А ещё он не кот, а кошка.
367 просмотров
16 марта программист и блогер под псевдонимом Вастрик опубликовал на своём сайте лонгрид, в котором попытался максимально простым языком объяснить, как устроены квантовые компьютеры.
Он начал материал с азов квантовой механики и в том числе упомянул популярный пример с котом Шрёдингера, который часто используют для объяснения явления суперпозиции, когда частица может находится сразу в двух состояниях. Правда, больше автор решил этот пример не использовать из-за того, что тот устарел и «не даёт читателю никакого понимания как всё это реально можно использовать на практике».
Однако пользователь твиттера и ведущий разработчик Jet Infosystems Влад Зайцев напомнил, что пример с котом Шрёдингера никогда не был предназначен для объяснения явления суперпозиции. И даже наоборот — задумывался для опровержения такой интерпретации.
22
113
Как пояснил Зайцев, Эрвину Шрёдингеру не нравилась интерпретация квантовой механики, в которой квантовая механика становилась вероятностной и непредсказуемой. В качестве примера он привёл фотон, который пролетает через одну из двух щелей: пока его никто не видит, он попадает в обе щели в виде кучи равновероятностных фотонов в разных позициях и «интерферирует» сам с собой.
Но стоит поставить детектор, который определяет, через какую щель он пролетел, как магия исчезает, и фотон интерферировать перестает. Может быть, фотон в обычном состоянии не шарик, а размазанная вероятностная волна?
8
Поэтому мы не может узнать, где он находится, пока не измерим, но измерив, мы уже самим фактом ломаем состояние системы. Квантовая механика становится принципиально непредсказуемой, вероятностной, в отличии от большой механики, и это ломало мозг.
8
Эту идею выдвинули Гейзенберг и Бор, и она очень не нравилась Шрёдингеру и Эйнштейну. "Бог не играет в кости", вот это все.
И Шрёдингер предлагает мысленный эксперимент: хорошо, говорит он, вот у нас есть атом, который может или распасться, или не распасться.
4
Зайцев напомнил о первоначальной сути эксперимента Шрёдингера. В 1935 году учёный написал статью в журнал Naturwissenschaften («Естественные науки») в ответ на парадокс Эйнштейна, Подольского и Розена. В своём материале Шрёдингер рассуждал над вероятностной интерпретацией квантовой механики.
Учёный попытался довести до абсурда модель волновой функции, предложенную Гейзенбергом и Бором, чтобы показать её неполноту и указать на пробелы. Для этого он решил вывести состояние суперпозиции в большую вселенную и связать распад ядра атома с более крупным и совсем безумным примером — смертью кота.
Шрёдингер предложил мысленный эксперимент — посадить кота в стальной сейф, в котором размещён механизм, способный его убить. По задумке учёного, в счётчик Гейгера нужно положить крошечную частичку радиоактивного вещества, чтобы за час мог распасться только один из атомов, либо ни одного.
Если атом распадётся, то счётчик это фиксирует и приводит в действие молоток, разбивающий колбу с ядом. В противном случае кот выживает. Если бы это выражали через волновую функцию, то живой и мёртвый кот существовали бы одновременно с одинаковыми вероятностями, отмечал Шрёдингер.
В результате учёный пришёл к выводу, что кот не может быть одновременно и живым, и мёртвым. Таким образом, реальность не подчиняется волновой функции, подытожил Шрёдингер.
Соответственно, если атом у нас находится в суперпозиции, и для него это еще допустимо, то и кот у нас тоже находится в суперпозиции, а это уже недопустимо — никто никогда не видел одновременно разбитую и целую чашку, она всегда либо разбита, либо цела.
5
Значит, идея о нахождении частицы в состоянии с равной вероятностью двух исходов — ерунда, надо искать другое объяснение наблюдаемым явлениям (той же интерференции фотона).
7
С ним согласился Эйнштейн, который тоже не принимал волновую интерпретацию Гейзенберга и Бора, также называемую копенгагенской. После выхода статьи он написал Шрёдингеру, что его пример «очень красиво показывает неполное представление положения вещей в волновом представлении материи».
Как отметил Зайцев, несмотря на то, что многим пытались объяснить вероятностную интерпретацию именно через пример кота Шрёдингера, на самом деле учёный спроектировал эксперимент для опровержения концепции. Поэтому использовать подобный пример было бы бессмысленно.
Поэтому объяснять вероятностную интерпретацию квантовой механики котом Шрёдингера бессмысленно — это специально проектированный мысленный эксперимент, который пытается эту интерпретацию опровергнуть. Бедные те люди, которым пытались объяснить вещь через ее опровержение...
4
19
Эйнштейн критиковал волновую интерпретацию квантовой механики из-за её противоречия его теории относительности. Для этого он даже разработал мысленный эксперимент, который прозвали ЭПР-парадоксом по первым буквам имён тех, кто над ним работал — Эйнштейна, Подольского и Розена.
Суть парадокса заключается в том, что вероятностная интерпретация приводит к «дальнодействию» — то есть можно моментально узнать состояние одного микрообъекта, измерив состояние другого. Таким образом информация передаётся быстрее скорости света, а это невозможно по теории относительности.
Позже учёные только выяснили, что квантовая механика верна, проверив ЭПР-парадокс опытным путём. Выяснилось, что состояние суперпозиции у частиц нестабильно и существует только пока они не взаимодействуют с чем-то макроскопическим. А сложные системы всегда будут находиться только в каком-то одном состоянии, поэтому в примере с котом он не мог бы оказаться в суперпозиции.
Кот не может существовать в состоянии суперпозиции, потому что он слишком большой, слишком много частиц должны быть запутаны и когерентны, чтобы весь кот был в вероятностном виде: чем больше частиц, тем короче их потенциальное существование в когерентном виде.
6
Именно поэтому ракеты летают, подчинясь правилам классической, а не квантовой механики, поэтому мы можем знать скорость, импульс и положение ракеты одновременно, именно поэтому существует само время — все реакции в нашем теле идут в наиболее вероятную сторону.
7
Поэтому атом в эксперименте будет в виде волновой функции 50/50% распался/не распался, но как только в процесс включится атомы детектора, реагирующего на обломки атома и механизм с колбой яда, система станет слишком сложной, и ей придется схлопнуться в одно из двух состояний.
7
Однако, с точки зрения бесплотного наблюдателя рядом с атомом, он не будет распадаться или нет, он будет пребывать действительно в состоянии суперпозиции, что забавно. И заставит его выбрать одно из двух состояний именно детектор вокруг. А до этого — таки суперпозиция.
6
Бонус: кот — на самом деле не кот, а кошка
Кстати, кот шредингера на самом деле не кот, а кошка. Живите теперь с этим.
11
Зайцев также указал, что котом всё время была кошка. Это действительно так: Шрёдингер в своей статье использовал слово Katze, которое переводится как «кот», но перед ним стоял артикль Eine, который в немецком языке указывает на женский пол. Таким образом, кот Шрёдингера — это на самом деле кошка.