Кот Шрёдингера

 Сегодня при упоминании имени Шрёдингера в памяти сразу всплывают кот, ящик и парадокс. Его знаменитый мысленный эксперимент, опубликованный в 1935 году в рамках работы «Текущая ситуация в квантовой механике», представляется одним из самых жестоких в истории науки. Впервые услышав о нем, люди сначала ужасаются и тут же испытывают громадное облегчение, узнавая, что эксперимент — гипотетический и никогда не проводился на живом коте.

Шрёдингер предложил этот мысленный эксперимент в работе, посвященной исследованию феномена квантовой запутанности в физике. Квантовая запутанность (термин, введенный Шрёдингером) — это ситуация, когда две или несколько частиц описываются одним квантовым состоянием, то есть если что-то происходит с одной из частиц, это одновременно затрагивает и все остальные частицы.

Загадка кота Шрёдингера проверяет на прочность принципы квантовой физики, предлагая нам представить судьбу кота, состояние которого запутано с состоянием частицы. Кот заперт в ящике, в котором находятся атом радиоактивного вещества, счетчик Гейгера и герметичный сосуд с ядом. Ящик закрыт на такой интервал времени, по истечении которого атом с вероятностью 50% может распасться с испусканием частицы. Аппарат сконструирован таким образом, что если счетчик Гейгера зарегистрирует порожденную в результате распада частицу, то сосуд с ядом разобьется и кот погибнет. Однако если распада не произойдет, то кот не пострадает.

Как отмечал Шрёдингер, согласно правилам измерений в квантовой механике, пока ящик закрыт, состояние кота (мертвый или живой) будет запутано с состоянием радиоактивного атома, распад которого фиксирует счетчик Гейгера. Таким образом, кот оказывается в состоянии квантовой суперпозиции подобно зомби (и живой и мертвый одновременно) до тех пор, пока не сработает таймер, исследователь не откроет коробку и не произойдет редукция запутанного квантового состояния кота и счетчика в какое-нибудь одно из возможных состояний.

С точки зрения Шрёдингера, сама мысль о том, что кот и не живой, и не мертвый — апофеоз абсурда, тем не менее, экспериментальное подтверждение квантовой механики вынуждает ученых прийти именно к такому выводу. В настоящее время все эксперименты подтверждают квантовую теорию.

Парадокс кота Шрёдингера невероятен, но с годами физики  привыкли к «чудесам» квантовой механики.

В 1957 г. физик Хью Эверетт высказал предположение о том, что в процессе эволюции Вселенная постоянно «раздваивается», как дорога у развилки. В одной Вселенной атом урана не распадается, и кот остается в живых. В другой атом урана распадается, и кот погибает. Если Эверетт прав, существует бесконечное множество вселенных. Каждая вселенная соединена с другими целой сетью «дорожных развилок».

Физик Брайс Девитт, один из сторонников теории Эверетта, писал: «Каждый квантовый переход, происходящий на каждой звезде, в каждой галактике и каждом отдаленном уголке Вселенной, раскалывают наш местный мир на Земле на мириады копий самого себя». Согласно постулату многомировой теории, все возможные квантовые миры существуют. В некоторых мирах, подобно жизни на Земле, живут человеческие существа. В других — события в субатомной сфере препятствовали возникновению человека».

Многочисленные миры решают парадокс кота Шрёдингера. В одной вселенной кот может оказаться мертвым, в другой — живым.

В основу теории Эверетта положены одиночные частицы и невозможность коммуникации между вселенными после их разделения. Волновая функция Стивена Хокинга заходит дальше: в ее основе лежит бесчисленное множество самосогласованных вселенных (а не только частиц), и сама теория предполагает возможность перемещения между ними по «червоточинам».

Квантовая теория гласит, что для каждого объекта есть волновая функция, определяющая вероятность нахождения этого объекта в той или иной точке пространства и времени. Кроме того, согласно квантовой теории, состояние частицы невозможно узнать без наблюдения. Прежде чем сделаны измерения, частица может находиться в одном из разнообразных состояний, описанных волновой функцией Шрёдингера. Таким образом, до того, как сделано измерение (наблюдение), узнать состояние частицы нельзя. По сути дела, пока не проведено измерение, состояние частицы — ни то ни се, сумма всех возможных состояний.

Когда эта идея впервые была выдвинута Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом, Эйнштейн восстал против нее. «Неужели Луна существует только потому, что мышь смотрит на нее?» — любил спрашивать он. Согласно строгой интерпретации квантовой теории, Луна до момента наблюдения не существует в том виде, в каком мы ее знаем. Ведь Луна может находиться в любом из бесконечного множества состояний, в том числе пребывать на небесах, взрываться, вообще быть где-то в другом месте. Именно наблюдения за Луной и измерения определяют, что на самом деле она движется вокруг Земли.

В квантовой теории чаще всего замешательство вызывает то, что наблюдателю необходимо делать измерения. Таким образом, до того как сделаны наблюдения, кот может быть либо мертвым, либо живым, а луна может либо находиться, либо не находиться в небе. Обычно от таких соображений отмахиваются как от абсурдных, но квантовая механика была неоднократно подтверждена в лабораторных условиях. Для ведения наблюдений требуется наблюдатель, а для объяснения существования любого объекта должно существовать сознание.

В нашей Вселенной мы «настроены» на частоту, которая соответствует физической реальности. Но есть бесконечное количество параллельных реальностей, сосуществующих в одной комнате вместе с нами, хотя мы не можем «настроиться на них». Эти миры очень похожи друг на друга, но в каждом из них атомы обладают различной энергией. А поскольку каждый мир состоит из триллионов и триллионов атомов, это означает, что различие в энергии может быть довольно велико. Волны этих различных миров вибрируют с различной частотой и не могут взаимодействовать друг с другом.

Таким образом, в одной вселенной кот действительно мертв, зато в другой — жив. Однако обе вселенные находятся в одном и том же вместилище — волновой функции Вселенной.

В последние годы кот Шрёдингера стал популярным мемом. Он появился на футболках, в комиксах, в телесериалах. Но самым известным упоминанием о коте Шрёдингера стала публикация 12 августа 2013 года на главной странице Google карикатуры на этот мысленный эксперимент, приуроченная к 126-й годовщине со дня рождения Шрёдингера. Благодаря этим разнообразным упоминаниям в культуре, кот и даже сам эпитет «шрёдингеровский», применяемый к чему угодно, стал символом неоднозначности нашего мира, где действуют одни и те же законы природы и которым свойственны одни и те же мировые постоянные, но которые находятся в различных состояниях.