Полiт.ua Государственная сеть Государственные люди Войти
8 декабря 2016, четверг, 15:02
Facebook Twitter LiveJournal VK.com RSS

НОВОСТИ

СТАТЬИ

АВТОРЫ

ЛЕКЦИИ

PRO SCIENCE

ТЕАТР

РЕГИОНЫ

Запутанный кот Шрёдингера

Кот Шредингера
Кот Шредингера

Физики вновь не дают покоя бедному животному. Арт Хобсон (Art Hobson) из Арканзасского университета опубликовал в журнале Physical Review A статью о квантовой механике, в заключении которой написал, что его выводы могут разрешить знаменитый парадокс Эрвина Шрёдингера о коте, который одновременно и жив, и мертв.

Сначала вспомним историю этого знаменитого кота. Квантовая физика, описывая объекты микромира, наделяет их свойствами, которые очень часто кажутся парадоксальными для разума обычного человека. Каждый объект обладает определенными характеристиками, например, хотя бы положением в пространстве, которое описывается координатами. У частиц могут быть заряд, спин и другие характеристики. Нам привычно, что эти характеристики могут быть точно указаны. Но для объектов микромира, к которым и относятся элементарные частицы, дело обстоит иначе. Их состояние описывается волновой функцией, которая задает вероятности, с которыми частица имеет то или иное значение каждой своей характеристики. При этом сам квантовый объект находится во всех возможных состояниях сразу (это называют суперпозицией состояний). Когда же исследователь измеряет значение характеристики, происходит «коллапс волновой функции», неопределенность исчезает.

Когда исследователь измеряет значение характеристики, происходит «коллапс волновой функции», неопределенность исчезает.

Парадокс, возникающий при применении принципов квантовой физики к объектам не микро-, а макромира, демонстрирует описанный Шрёдингером в 1935 году мысленный эксперимент с котом. Кот сидит в ящике, также в ящике есть радиоактивное вещество, подобранное с таким расчетом, что в течение часа с вероятностью 0,5 может распасться только один атом. Если атом распадается, это регистрирует счетчик Гейгера, который запускает механизм, разбивающий сосуд с синильной кислотой. Кот вдыхает ядовитые пары и умирает. Однако, пока мы не откроем ящик, мы не сможем узнать, жив ли кот. С точки зрения квантовой физики атом находится в суперпозиции двух возможных состояний (распался или не распался), более того, в суперпозиции двух состояний должен находиться и кот (живой или мертвый). Пока мы не заглянули в ящик (то есть, пока не провели измерение) спрашивать, в каком именно из двух состояний находится атом (и кот) бессмысленно.

Кот Шрёдингера стал героем книг, комиксов, видеоигр, песен и рисунков на футболках.

Надо заметить, что Шрёдингер, который хотел продемонстрировать неприменимость постулатов квантовой физики к макромиру и, возможно, немножко поиздеваться над коллегами, добился неожиданного эффекта. Яркий и наглядный образ кота, которого легко может представить себе любой читатель (вообразить фотон куда труднее), стал широко известен. Кот Шрёдингера проник в массовую культуру: стал героем книг, комиксов, видеоигр, песен и рисунков на футболках. В большей степени это относится к англоязычному миру, но постепенно кот становится всё более известен и в России. Вместе с информацией о коте, который и жив, и мертв, обыватель получает информацию о том, что квантовые объекты могут "находиться в двух состояниях сразу". Он не понимает природы этого, может вообще не знать, что это за объекты и какими могут быть их характеристики. Но разум обывателя уже подготовлен к восприятию одного из самых парадоксальных постулатов современной физики. Когда-то Стругацкие писали о восприятии человеком релятивистской физики: «…вовсе не нужно понимать, как происходит искривление пространства-времени, нужно только, чтобы такое представление с детства вошло в быт и стало привычным». Нечто подобное происходит с квантовой физикой, но не потому, что мы сталкиваемся в быту с квантовыми явлениями, а лишь благодаря выдуманному коту. Трудно однозначно судить, хорошо это или плохо, и непонятно, обрадовал бы этот факт самого Эрвина Шрёдингера.

Распространение взаимодействия со скоростью большей, чем скорость света в вакууме – вещь парадоксальная даже для физика.

А парадоксы квантовой физики этим не исчерпываются. Предположим, в ходе какого-то процесса рождается пара частиц. Законы сохранения требуют, чтобы они имели определенные характеристики. Например, из двух возникших фотонов один должен иметь спиральность +1, а другой -1. Но, как уже говорилось, до того, как наблюдатель измерит спиральность фотона, он находится в состоянии суперпозиции. И вот мы узнаем, что спиральность одного фотона положительна. Тут же у другого фотона, как бы далеко он ни находился, спиральность оказывается отрицательной. Получается, что между частицами происходит взаимодействие, причем это взаимодействие распространяется с огромной скоростью (потенциально – с бесконечной скоростью, если нам удастся разнести эти фотоны на бесконечное расстояние). Такая зависимость квантовых состояний называется «квантовой запутанностью» (термин этот также ввел Шрёдингер). Квантово запутанных частиц может быть не пара, а больше, и характеристики их могут быть не двузначными, мы лишь рассмотрели самый простой пример.

