Кот Шрёдингера (кошка Шрёдингера) — герой кажущегося парадоксальным мысленного эксперимента Эрвина Шрёдингера, которым он хотел продемонстрировать неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим.
Суть эксперимента
В закрытый ящик помещён кот[1]. 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 либо становится мёртвым, либо остаётся живым, но перестаёт быть смешением того и другого.
Поскольку ясно, что кот обязательно должен быть либо живым, либо
мёртвым (не существует состояния, промежуточного между жизнью и
смертью), то означает, что это верно и для атомного ядра. Оно
обязательно будет либо распавшимся, либо нераспавшимся.
Оригинальная статья вышла в немецком журнале Naturwissenschaften («Естественные науки») в 1935 году[2]. Целью статьи было обсуждение ЭПР парадокса, опубликованного Эйнштейном, Подольским и Розеном ранее в том же году[3]. Статьи ЭПР и Шредингера обозначили странную природу «квантовой запутанности» (нем. Verschränkung, англ. entanglement) quantum entanglement
(введенный Шредингером термин), характерной для квантовых состояний,
являющихся суперпозицией состояний двух систем (например, двух
субатомных частиц).
Копенгагенская интерпретация
В копенгагенской интерпретации система перестаёт быть смешением состояний и выбирает одно из них в тот момент, когда происходит наблюдение. Эксперимент с котом показывает, что в этой интерпретации природа этого самого наблюдения — измерения —
определена недостаточно. Некоторые полагают, что опыт говорит о том,
что до тех пор, пока ящик закрыт, система находится в обоих состояниях
одновременно, в суперпозиции состояний «распавшееся ядро, мёртвый кот» и
«нераспавшееся ядро, живой кот», а когда ящик открывают, то только
тогда происходит коллапс волновой функции
до одного из вариантов. Другие догадываются, что «наблюдение»
происходит, когда частица из ядра попадает в детектор; однако (и это
ключевой момент мысленного эксперимента), в копенгагенской интерпретации
нет чёткого правила, которое говорит, когда это происходит, и потому
эта интерпретация неполна до тех пор, пока такое правило в неё не
введено или не сказано, как его можно ввести. Точное правило таково:
случайность появляется в том месте, где в первый раз используется
классическое приближение.
Таким образом, мы можем опираться на следующий подход: в
макроскопических системах мы не наблюдаем квантовых явлений (кроме
явления сверхтекучести и сверхпроводимости);
поэтому, если мы накладываем макроскопическую волновую функцию на
квантовое состояние, мы из опыта должны заключить, что суперпозиция
разрушается. И хотя не совсем ясно, что́ значит, что нечто является
«макроскопическим» вообще, про кота точно известно, что он является
макроскопическим объектом. Таким образом, копенгагенская интерпретация не считает, что до открытия ящика кот находится в состоянии смешения живого и мёртвого.
Многомировая интерпретация Эверетта и совместные истории
В многомировой интерпретации квантовой механики, которая не считает процесс измерения чем-то особенным, оба состояния кота существуют, но декогерируют. Когда наблюдатель открывает ящик, он запутывается
с котом и от этого образуются два состояния наблюдателя,
соответствующие живому и мёртвому коту, которые (состояния) не
взаимодействуют друг с другом. Тот же механизм квантовой декогеренции
важен и для совместных историй. В этой интерпретации только «мёртвый кот» или «живой кот» могут быть в совместной истории.
Другими словами, когда ящик открывается, Вселенная расщепляется на
две разные вселенные, в одной из которых наблюдатель смотрит на ящик с
мёртвым котом, а в другой — наблюдатель смотрит на живого кота.
Космолог Макс Тегмарк предложил вариацию опыта с котом Шрёдингера под названием «машина для квантового самоубийства».
Он рассматривает эксперимент с котом с точки зрения самого кота и
утверждает, что таким образом можно экспериментально различить
копенгагенскую и многомировую интерпретации. Другая вариация
эксперимента — это опыт с другом Вигнера.
Физик Стивен Хокинг
однажды воскликнул: «Когда я слышу про кота Шрёдингера, моя рука
тянется за ружьём!» Он перефразировал известное немецкое высказывание,
сделанное нацистским «заслуженным поэтом» Гансом Йостом: «Wenn ich 'Kultur' höre, entsichere ich meinen Browning!» («Когда я слышу слово „культура“, то снимаю с предохранителя свой браунинг!»)
Фактически Хокинг и многие другие физики придерживаются мнения, что
«Копенгагенская школа» интерпретации квантовой механики подчёркивает
роль наблюдателя безосновательно. Окончательного единства среди физиков
по этому вопросу всё ещё не достигнуто.
Распараллеливание миров в каждый момент времени соответствует
подлинному недетерминированному автомату в отличие от вероятностного,
когда на каждом шаге выбирается один из возможных путей в зависимости от
их вероятности.