"Кот Шредингера" и его продолжение. Парадоксы.

«Любой, кто не шокирован квантовой теорией, не понимает её», - так сказал Нильс Бор, основатель квантовой теории.
Основа классической физики - однозначная запрограммированность мира, иначе лапласовский детерминизм, с появлением квантовой механики сменилась вторжением мира неопределенностей и вероятностных событий. И здесь, как нельзя кстати, оказались для физиков-теоретиков мысленные эксперименты. Это были пробные камни, на которых проверялись новейшие идеи.

«Кот Шрёдингера»- это мысленный эксперимент, предложенный Эрвином Шрёдингером, которым он хотел показать неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к системам макроскопическим.

В закрытый ящик помещён кот. В ящике есть механизм, содержащий радиоактивное ядро, и ёмкость с ядовитым газом. Вероятность того, что ядро распадётся за 1 час, составляет 1/2. Если ядро распадается, оно приводит механизм в действие, он открывает ёмкость с газом, и кот умирает. Согласно квантовой механике, если над ядром не производится наблюдение, 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 может увидеть только какое-нибудь одно конкретное состояние — «ядро распалось, кот мёртв» или «ядро не распалось, кот жив».

Когда же система перестаёт существовать как смешение двух состояний и выбирает одно конкретное?

Цель эксперимента — показать, что квантовая механика неполна без некоторых правил, указывающих, при каких условиях происходит коллапс волновой функции (мгновенное изменение квантового состояния объекта, происходящее при измерении), 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.

Статья Шредингера «Текущая ситуация в квантовой механике» с представлением мысленного эксперимента с котом вышла в немецком журнале «Естественные науки» в 1935 году с целью обсуждения ЭПР-парадокса. Статьи Эйнштейна-Подольского-Розена и Шредингера обозначили странную природу «квантовой запутанности» (термин введен Шредингером), характерной для квантовых состояний, являющихся суперпозицией состояний двух систем (например, двух субатомных частиц).

Толкования квантовой механики

За время существования квантовой механики учеными были выдвинуты разные ее толкования, но наиболее поддерживаемые из всех на сегодня являются «копенгагенская» и «многомировая».

«Копенгагенская интерпретация» - это толкование квантовой механики сформулировали Нильс Бор и Вернер Гейзенберг во время совместной работы в Копенгагене ( 1927г.). Ученые попытались ответить на вопросы, возникающие вследствие свойственного квантовой механике корпускулярно-волнового дуализма, в частности на вопрос об измерении.

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.

В « многомировой интерпретации» квантовой механики, не считающей процесс измерения чем-то особенным, оба состояния кота существуют, но декогерируют, т.е. происходит процесс, при котором квантово-механическая система взаимодействует с окружающей средой и приобретает информацию, имеющуюся в окружающей среде, или иначе, « запутывается» с окружающей средой. И когда наблюдатель открывает ящик, он запутывается с котом и от этого образуются два состояния наблюдателя, соответствующие живому и мёртвому коту, и эти 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.

Парадокс "друга Вигнера"

Парадокс друга Вигнера – это усложнённый эксперимент парадокса «кота Шрёдингера». Лауреат Нобелевской премии, американский физик Юджин Вигнер ввел категорию «друзей». После завершения опыта экспериментатор открывает коробку и видит живого кота. Состояние кота в момент открытия коробки переходит в состояние «ядро не распалось, кот жив». Таким образом, в лаборатории кот признан живым. За пределами лаборатории находится «друг». Друг еще не знает, жив кот или мёртв. Друг признает кота живым только тогда, когда экспериментатор сообщит ему исход эксперимента. Но все остальные «друзья» еще не признали кота живым, и признают только тогда, когда им сообщат результат эксперимента. Таким образом, кота можно признать полностью живым только тогда, когда все люди во Вселенной узнают результат эксперимента. До этого момента в масштабе Большой Вселенной кот остается полуживым и полумёртвым одновременно.

Вышеописанное применяется на практике: в квантовых вычислениях и в квантовой криптографии. По волоконно-оптическому кабелю пересылается световой сигнал, находящийся в суперпозиции двух состояний. Если злоумышленники подключатся к кабелю где-то посередине и сделают там отвод сигнала, чтобы подслушивать передаваемую информацию, то это схлопнет волновую функцию (с точки зрения копенгагенской интерпретации будет произведено наблюдение) и свет перейдёт в одно из состояний. Проведя статистические пробы света на приёмном конце кабеля, можно будет обнаружить, находится ли свет в суперпозиции состояний или над ним уже произведено наблюдение и передача в другой пункт. Это делает возможным создание средств связи, которые исключают незаметный перехват сигнала и подслушивание.

Эксперимент (который в принципе может быть выполнен, хотя работающие системы квантовой криптографии, способные передавать большие объёмы информации, ещё не созданы) также показывает, что «наблюдение» в копенгагенской интерпретации не имеет отношения к сознанию наблюдателя, поскольку в данном случае к изменению статистики на конце кабеля приводит совершенно неодушевлённое ответвление провода.