Когда-то многие считали все рассуждения о вероятностной природе квантовых явлений лишь неким умопостроением, метафорой, облегчающей понимание. Предполагали, что сами фотоны изначально "знают" свои характеристики, просто мы не можем их определить до измерения. Развитие физики показало, что это не так и что за парадоксальными построениями теоретиков стоит реальность.

Британец Джон Белл, работавший в ЦЕРНе, опубликовал в 1964 году статью, из которой следовала возможность экспериментально проверить, когда определяются характеристики квантово запутанных частиц: в момент их рождения или в тот момент, когда эта характеристика измерена. Статистические результаты эксперимента должны были отличаться в зависимости от того, какой из этих вариантов соответствует действительности.

И экспериментальные проверки последовали. В 1972 году опыт провели Джон Клаузер и Стюарт Фридман, в 1981 другой эксперимент осуществил Ален Аспэ. В обоих случаях оказалось, что квантовая запутанность реально существует и характеристика пары запутанных частиц неопределенна до ее измерения у одной из частиц. В частности, в эксперименте Аспэ общая спиральность фотонов была равна нулю, но у какого фотонов спиральность +1, а у какого -1, определялось лишь в момент измерения. До этого момента каждый фотон находился в суперпозиции двух состояний.

В дальнейшем удалось экспериментально получить пары квантово запутанных частиц. В 2007 году расстояние между квантово запутанными частицами было равно метру (в опыте физиков Мичиганского университета), в 2008 швейцарские физики добились расхождения запутанных фотонов уже на 18 километров. А чуть позже в лабораториях на островах Тенерифе и Ла Пальма в Канарском архипелаге квантово запутанные фотоны разделялись уже 144 километрами. В результате таких опытов выяснилось, что если каким-то образом взаимодействие между запутанными частицами происходит, оно должно распространяться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме не менее чем в 100 000 раз.

Вернемся к судьбе кота Шрёдингера. В чем же состоит решение, предложенное Артом Хобсоном? В статье он рассматривает явление квантовой запутанности и анализирует результаты экспериментов с запутанными фотонами. Но для иллюстрации своих мыслей вслед за Шрёдингером обращается к образу кота. Он предлагает не считать кота  макроскопическим прибором, реагирующим на событие микромира – распад атома, а воспринимать и атом, и кота как квантово запутанные объекты. Состояние кота, по мнению физика, правильнее описывать не как (мертвый / живой), а как (мертвый при распавшемся атоме / живой при нераспавшемся атоме). Взгляд в ящик ничего не меняет, только информирует наблюдателя о том, что уже случилось.

Обсудите в соцсетях

Система Orphus
Подпишитесь
чтобы вовремя узнавать о новых спектаклях и других мероприятиях ProScience театра!
3D Apple Facebook Google GPS IBM iPhone PRO SCIENCE видео ProScience Театр Wi-Fi альтернативная энергетика «Ангара» античность археология архитектура астероиды астрофизика Байконур бактерии библиотека онлайн библиотеки биология биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера бозон Хиггса визуальная антропология вирусы Вольное историческое общество Вселенная вулканология Выбор редакции гаджеты генетика география геология глобальное потепление грибы грипп демография дети динозавры ДНК Древний Египет естественные и точные науки животные жизнь вне Земли Западная Африка защита диссертаций землетрясение зоопарк Иерусалим изобретения иммунология инновации интернет инфекции информационные технологии искусственный интеллект ислам историческая политика история история искусства история России история цивилизаций История человека. История институтов исчезающие языки карикатура католицизм квантовая физика квантовые технологии КГИ киты климатология комета кометы компаративистика компьютерная безопасность компьютерные технологии коронавирус космос криминалистика культура культурная антропология лазер Латинская Америка лженаука лингвистика Луна мамонты Марс математика материаловедение МГУ медицина междисциплинарные исследования местное самоуправление метеориты микробиология Минобрнауки мифология млекопитающие мобильные приложения мозг Монголия музеи НАСА насекомые неандертальцы нейробиология неолит Нобелевская премия НПО им.Лавочкина обезьяны обучение общество О.Г.И. открытия палеолит палеонтология память педагогика планетология погода подготовка космонавтов популяризация науки право преподавание истории происхождение человека Протон-М психология психофизиология птицы ракета растения РБК РВК регионоведение религиоведение рептилии РКК «Энергия» робототехника Роскосмос Роспатент русский язык рыбы Сингапур смертность Солнце сон социология спутники старообрядцы стартапы статистика технологии тигры торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология Фестиваль публичных лекций физика физиология физическая антропология фольклор химия христианство Центр им.Хруничева школа эволюция эволюция человека экология эпидемии этнические конфликты этология ядерная физика язык

Редакция

Электронная почта: politru.edit1@gmail.com
Адрес: 129343, Москва, проезд Серебрякова, д.2, корп.1, 9 этаж.
Телефоны: +7 495 980 1893, +7 495 980 1894.
Стоимость услуг Полит.ру
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003г. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2014.