Олексій Торгашёв за участю Івана Шунін, Бурхана Біглова, Даміра Давлетбаева, Олега Теряєва та інших класичних систем
Ервін Шредінгер (1887-1961) - австрійський фізик-теоретик, один із творців квантової механіки. Лауреат Нобелівської премії з фізики (1933). Вивів хвильове рівняння, зараз відоме як рівняння Шредінгера.
Чарівний світ квантових систем поводиться двозначно. Наприклад, літає електрон навколо ядра атома. Потім приходить вчений з приладом і намагається зрозуміти, де конкретно знаходиться електрон в цей самий момент. Він робить сто тисяч вимірювань і бачить, що електрон, власне, не літає - він просто «виникає» то там, то сям поблизу ядра. Причому не якимось випадковим чином, а в певній закономірності. І ймовірність того, що електрон виявиться в якомусь конкретному місці, можна обчислити. Найнеприємніше тут в тому, що обчислюється саме ймовірність: «Електрон знаходиться тут на 25%, там на 40%, а ще там, там і там ...»
Ось ми і розповіли, що таке хвильова, або ᴪ-функція. Якраз вона і показує математичну ймовірність того, де частка знаходиться.
Придумав таке, як ми з вами розуміємо, в 1926 році Ервін Шредінгер. ім'ям кота якого названий наш журнал.
Обчислювати хвильову функцію фізики навчилися дуже здорово, але відразу почалися філософські проблеми, через які скандалили Бор з Ейнштейном. Будівля квантової фізики, в фундамент якого лягла хвильова функція, стояло міцно, але мало не в кожну квартиру цього будинку заселилися парадокси. Наприклад, не можна одночасно дізнатися імпульс і координату частинки; інший приклад - два фотона, рознесені на космічні відстані, якимось чином «відчувають» один одного ... З нашим електроном на орбіті теж не все в порядку: в момент, коли ми його «ловимо» нашим приладом, він перестає бути квантовим об'єктом і стає класичним. Грубий макроскопічний світ вторгся в світ частинок і вступив з ним у конфлікт.
Стало зрозуміло: що відбувається, коли ми вимірюємо стан квантової системи, ловимо той же електрон, наприклад? Навіть не так: вимірюємо ми дійсно її стан, або нам доступний лише статистичний набір даних, а причину того, чому електрон себе так веде, нам зрозуміти не дано?
За хвильової функції можна визначити ймовірність того, живий кіт або мертвий. Але це не все: до тих пір поки ящик не відкрили, кіт є квантовим об'єктом. Він одночасно і живий і мертвий з якоюсь ймовірністю.
Радикальний відповідь дав Нільс Бор і його послідовники: в той момент, коли ми вимірюємо квантовий об'єкт, він автоматично стає частиною макросвіту і поводиться за правилами звичайної класичної фізики. Тобто, вимірюючи, ми руйнуємо квантову систему. Називається «колапс хвильової функції». Зрозуміти, чому так відбувається, ми не можемо, але експерименти це підтверджують.
Беремо той же уявний експеримент з котом Шредінгера. Він простий. В ящик з радіоактивним атомом на годину саджають кота. В ящику також знаходиться капсула з отруйним газом, яка розбивається, якщо атом розпадеться. За хвильової функції можна визначити ймовірність того, живий кіт або мертвий. Але це не все: до тих пір поки ящик не відкрили, кіт є квантовим об'єктом. Він одночасно і живий і мертвий з якоюсь ймовірністю.
Х'ю Еверетт III (1930-1982) - американський фізик, який в 1957 році запропонував многоміровая інтерпретацію квантової механіки, названу «відносність стану». Ця інтерпретація фактично говорить про те, що під час кожної події народжуються паралельні всесвіти. Многоміровая інтерпретація - друга за популярністю у фізиків після копенгагенської.
Бор і так звана Копенгагенська інтерпретація квантової механіки вирішують парадокс просто: нам нецікаво, що відбувається з котом всередині ящика, ми цього не знаємо, а ось коли відкриємо, то побачимо або однозначно живого, або однозначно мертвого. Нам судилося задовольнятися обмеженим знанням, тому хвильова функція - лише наше опис реальності квантового світу.
Фактично це означає, що ми нічого не можемо говорити про те, що не можемо бачити. Цього ніби й не існує, що і дратувало Ейнштейна, коли він питав про Місяць.
