кот шредингера в чем смысл

Кот Шредингера — суть эксперимента простыми словами

Суть эксперимента

Итак, кот Шредингера — что это такое? Устраивайтесь поудобнее и включайте воображение. Представьте, что перед вами стоит большой металлический ящик, стенки которого сделаны из толстого звуконепроницаемого материала. Внутри сидит кот, обычный, ничем не примечательный кот. Рядом с котом находится так называемая адская машинка. В ней расположена капсула с ядом и ядро придуманного профессором Шредингером элемента. Период его полураспада составляет ровно 1 час.

Ящик плотно закрыт. За час, на протяжении которого будет длиться эксперимент, атом может распасться. Вероятность этого 50%. Но он также может остаться целым. Шанс этого также равен 50%. Как вы узнаете, что произошло? Правильно, открыв ящик и заглянув внутрь него.

Что будет в этот момент с котом? Варианта два: он или жив, или мертв. Если сказать простыми словами, то его состояние полностью повторяет состояние ядра. Если ядро в целости и сохранности, кот жив. Если же оно распалось, кот, к сожалению, погиб.

Пояснение

Попробуем объяснить эксперимент «кот Шредингера» простыми словами кратко и понятно. Согласно законам квантовой физики, ядро любого атома занимает суперпозицию. Что это значит? Оно одновременно пребывает сразу в двух состояниях: распавшееся и целое. Если это на самом деле так, то суперпозицию занимает и кот. Получается, что в один и тот же промежуток времени он и живой, и мертвый сразу. Парадокс.

Что хотел показать Эрвин Шредингер

Большую часть своей жизни ученый изучал теорию квантовой механики. Ему не давала покоя копенгагенская интерпретация, принятая как самая обоснованная. По мнению самого Шредингера, она была неполной, что он и пытался доказать с помощью своего эксперимента. Нужно было определить, при каких условиях система сменит суперпозицию на одно из двух вероятных состояний (коллапс волновой функции).

Если придерживаться копенгагенской интерпретации, система переходит в состояние в тот момент, когда наблюдатель открывает ящик. Получается, что и кот либо остается живым, либо умирает в ту же самую секунду. Вот что оспаривал ученый. Он совсем не отрицал, что суперпозиция существует. Он боролся с парадоксом наблюдателя, согласно которому эта самая суперпозиция исчезает, как только человек начинает наблюдать за системой.

Как все описанное относится к психологии? На этот вопрос, пусть и немного смешно, но ответил один из героев популярного сериала «Теория большого взрыва». Если сказать простыми словами, эксперимент Шредингера он применил к отношениям между мужчиной и женщиной. Чтобы понять, хорошие они или плохие, нужно открыть «ящик». До этого момента оба партнера будут находиться в неведении.

Выжил ли кот после эксперимента

Эксперимент был мысленным. По-настоящему его никто не проводил. Поэтому ни одно животное не пострадало.

Заключение

Итак, суть эксперимента «кот Шредингера» заключается в следующем: абсурдно считать, что луна существует только тогда, когда вы на нее смотрите. То же самое говорил Альберт Эйнштейн, пытаясь указать коллегам на несостоятельность некоторых убеждений. Мнение Эрвина Шредингера было таким же. Кот не может быть и жив, и мертв сразу. Так же и в нашей жизни. Отношения не могут быть хорошими и плохими одновременно. Это только так кажется. Откройте «ящик» и посмотрите, стоит ли их продолжать или вы тратите время попусту?

Источник

Кот Шрёдингера

Кот Шрёдингера — это, пожалуй, один из самых известных персонажей научного мысленного эксперимента. Правда, что это за эксперимент и что призван иллюстрировать кот, мало кто понимает. Кот Шрёдингера? Ну, это такой кот, который сидит в коробке и одновременно и жив, и мёртв… Потому что наука!

Естественно, это, извините за оксюморон, чушь собачья, в которую ни один физик никогда не верил. Что же было на самом деле? Чтобы понять, откуда взялся наш кот, надо вспомнить кое-что из истории квантовой механики.

