сделаем, под влиянием фотонов частица тут же потеряет скорость — а значит, измерения будут неточны. Такая потеря квантовых свойств при столкновении с внешним миром называется декогеренцией.
Получается, что «эффект наблюдателя» связан не с тем, что частица каким-то образом узнаёт, что мы на неё смотрим. Это мы не можем адекватно изучить всё многообразие состояний частицы — а при попытке измерить её параметры натыкаемся лишь на одно из них, безо всякой суперпозиции.
Если подытожить, в копенгагенской интерпретации кот Шрёдингера останется жив до тех пор, пока радиоактивный атом не попадёт в детектор, где будет облучён фотонами света, которые и заставят его выйти из суперпозиции.
Копенгагенская версия достаточно хороша, чтобы быть общепринятой, но она имеет один существенный изъян — в ней нет чёткого объяснения, при каких именно условиях частица выбирает одно из состояний. Это как будто происходит случайно и не зависит ни от каких законов. Такой ответ многим физикам кажется неудовлетворительным, а потому сохраняется пространство для других интерпретаций.
Многомировая интерпретация. В 1957 году американский физик Хью Эверетт предложил объяснение, способное перевернуть представление о Вселенной. Так, согласно многомировой теории, суперпозиция атома не исчезает при измерении, а продолжает существовать в параллельных мирах.
Каждый раз, когда мы открываем коробку, мы фактически создаём новую вселенную, где система находится в новом состоянии. Получается, кот может быть жив и мёртв одновременно, но в разных мирах. И мы, как наблюдатели, тоже «расщепляемся»: одна наша версия достаёт из коробки живого питомца, а другая — мёртвого.
Многомировая интерпретация хоть и является радикальной, зато сохраняет универсальность квантовой механики для всех объектов — и на микро-, и на макроуровне. Именно поэтому квантовые физики рассматривают её не как нечто фантастическое, а как полноценную научную теорию.
В общем, мы бы не рекомендовали проводить какие-либо опыты над котами, если вы не хотите случайно оказаться внутри какого-нибудь фильма или мема про мультивселенные 
Эксперимент с «котом Шрёдингера»
В 1935 году Шрёдингер опубликовал статью из трёх частей под названием «Современное состояние квантовой механики», в которой был описан знаменитый парадокс с котом. Итак, вот в чём его суть:
- Представим, что у нас есть стальной звукоизолированный ящик (контейнер, коробка).
- Внутри ящика установлена «адская машинка» — специальное устройство, в котором стоит счётчик Гейгера с помещённым в него атомом радиоактивного вещества. Вероятность, что этот атом распадётся в течение часа, — 50%. Если атом распадается, то счётчик приводит в действие специальный механизм — молоточек, разбивающий колбу с ядовитой синильной кислотой.
- Помещаем в ящик обычного кота и закрываем крышку. Через час мы его откроем и сможем увидеть, жив кот или умер от отравления ядовитым веществом.
Если следовать копенгагенской интерпретации квантовой механики, пока коробка закрыта, несчастное животное, как и радиоактивный атом, находится в суперпозиции — то есть кот Шрёдингера и жив, и мёртв одновременно. Понятно, что этого не может быть: не может же кот отравиться ядом лишь наполовину.
Своим «опытом» Шрёдингер хотел показать неполноту общепринятой концепции. Мол, если она не работает с макроскопическим объектом, коим является кот, то как мы можем применить её к микроскопическому объекту, коим является атом? Он предлагал искать другие способы понимания квантовой реальности, которые бы не противоречили здравому смыслу.
Калифорнийский парадокс
Однако самое эффектное открытие в этом отношении было сделано в 2010 году исследовательской группой Эндрю Клеланда из Калифорнийского университета (США).
В этом эксперименте в игру вступили так называемые СКВИДы (Superconducting Quantum Interference Devices ), сверхпроводящие торы с одним или несколькими джозефсоновскими переходами (разрезы в несколько нанометров, которые из-за туннелирования действуют как кубит с двумя четко определенными квантовыми состояниями).
Охлаждение до 25 мК суперпозиционных состояний наблюдалось в материале с примерно 20 миллиардами атомов! Эти квантово-чистые состояния соответствовали электрическим токам в одном направлении и в противоположном, суперпозиции которых соответствовали двум собственным состояниям энергии (основному и возбужденному), которые наблюдались экспериментально.
В связи с тем, что «SQUID» по-испански переводится как «кальмар», носители английского языка могут утверждать, что, хотя кошек Шредингера не наблюдали, кальмаров Шрёдингера уже наблюдали (хотя должно быть ясно, что не просто так).