Однак людський розум з обмеженістю знання змиритися не може. З'явилося кілька інтерпретацій того, що ми спостерігаємо. Наприклад, Девід Бом ввів поняття прихованих параметрів - чогось, що стоїть за поведінкою квантів і хвильової функцією. Потім ці ідеї розвивав Джон Стюарт Белл, чиї нерівності вдалося перевірити експериментально і показати, що на близьких відстанях ніяких прихованих параметрів немає.
Ще був Х'ю Еверетт. придумав многоміровая інтерпретацію: при кожній події світ ділиться на частини, пов'язані один з одним. Інтерпретація жахлива у своїй грандіозності, але досить популярна у фізиків до сих пір ...
Дим боїв за філософські основи розуміння природи анітрохи не розсіявся і в наші дні. З'явилися витончені інструменти, якими фізики перевіряють, що ж лежить в основі реального світу.
Доктор Алессандро Федріцці з Університету Квінсленда розповів нам про результати дослідів.
[Кот Шредінгера] Що ви розумієте під «об'єктивною реальністю» в контексті інтерпретацій квантової механіки?
[Алессандро Федріцці] Говорячи «об'єктивна реальність», ми маємо на увазі, що властивості квантових об'єктів чітко визначено як до вимірювання, так і після (тобто що об'єктивна реальність існує незалежно від того, «дивимося ми на Місяць чи ні», і можна дізнатися її властивості, не руйнуючи в експерименті. - «КШ»).
Існують три найбільш загальних підходи до інтерпретації об'єктивної реальності і того, що хвильова функція нам про неї розповідає. Перший: об'єктивної реальності не існує. Другий: вона існує, і хвильова функція описує цю реальність в межах наших обмежених знань про неї. Третій: вона існує, і хвильова функція строго відповідає реальності.
У нашій роботі ми спочатку ігноруємо перший варіант і виключаємо [за результатами експерименту] найбільш поширені інтерпретації в рамках другого.
[КШ] Чи було метою експерименту відрізнити об'єктивну реальність від суб'єктивної?
[АФ] Ми дуже виразно не намагаємося проводити відмінність між «реальністю» і «нереальністю».
[КШ] Ви вживаєте терміни «епістеміческіе моделі» і «онтологічні». Як популярно пояснити різницю між ними?
[АФ] Чудовим прикладом, як нам здається, служить кіт Шредінгера. Давайте припустимо, що об'єктивна реальність існує незалежно від спостережень. «Епістеміціст» в цій ситуації скаже, що кіт або визначено живий, або виразно мертвий і що хвильова функція «живий + мертвий» просто висловлює наше незнання, в якому ж саме стані він знаходиться. Тому тут немає ніякої реальної проблеми. Ми можемо просто відкрити ящик і дізнатися, в якому ж все-таки стані кіт.
Ми, однак, виключили подібне пояснення. В онтологічних теоріях об'єктивна реальність така, що кіт дійсно і живий і мертвий в один і той же час.
[КШ] Але тоді кіт одночасно є і квантовою системою, і класичної. Що може відчувати класична система «кіт», перебуваючи в ящику в стані квантової суперпозиції?
[АФ] У мене немає відповіді, це дуже метафізичний питання. Сам той факт, що кіт, будучи імовірно класичним об'єктом, не повинен перебувати ні в який суперпозиції ... Це проблема популярного пояснення експерименту.
[КШ] Чому так важливо доказ існування хвильової функції?
[АФ] Хвильова функція - центральний об'єкт квантової механіки. Хіба не вражає, що ми не маємо ні найменшого уявлення про те, що це таке насправді? Відповідь на це питання, можливо, і не має безпосереднього застосування для будь-якого технологічного прориву, однак володіє величезною важливістю, філософськи і фундаментально.
[КШ] Результат вашого експерименту означає, що Копенгагенська інтерпретація помилкова? Ви схиляєтеся до многоміровая інтерпретації Еверетта?
[АФ] «Копенгаген» живий і здоровий, бо вона взагалі виключає питання, чи варто об'єктивна реальність за хвильової функцією. Ця інтерпретація відноситься до тієї групи, яку ми відмітаємо на самому початку. Якщо ж ви вірите в об'єктивну реальність, тоді інтерпретація Бома і многоміровая інтерпретація виглядають переконливіше.
Інші варіанти були виключені експериментом. Залишилися, звичайно, деякі лазівки.