Содержание

Квантовая механика [ править ]

Началось всё с того, что в начале двадцатого века физики обнаружили: микрообъекты (элементарные частицы, а также и частицы поменьше, о которых тогда не знали) ведут себя очень странно — совсем не так, как им положено по классической ньютоновской механике. Например, эксперимент показал, что электрон ведёт себя одновременно как частица и как волна (это называется «корпускулярно-волновой дуализм»).

А ещё обнаружилось, что, наблюдая микрообъекты, наблюдатель неизбежно влияет на них своим наблюдением. Взять, например, фотон. Он умеет всего три вещи — излучаться, лететь со скоростью света и поглощаться. Наблюдать его иначе чем в момент поглощения мы не можем (потому что наблюдение фотона — это и есть поглощение). Соответственно, был сформулирован принцип неопределённости Гейзенберга — уравнение, демонстрирующее, что мы не можем одновременно знать положение и момент импульса частицы с произвольной точностью. Этот принцип хорошо иллюстрируется анекдотом о том, как Гейзенберга остановил полицейский за превышение скорости: «Вы знаете, с какой скоростью вы ехали? — Нет, зато я точно знаю, где сейчас нахожусь!»

Поэтому физики ввели понятие волновой функции. Значение этой функции (точнее, квадрата её модуля) в некоторой точке-состоянии соответствовало вероятности, с какой наше наблюдение застанет частицу в данном состоянии. Иначе говоря, с точки зрения наблюдателя можно считать, что частица одновременно находится в разных состояниях с разной вероятностью. Это называется «суперпозицией состояний».

Модель волновой функции, а также использующее эту функцию уравнение Шрёдингера позволили объяснить некоторые необычные свойства микрообъектов. Но остался вопрос: а как ведёт себя частица на самом деле? Волновая функция ведь описывает результат наших измерений, то есть результат взаимодействия частицы с наблюдателем. А как ведёт себя частица в отсутствие наблюдателя?

Копенгагенская интерпретация и появление кота [ править ]

Одним из ответов на этот вопрос была так называемая копенгагенская интерпретация. Согласно ей, частица действительно находится сразу во многих состояниях с разной вероятностью. Конечно, макрообъекты так себя не ведут, но мы ведь уже знаем, что в микромире свои правила? Ну так вот, частица живёт себе в суперпозиции состояний, пока наблюдатель не «наблюдёт» её и своим наблюдением не схлопнет волновую функцию, оставив частицу в одном фиксированном состоянии.

Именно здесь на сцену выходит наш кот. Эрнест Шрёдингер, один из «зубров» квантовой механики, резко высказался против копенгагенской интерпретации и, чтобы опровергнуть её, придумал мысленный эксперимент — того самого кота.

Итак, есть наглухо закрытая коробка, в которой сидит кот, а также находится радиоактивный атом, который может распасться, а может и нет. Если атом распадётся и специальный детектор это уловит, то в коробке разобьётся ампула с ядовитым газом, и бедный кот помрёт. Если же атом не распадётся, то кот останется в живых.

Штука в том, что наружный мир никак не действует на систему внутри нашей коробки. (Да, в реальности таких коробок не бывает, но на то у нас и мысленный эксперимент.) Мы никак не можем сказать, жив кот в коробке или уже умер. Открыв коробку, мы увидим или труп, или живого и сердитого кота. Но каким был кот до того, как мы открыли коробку? Раз у нас не было никаких способов это проверить, то, наверное, кот, как и частица в копенгагенской интерпретации, находился в суперпозиции двух состояний: был одновременно и жив, и мёртв. Верно?

Разумеется, это чушь (или, как выразился сам Шрёдингер, «бурлеск»), и с котами такого не бывает. В этом и есть суть мысленного эксперимента Шрёдингера: мы знаем, что макрообъекты так себя не ведут, и у нас нет оснований полагать, что так себя ведут микрообъекты.

Споры об интерпретациях квантовой механики (а этих интерпретаций было предложено довольно много) не утихают до сих пор, но нас сейчас интересуют не эти споры, а кот. Что же было с ним дальше?