А в квантовых вычислениях состоянием «шредингеровского кота» называется особое запутанное состояние кубитов, при котором они все находятся в одинаковой суперпозиции всех нулей или единиц.

( «Кубит» - это наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере. Он допускает два собственных состояния, но при этом может находиться и в их суперпозиции. При любом измерении состояния кубита он случайно переходит в одно из своих собственных состояний.)

В реалиях! Малый брат «кота Шрёдингера»

Прошло уже 75 лет с тех пор, как появился «кот Шредингера», но до сих пор некоторые из следствий квантовой физики кажутся расходящимися с нашими обыденными представлениями о веществе и его свойствах. Согласно законам квантовой механики должно быть возможным создание такого состояния «кота», когда он будет одновременно и жив, и мёртв, т.е. будет находиться в состоянии квантовой суперпозиции двух состояний. Однако на практике создание квантовой суперпозиции такого большого количества атомов пока не удаётся. Трудностью является то, что чем больше атомов находиться в суперпозиции, тем менее устойчиво это состояние, поскольку внешние воздействия стремятся его разрушить.

Физикам из Венского университета (публикация в журнале «Nature Communications», 2011г.) впервые в мире удалось продемонстрировать квантовое поведение органической молекулы , состоящей из 430 атомов и находящейся в состоянии квантовой суперпозиции. Полученная экспериментаторами молекула больше похожа на осьминога. Размер молекул составляет порядка 60 ангстрем, а длина волны де Бройля для молекулы составляла всего 1 пикометр. Такой «молекулярный осьминог» оказался способным продемонстрировать свойства, присущие коту Шрёдингера.

Квантовое самоубийство

Квантовое самоубийство — мысленный эксперимент в квантовой механике, который был предложен независимо друг от друга Г. Моравеком и Б. Маршалом, а в 1998 году был расширен космологом Максом Тегмарком. Этот мысленный эксперимент, являясь модификацией мысленного эксперимента с котом Шрёдингера, наглядно показывает разницу между двумя интерпретациями квантовой механики: копенгагенской интерпретацией и многомировой интерпретацией Эверетта.

Фактически эксперимент представляет собой эксперимент с котом Шрёдингера с точки зрения кота.

В предложенном эксперименте на участника направлено ружьё, которое стреляет или не стреляет в зависимости от распада какого-либо радиоактивного атома. Вероятность, что в результате эксперимента ружьё выстрелит и участник умрёт, составляет 50 %. Если копенгагенская интерпретация верна, то ружьё в конечном итоге выстрелит, и участник умрёт.
Если же верна многомировая интерпретация Эверетта, то в результате каждого проведенного эксперимента вселенная расщепляется на две вселенных, в одной из которых участник остается жив, а в другой погибает. В мирах, где участник умирает, он перестает существовать. Напротив, с точки зрения неумершего участника, эксперимент будет продолжаться, не приводя к исчезновению участника. Это происходит потому, что в любом ответвлении участник способен наблюдать результат эксперимента лишь в том мире, в котором он выживает. И если многомировая интерпретация верна, то участник может заметить, что он никогда не погибнет в ходе эксперимента.

Участник никогда не сможет рассказать об этих результатах, так как с точки зрения стороннего наблюдателя, вероятность исхода эксперимента будет одинаковой и в многомировой, и в копенгагенской интерпретациях.

Квантовое бессмертие

Квантовое бессмертие — мысленный эксперимент, вытекающий из мысленного эксперимента с квантовым самоубийством и утверждающий, что согласно многомировой интерпретации квантовой механики существа, имеющие способность к самосознанию, бессмертны.

Представим, что участник эксперимента взрывает ядерную бомбу вблизи себя. Практически во всех параллельных Вселенных ядерный взрыв уничтожит участника. Но, несмотря на это, должно существовать небольшое множество альтернативных Вселенных, в которых участник каким-либо образом выживает (то есть Вселенных, в которых возможно развитие потенциального сценария спасения). Идея квантового бессмертия состоит в том, что участник остаётся в живых, и тем самым способен воспринимать окружающую реальность, по меньшей мере в одной из Вселенных в множестве, пусть даже количество таких вселенных чрезвычайно мало в сравнении с количеством всех возможных Вселенных. Таким образом, со временем участник обнаружит, что он может жить вечно. Некоторые параллели с этим умозаключением могут быть найдены в концепции антропного принципа.

Другой пример вытекает из идеи квантового самоубийства. В этом мысленном эксперименте участник направляет на себя ружьё, которое может либо выстрелить, либо нет в зависимости от результата распада какого-либо радиоактивного атома. Вероятность, что в результате эксперимента ружьё выстрелит и участник умрёт, составляет 50 %. Если Копенгагенская интерпретация верна, то ружьё в конечном итоге выстрелит, и участник умрёт.

Если же верна многомировая интерпретация Эверетта, то в результате каждого проведённого эксперимента вселенная расщепляется на две вселенных, в одной из которых участник остается жив, а в другой погибает. В мирах, где участник умирает, он перестает существовать. Напротив, с точки зрения не умершего участника, эксперимент будет продолжаться, не приводя к исчезновению участника, так как после каждого расщепления вселенных он будет способен осознавать себя только в тех вселенных, где он выжил. Таким образом, если многомировая интерпретация Эверетта верна, то участник может заметить, что он никогда не погибнет в ходе эксперимента, тем самым «доказывая» свое бессмертие, по крайней мере с его точки зрения.