К сожалению, времена декогеренции, рассчитанные до сих пор теоретически при комнатной температуре, дают нам значения ниже планковской единицы, поэтому можно сказать, что наблюдать квантовые эффекты в классической системе практически невозможно, несмотря на то, что публицистическая литература и «мудрость» ненаучно утверждать, что физики защищают повсеместное распространение кошек.
Кот Шредингера
Наверняка почти каждый продвинутый читатель хотя бы раз слышал про знаменитый мысленный эксперимент из области квантовой механики под названием «кот Шредингера». Это про кота, который «и жив, и мертв одновременно». Но задумывались ли вы, как можно использовать эту мысль на практике в реальной жизни?
В далеком 1935 году австрийский физик-теоретик Эрвин Шредингер опубликовал статью с мысленным экспериментом, которым он хотел показать неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем (микротела) к макроскопическим (объекты окружающего мира). Вот текст оригинальной статьи:
«Можно построить и случаи, в которых довольно бурлеска. Некий кот заперт в стальной камере вместе со следующей адской машиной (которая должна быть защищена от прямого вмешательства кота): внутри счётчика Гейгера находится крохотное количество радиоактивного вещества, столь небольшое, что в течение часа может распасться только один атом.
Но с такой же вероятностью может и не распасться; если же это случится, считывающая трубка разряжается и срабатывает реле, спускающее молот, который разбивает колбочку с синильной кислотой. Если на час предоставить всю эту систему самой себе, то можно сказать, что кот будет жив по истечении этого времени, коль скоро распада атома не произойдёт.
Первый же распад атома отравил бы кота. Пси-функция системы в целом будет выражать это, смешивая в себе или размазывая живого и мёртвого кота (простите за выражение) в равных долях. Типичным в подобных случаях является то, что неопределённость, первоначально ограниченная атомным миром, преобразуется в макроскопическую неопределённость.
Она может быть устранена путём прямого наблюдения. Это мешает нам наивно принять «модель размытия» как отражающую действительность. Само по себе это не означает ничего неясного или противоречивого. Есть разница между нечётким или расфокусированным фото и снимком облаков или тумана».
Простыми словами: в ящике находится кот и колба с ядом, которая раскрывается в зависимости от того распадется атом внутри устройства или нет. Вероятность распада, а, следовательно, смерти кота – 50 %. Мы закрываем ящик и ждем час. Если ядро распадается, то это происходит мгновенно, но мы не можем знать распалось ли оно или нет.
Когда мы откроем ящик есть два варианта развития событий:
- ядро распалось, кот мертв;
- ядро не распалось, кот жив.
Но до тех пор, пока наблюдатель-экспериментатор не открыл ящик, мы не можем знать наверняка, что произошло, поэтому кот, якобы, жив и мертв одновременно. На деле мы понимаем, что исход может быть один, но из-за принципа квантовой неопределенности возникает состояние между жизнью и смертью.
Оно невозможно в реальном мире (а в квантовой механики почти все явления построены на этом состоянии). Мы понимаем, что ядро может либо распадаться, либо не распадаться, а промежуточного состояния для этого не существует, и в тот момент, когда мы открываем ящик, мы узнаем результат, но до этого мы находимся в неведении, и подходят оба варианта.
Как это использовать в реальной жизни? К сожалению или к счастью, человеческий мозг устроен таким образом, что абсолютно любое действие, явление или внешний фактор он подвергает тщательному анализу, результаты которого влияют на наше мнение относительно объекта анализа.
Поэтому людям свойственно сомневаться в чем-либо, особенно когда они сталкиваются с неопределенностью. Нравлюсь ли я девушке(парню)? Получу ли я повышение по службе? Смогу ли я добиться своей цели? Список сомнений может варьироваться от размеров тетрадного листа до целых альманахов.
На деле все проще, чем мы представляем себе в голове. Вспоминаем эксперимент с котом Шредингера – кот либо мертв, либо жив. Третьего варианта не дано, однако мы не узнаем исход эксперимента до тех пор, пока не откроем ящик. Спроецируем это на наши жизненные проблемы: спроектируйте в голове вашу проблемы и выберите два наиболее вероятных исхода события.
Желательно самый положительный и самый отрицательный результат последствий ваших действий. Вам остается лишь открыть ящик, то есть сделать то, в чем вы сомневаетесь, либо подождать пока произойдет событие X.
Парадокс Шредингера
Если в начальный момент времени T оставить систему в течение 1 часа, и за это время 1 час (до открытия сейфа в момент времени T = T + 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 = T + 1 час), то он совершенно определённо скажет живой кот или нет.
Если рассмотреть ситуацию, при которой в определённый момент времени T < T + 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 = T + 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 T
до T = T + 1 час система пребывает сразу в двух состояниях («кот жив» и «кот не жив») одновременно.
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.
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.
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.