Дальнейшие приключения кота [ править ]

Дальше с котом Шрёдингера случилось нечто неожиданное. Хотя изначально кот был антипримером, оказалось, что его удобно использовать, наоборот, как пример для объяснения суперпозиции состояний. Разумеется, преподаватели (и, будем надеяться, студенты) понимали, что мёртво-живого кота быть не может; но на таком нарочито абсурдном примере оказалось удобно иллюстрировать, как свойства микрообъектов отличаются от свойств макрообъектов. Ну и кроме того, он прекрасно олицетворял саму абсурдность, непостижимость, непознаваемость физики для тех, кто в ней не разбираются.

А потом… Харизматичный и парадоксальный кот Шрёдингера, как и подобает коту, пошёл гулять сам по себе по мировой культуре. Уже в полном отрыве от спора об интерпретациях квантовой механики (и, увы, часто без особого понимания соответствующей физики) кота поминают или обсуждают во множестве произведений.

См. также [ править ]

Мышь Эйнштейна — ещё один полемический зверёк, связанный с квантовой механикой.

Примеры [ править ]

Фольклор [ править ]

Литература [ править ]

Комиксы [ править ]

Веб-комиксы [ править ]

Мультсериалы [ править ]

Аниме [ править ]

Видеоигры [ править ]

Источник

Что не так с котом Шрёдингера

Хитро вывернутая теория, которую до конца не понимает никто в мире, плюс хорошая метафора = будоражащий умы населения глобальный мем.

В буквальном смысле глобальный — пожалуй, в любой стране мира можно будет найти довольно заметное количество людей, слышавших словосочетание «кот Шрёдингера».

И, возможно даже, в каждой стране мира найдутся не только слышавшие, но и делающие из этого далеко идущие выводы.

Ну там: «Если мир зависит от наблюдателя, то, значит, солипсизм верен — хотя бы отчасти».

Или: «Человек способен влиять на мир чисто силой мысли». Точнее, силой наблюдения за миром.

Или, быть может, человек способен, наблюдая, делать нужные мысленные усилия и направлять события в нужную сторону?

Или хотя бы в ненужную, но всё-таки направлять?

Иногда к этому — для солидности — добавляется: «учёные доказали» или «современная наука считает». Однако нет, никто ничего такого не доказывал, и современная наука так совсем даже не считает. Всё дело лишь в цепочке недопониманий.

В чём же тут на самом деле суть? Суть в том, что модель, в которой элементарные частицы можно представить в виде очень маленьких шариков, применима во множестве случаев, но есть некоторые случаи, когда эта модель даёт настолько неверные прогнозы, что приходится вводить другую, более общую модель, считая означенные «очень маленькие шарики» — некоторым её приближением, адекватным реальности не вообще всегда и везде, а только кое-где кое-когда.

Эти «шарики» вообще ведут себя довольно странно. Каждый из них вроде бы обладает импульсом и может быть где-то обнаружен — то есть, кроме импульса, ему ещё можно приписать координаты. Однако одновременно измерить импульс и координаты одной и той же частицы можно исключительно с некоторой ошибкой.

Этот эффект описывается так называемым «соотношением неопределённостей Гейзенберга»: произведение ошибки в измерении импульса на ошибку измерения координаты всегда больше некоторой величины. Эта величина — «половина от приведённой постоянной Планка» — довольно маленькая, поэтому в тех случаях, когда мы имеем дело с макроскопическим миром, неопределённости можно проигнорировать. Но вот в некоторых других случаях нас интересуют как раз мелкие детали, и вот тут это соотношение неопределённостей сильно мешает нам считать частицу просто шариком.

Кроме того, частицы демонстрируют ряд других странных эффектов: иногда преодолевают потенциальные (силовые) барьеры, на преодоление которых у них вроде бы не хватает энергии («туннельный эффект»), интерферируют сами с собой, когда их запускают в сторону железяки с двумя щелями, будто бы пролетая через обе щели сразу (то есть, ведут себя подобно накладывающимся друг на друга волнам, но в одиночку), ну и так далее.