Сторонники квантового бессмертия указывают на то, что эта теория не противоречит никаким известным законам физики (эта позиция далека от единодушного признания в научном мире). В своих рассуждениях они опираются на следующие два спорных допущения:
- верна многомировая интерпретация Эверетта, а не Копенгагенская интерпретация, так как последняя отрицает существование параллельных вселенных;
- все возможные сценарии, в которых в ходе эксперимента участник может умереть, содержат по крайней мере малое подмножество сценариев, где участник остаётся в живых.

Возможным аргументом против теории квантового бессмертия может быть то, что второе допущение не обязательно следует из многомировой интерпретации Эверетта, и оно может вступать в противоречие с законами физики, которые, как считается, распространяются на все возможные реальности. Многомировая интерпретация квантовой физики необязательно предполагает, что «всё возможно». Она лишь указывает на то, что в определённый момент времени вселенная может разделиться на некоторое число других, каждая из которых будет соответствовать одному из множества всех возможных исходов. К примеру, считается, что второе начало термодинамики справедливо для всех вероятных вселенных. Это означает, что теоретически существование этого закона препятствует образованию параллельных вселенных, где он нарушался бы. Следствием этого может быть достижение с точки зрения экспериментатора такого состояния реальности, где его дальнейшее выживание становится невозможным, так как это потребовало бы нарушения закона физики, который, по высказанному ранее допущению справедлив для всех возможных реальностей.

Например, при взрыве ядерной бомбы, описанном выше, достаточно трудно описать правдоподобный сценарий, не нарушающий основных биологических принципов, в котором участник останется в живых. Живые клетки просто-напросто не могут существовать при температурах, достигаемых в центре ядерного взрыва. Для того чтобы теория квантового бессмертия осталась справедливой, необходимо, чтобы либо произошла осечка (и тем самым не произошло ядерного взрыва), либо случилось какое-либо событие, которое основывалось бы на пока неоткрытых или недоказанных законах физики. Другим аргументом против обсуждаемой теории может служить наличие у всех существ естественной биологической смерти, которую невозможно избежать ни в одной из параллельных Вселенных (по крайней мере, на данном этапе развития науки).

С другой стороны, второе начало термодинамики является статистическим законом, и ничему не противоречит возникновение флуктуации (например, появление области с условиями, подходящими для жизни наблюдателя во вселенной, в целом достигшей состояния тепловой смерти; или в принципе возможное движение всех частиц, возникших в результате ядерного взрыва, таким образом, что каждая из них пролетит мимо наблюдателя), хотя такая флуктуация возникнет лишь в крайне малой части из всех возможных исходов. Аргумент, относящийся к неизбежности биологической смерти, также может быть опровергнут на основании вероятностных соображений. Для каждого живого организма в данный момент времени существует ненулевая вероятность, что он останется жив в течение следующей секунды. Таким образом, вероятность того, что он останется жив в течение следующего миллиарда лет, также отлична от нуля (поскольку является произведением большого числа ненулевых сомножителей), хотя и очень мала.

В идее квантового бессмертия проблемно то, что согласно ей самосознающее существо будет «вынуждено» переживать чрезвычайно маловероятные события, которые будут возникать в ситуациях, при которых участник, казалось бы, должен погибнуть. Даже несмотря на то, что во многих параллельных вселенных участник умирает, те немногие вселенные, которые участник способен субъективно воспринимать, будут развиваться по крайне маловероятному сценарию. Это в свою очередь может в некотором роде вызвать нарушение принципа причинности, природа которого в квантовой физике еще недостаточно ясна.

Хотя идея квантового бессмертия вытекает большей частью из эксперимента с «квантовым самоубийством», Тегмарк утверждает, что при любых нормальных условиях всякое мыслящее существо перед смертью проходит через этап ( от нескольких секунд до нескольких лет)уменьшения уровня самосознания, никак не связанный с квантовой механикой, и у участника нет никакой возможности для продолжительного существования посредством перехода из одного мира в другой, дающий ему возможность выжить.

Здесь сознающий себя разумный наблюдатель лишь в относительно малом числе возможных состояний, при которых он сохраняет самосознание, продолжает оставаться в, так сказать, «здоровом теле». Возможность того, что наблюдатель, сохранив сознание, останется искалеченным, значительно больше, чем если он останется цел и невредим. Любая система (в том числе живой организм) имеет гораздо больше возможностей функционировать неправильно, чем оставаться в идеальной форме. Эргодическая гипотеза Больцмана требует, чтобы бессмертный наблюдатель рано или поздно прошёл все состояния, совместимые с сохранением сознания, в том числе и те, в которых он будет ощущать непереносимые страдания, — и таких состояний будет значительно больше, чем состояний оптимального функционирования организма. Таким образом, как считает философ Дэвид Льюис, нам следовало бы надеяться, что многомировая интерпретация неверна.

Источник: Википедия