Это подводит нас к выводу, что с частицами не всё так просто. Причём, как с ними на самом деле, никто пока наверняка не знает. Тем не менее, есть некоторое количество математических описаний происходящего, которые, если ими воспользоваться, дают довольно хорошо сбывающиеся прогнозы. А потому, видимо, реальности в некотором смысле соответствуют. Весь вопрос, как это соответствие трактовать.

В частности, фрагментом такового описания является так называемая «волновая функция», сопоставляемая с каждой элементарной частицей или с системой из элементарных частиц.

Как эту волновую функцию трактовать, есть много вариантов.

Положим, например, что частица — это не частица, а некоторое вещество, рассеянное по всему пространству. Рассеяно оно неравномерно, а потому мы можем ввести понятие его плотности в каждой точке пространства. Вот распределение этой плотности в зависимости от координат и описывает волновая функция (точнее, квадрат волновой функции).

Или же, скажем, квадрат волновой функции описывает вероятность того, что, ткнув в данную точку пространства, мы обнаружим там эту частицу — уже в виде «шарика».

Правда, эти аналогии весьма приблизительны. Ведь волновая функция задаётся не относительно привычных для нас координат в привычном для нас пространстве, а в виде координат в конфигурационном пространстве. Для чего, впрочем, тоже есть своя аналогия.

Предположим, что нас по какой-то причине интересует только цвет объектов. Для задания цвета мы, как известно, можем использовать три величины: красную, зелёную и синюю составляющие. Если теперь мы зададим систему координат xyz, где вдоль оси x будет откладываться красная составляющая, вдоль оси y — зелёная и вдоль оси z — синяя, то каждому возможному цвету мы сможем поставить с соответствие точку в этой системе координат.

Поскольку же нас интересует только цвет, именно его мы будем считать состоянием объекта. И указывать эти состояния в виде точек этой координатной системы.

Вот и будет наше «конфигурационное пространство» для данного примера. То есть пространство, где осями координат выступают независимые все параметры и тем самым любой возможный набор параметров может быть представлен точкой в этом пространстве, имеющей соответствующие параметрам координаты.

Условная графическая модель конфигурационного пространства.

Если мы теперь установим вероятность того, что тот или иной объект имеет тот или иной цвет — например, просто посмотрев на цвета 100500 объектов и тщательно запротоколировав результаты, — то в этом конфигурационном пространстве мы сможем ввести понятие «плотности цвета» или, если вам угодно, «плотности вероятности обнаружения объекта с таким цветом» (того, что взятый нами наугад объект будет иметь цвет из некоторого малого диапазона близких друг к другу цветов).

Скажем объектов с цветом (1, 0, 0) у нас в три раза больше, чем объектов с цветом (0, 0, 1) (чисто красных втрое больше, чем чисто синих), поэтому «плотность цвета» в точке (1, 0, 0) втрое больше, чем в точке (0, 0, 1). Что аналогично втрое большей вероятности обнаружить чисто красный предмет, чем, нежели, чисто синий.

У конфигурационных пространств квантовых систем параметров побольше, чем было в этом примере, но суть процесса примерно вот такая: под состоянием системы там понимается расположение каждой из частиц с учётом их импульсов. А волновую функцию можно трактовать как то, что, будучи возведённой в квадрат, даёт плотность вероятности обнаружить именно вот такое состояние.

Так к чему всё это. Это всё к тому, что эта самая волновая функция описывает только ту квантовую систему, за которой никто не наблюдает. Если же попытаться её пронаблюдать, то она тут же проявит себя не как некое вышеописанное «облако состояний» с переменной плотностью, а практически как вышеописанную же группу движущихся шариков. Этот эффект называется «коллапс волновой функции».

В вышеприведённой аналогии с цветами означенное выглядело бы так: пока мы не вытащили какой-то конкретный объект из мешка, мы не можем говорить о его цвете, кроме как в смысле пространства цветов с функцией, описывающей плотность их вероятности. Но стоит нам какой-нибудь объект всё-таки вытащить, как мы узнаём конкретный цвет этого объекта. То есть вероятность в бесконечно малом объёме, соответствующем этому цвету, «схлопывается» в единицу, а во всех остальных местах пространства цветов становится равной нулю.

Правда, у цветной аналогии и квантовой механики есть одно существенное отличие: в цветной аналогии предполагается целый мешок разноцветных объектов, тогда как частица-то, про которую идёт речь, всего одна (ну или набор частиц, но тоже один и тот же — воспринимаемый как единая система). Однако стоит нам её пронаблюдать, как мы выясняем, что она, например, находится в такой-то окрестности вокруг такой-то точки пространства и летит в таком-то направлении с такой-то скоростью, плюс-минус неопределённость из соотношения неопределённостей.

И вот, помедитировав над всем этим, Шрёдингер предположил, что в квантовой механике, как в теории, заключён какой-то парадокс: уж слишком сильно такое описание расходится с привычным для нас макромиром, где, скажем, кружка пива вроде бы стоит на столе даже тогда, когда мы на неё не смотрим, а вовсе не распылена с разной плотностью по всей вселенной.

Чтобы это проиллюстрировать, он придумал пример, в котором в непрозрачном ящике сидит кот, и там же в ящике находится колба с ядом. Рядом с колбой находится детектор радиации и ядро какого-то радиоактивного элемента. Если частица распадётся, то детектор уловит её распад и включит механизм, разбивающий колбу с ядом. И тогда кот — всё.

Однако «распавшаяся частица» и «не распавшаяся частица» — это ведь тоже квантовые состояния. Пока мы не наблюдаем частицу, она находится сразу в обоих — просто с разной вероятностью (или плотностью, если угодно). Таким образом, кот вроде как тоже должен находиться сразу в двух состояниях: живом и мёртвом. До тех пор, пока мы не откроем ящик, не пронаблюдаем его содержимое и не «схлопнем» тем самым волновую функцию частицы, сделав её состояние конкретным: распавшимся или не распавшимся. А детектор — зафиксировавшим распад или не зафиксировавшим. Ну и кота — либо совсем живым, либо совсем мёртвым.

Заметьте, Шрёдингер не говорил, что, в нашем мире кот из данного мысленного эксперимента одновременно жив и мёртв. Напротив, он говорил, что если согласиться с вот такой трактовкой квантовой механики и, в частности, волновой функции, то нам придётся признать существование одновременно живого и мёртвого кота в непрозрачном ящике.

Ну а уже из этого будет вытекать, что мы можем изменять мир просто путём созерцания его фрагментов.

Так вот. Что не так с котом Шрёдингера.

В первую очередь то, что тут допущены изрядные вольности в трактовке терминов.

Когда речь идёт о макромире, слово «наблюдение» мы привычно отождествляем с информацией, поступающей к нам в мозг через органы чувств.

Однако, как она поступает на сами органы? Мы ведь не можем наблюдать объект в километре от нас сам по себе. Нет, мы видим отражённый от этого объекта свет. И уже по этому свету — потоку фотонов с различными длинами волн, с различной интенсивностью бомбардирующих различные рецепторы сетчатки нашего глаза, — мозг строит модель этого отдалённого объекта.

Иными словами, мы наблюдаем не сам объект, а последствия взаимодействия каких-то других объектов (в данном случае, фотонов) с этим объектом, а потом и с рецепторами нашей сетчатки.

Однако фотоны — очень мелкие, поэтому мы пренебрегаем их влиянием на сам объект.

Но теперь предположим, что мы хотели бы «посмотреть» на сам фотон. Тут прежний фокус уже не сработает: ведь фотон не может отражать другие фотоны, оставаясь при этом в неизменности. Чтобы «посмотреть» на фотон, мы должны его поймать, а при поимке он, возможно, вообще перестанет существовать. Ну или, по крайней мере, уж совершенно точно изменит своё состояние — полетит в другую сторону, например.

В микромире мы уже не можем проигнорировать то, что игнорируем в макромире: любое наблюдение радикально меняет состояние объекта, поскольку в обязательном порядке означает взаимодействие с этим объектом. Собственно, поэтому под «наблюдением» в квантовой механике как раз оное взаимодействие и подразумевается: грубо говоря, захотели «посмотреть» на электрон — швырнули им в мишень и посмотрели на то пятно, которое он там оставил.

Это уже радикально отличается от абстракции «просто наблюдения» или даже «созерцания», которая фигурирует в далеко идущих выводах о солипсизме и т. п. Грубо говоря, в далеко идущих выводах подразумевается, что наш взгляд на мир — это как бы «само по себе». Что-то, влияющее на означенный мир разве что мистической силой мысли.

Тогда как реально-то мы что-то видим исключительно потому, что на это что-то повлияло что-то другое, а до нас долетели осколки результатов их взаимодействия. Наша сила мысли не при делах: из того, что мы что-то увидели, уже следует, что с этим чем-то что-то другое уже провзаимодействовало.

А провзаимодействовав, оно уже «схлопнуло» волновую функцию тех элементарных частиц, которые ранее болтались в полной неопределённости. Как волновую функцию ни трактуй, а смысл-то один: наблюдение подразумевает взаимодействие, а при взаимодействии уже наступил коллапс волновой функции.

Вот и в коробке с котом так же: детектор, уловивший продукты распада ядра, был тем самым «наблюдателем», который, вступив во взаимодействие с квантовой системой (радиоактивным ядром — распавшимся или нет), превратил суперпозицию (сумму) волновых функций, описывающих «распавшееся ядро» и «нераспавшееся ядро», в конкретное состояние: распалось или не распалось. Поэтому кот выжил или почил, независимо от того, заглянули ли мы в коробку.

Другое дело, что пока мы не заглянули в коробку, мы не можем знать наверняка, что там внутри происходит, а потому — для описания этой неопределённости — вполне могли бы ввести аналогичную волновой функции «плотность вероятности состояния кота» и в них описывать систему, состояния которой мы не знаем наверняка. И у этого даже будет практический смысл: взяв миллион коробок с котами и детекторами, мы сможем довольно хорошо предсказать, в какой их доле коты будут мертвы, а в какой — живы.

Однако такое статистическое предсказание радикально отличается от постоянно популяризируемой трактовки вида «мир зависит от наших наблюдений». Нет, из нашей способности предсказать то, что подброшенный миллион раз кубик примерно в одной шестой случаев покажет нам единицу, вовсе не следует, что мы силой мысли можем управлять кубиком.

В общем, термины надо понимать так, как их понимал автор некого утверждения, — только тогда его обоснования будут реальными обоснованиями верности этого утверждения. Если же их наделить иным, пусть даже более понятным и приятным вам смыслом, то его утверждение, фактически, будет заменено некой вашей личной фантазией, никак и ничем не подтверждённой.

Кроме уже использованных в статье, можно предложить ещё вот такую.

Есть комната, в которой находится воздух, в составе которого есть молекулы воды.

Спецприборов у вас нет, поэтому молекулы вы не можете видеть. Поэтому всё, что вам в этом случае доступно — статистическое описание системы. Например, через такие, статистические по сути параметры, как «температура», «давление», «энтропия» и т. п.

Вы можете сделать некие предположения о распределении молекул внутри комнаты, но узнать наверняка, в каком именно состоянии (в каких точках пространства и с какими скоростями летят) они находятся, вы не можете. Однако можете оценить вероятность этих состояний.

Потом вы ставите охлаждённый поднос внутрь этой комнаты. Через некоторое время на нём обнаруживается конденсат, видимый глазом. Теперь некоторую часть молекул воды вы уже можете видеть — как капли или даже как лужицы на подносе.

Таким образом, произведя «наблюдение», вы поменяли состояние системы, однако получили возможность описывать её часть уже не столь обширно статистически, как раньше: теперь часть молекул — вы это уже точно знаете — сосредоточена в гораздо меньших объёмах.

Источник