Кот Шредингера (1935)

Спор о реальности

К середине 1920-х годов были созданы две формулировки квантовой механики: матричная механика Гейзенберга и волновая механика Шредингера, вскоре оказавшиеся эквивалентными. Однако вопрос о том, что означает эта теория, вызвал глубокие разногласия.

Большинство физиков приняли так называемую копенгагенскую интерпретацию, связанную с именами Нильса Бора и Вернера Гейзенберга. Согласно ей, волновая функция описывает не саму физическую реальность, а наше знание о системе и позволяет вычислять лишь вероятности результатов измерений. До измерения квантовый объект не имеет определенных свойств, а само измерение превращает набор возможностей в определенный результат - происходит так называемый «коллапс» волновой функции. Макс Борн предложил вероятностное толкование волновой функции, за которое позже получил Нобелевскую премию.

Альберт Эйнштейн и сам Шредингер не соглашались с этим. Эйнштейн был убежден, что физическая теория должна описывать объективную реальность, существующую независимо от наблюдения, и что квантовая механика неполна. На Пятом Сольвеевском конгрессе 1927 года и в последующие годы Эйнштейн вел знаменитые споры с Бором. Шредингер, создавший волновую механику, рассчитывал, что его волны описывают реальные физические процессы, и был разочарован вероятностной интерпретацией.

Парадокс Эйнштейна - Подольского - Розена

В мае 1935 года Эйнштейн вместе с молодыми сотрудниками Борисом Подольским и Натаном Розеном опубликовал в журнале Physical Review статью «Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?». Авторы рассмотрели две частицы, взаимодействовавшие в прошлом и затем разлетевшиеся далеко друг от друга. Квантовая механика предсказывала, что измерение одной из них мгновенно определяет результат измерения другой, как бы далеко они ни находились. Эйнштейн, Подольский и Розен сделали вывод: либо квантовая механика неполна и частицы с самого начала обладали определенными свойствами, не описываемыми теорией, либо существует «призрачное дальнодействие», противоречащее теории относительности. Они считали, что верно первое.

Статья вызвала оживленную дискуссию. Бор в октябре 1935 года опубликовал ответ под тем же названием, утверждая, что понятие физической реальности нельзя отделять от условий эксперимента.

Письма Эйнштейна и Шредингера

Шредингер, находившийся в то время в Оксфорде, куда он эмигрировал из нацистской Германии в 1933 году, немедленно откликнулся на статью Эйнштейна. Летом 1935 года между ними завязалась оживленная переписка. Оба искали наглядный пример, показывающий абсурдность копенгагенской интерпретации.

В письме от 8 августа 1935 года Эйнштейн привел пример с пороховой бочкой, находящейся в неустойчивом состоянии: через год она может самопроизвольно взорваться, а может и нет. Согласно квантовой механике, волновая функция через год описывала бы смесь еще не взорвавшейся и уже взорвавшейся системы, хотя очевидно, что в действительности бочка либо взорвалась, либо нет. Шредингер ответил, что сам придумал похожий пример, и изложил его в своей статье.

Кошка в камере

Статья Шредингера «Современное положение в квантовой механике» вышла в трех частях в ноябре - декабре 1935 года в немецком журнале «Естественные науки». Это был обширный обзор, в котором Шредингер критически разбирал основы квантовой механики. В пятом разделе статьи он описал то, что сам назвал «совершенно бурлескным» случаем.

Кошка заперта в стальной камере вместе с «адской машиной», защищенной от прямого вмешательства кошки. В счетчике Гейгера находится крошечное количество радиоактивного вещества - настолько малое, что в течение часа может распасться один из атомов, а с равной вероятностью - ни один. Если атом распадется, счетчик срабатывает и через реле приводит в действие молоток, который разбивает колбу с синильной кислотой. Если оставить эту систему на час, то можно сказать, что кошка еще жива, если за это время не распался ни один атом. Первый же распад отравил бы ее.

Волновая функция всей системы, по словам Шредингера, выразила бы это так, что в ней живая и мертвая кошка были бы смешаны или размазаны в равных долях. Суть примера, объяснял он, состоит в том, что неопределенность, изначально ограниченная атомным миром, переходит в макроскопическую неопределенность, которую затем можно устранить прямым наблюдением. Это не позволяет наивно принимать «размытую» модель как описание реальности.

Замысел Шредингера

Шредингер не утверждал, что кошка действительно может быть живой и мертвой одновременно. Напротив, он стремился показать абсурдность такого вывода и тем самым неудовлетворительность интерпретации, при которой волновая функция считается полным описанием реальности, а вопрос о том, когда и как неопределенность превращается в определенный результат, остается без ответа. Где проходит граница между квантовым миром атомов и классическим миром кошек, счетчиков и наблюдателей? Почему в микромире допустимы суперпозиции, а в макромире - нет?

Эта проблема получила название проблемы измерения и стала одной из центральных проблем философии и основ квантовой механики. Кот Шредингера сделал ее наглядной и понятной даже для неспециалистов.

Запутанность

В той же статье, а также в работах, опубликованных в 1935 году в «Трудах Кембриджского философского общества», Шредингер ввел термин «запутанность» (нем. Verschränkung, англ. entanglement) для обозначения особого состояния систем, подобных тем, что рассматривали Эйнштейн, Подольский и Розен. Если две системы взаимодействовали, а затем разделились, их нельзя описывать независимо: знание о целом не сводится к знанию о частях. Шредингер назвал запутанность не одной из, а главной характерной чертой квантовой механики, которая полностью отличает ее от классической физики.

Кот Шредингера, по сути, также является примером запутанности: состояние кошки запутано с состоянием радиоактивного атома.

Ответы и интерпретации

Мысленный эксперимент породил множество интерпретаций. Джон фон Нейман еще в 1932 году показал, что формально граница между измеряемой системой и измерительным прибором может быть проведена где угодно, вплоть до сознания наблюдателя. В 1961 году Юджин Вигнер предложил мысленный эксперимент «друг Вигнера», продолжавший этот ряд: что если в камере вместо кошки находится человек-наблюдатель? Вигнер допускал, что именно сознание вызывает коллапс волновой функции, - точка зрения, позже им самим оставленная.

В 1957 году американский физик Хью Эверетт предложил «многомировую» интерпретацию: никакого коллапса нет, а при измерении мир разветвляется - в одной ветви кошка жива, в другой мертва, и в каждой ветви есть наблюдатель, видящий один результат. В 1952 году Дэвид Бом развил теорию «волны-пилота», в которой частицы всегда имеют определенные положения, направляемые волновой функцией.

С 1970-х годов, начиная с работ Хайнца-Дитера Цее, а затем Войцеха Журека, развивалась теория декогеренции. Она объясняет, почему мы не видим макроскопических суперпозиций: большой объект непрерывно взаимодействует с окружением - воздухом, светом, теплом, - и квантовые суперпозиции очень быстро «рассеиваются» в окружающей среде, превращаясь практически в классическую смесь возможностей. Кошка, взаимодействуя с миром, фактически очень быстро оказывается либо живой, либо мертвой с точки зрения всех практических наблюдений. Однако большинство физиков считает, что декогеренция не решает полностью философскую проблему того, почему реализуется именно один результат.

Предлагались и теории объективного коллапса, в частности теория Джирарди, Римини и Вебера 1986 года, в которой суперпозиции больших систем самопроизвольно разрушаются. Роджер Пенроуз связывал коллапс с гравитацией. Спор между интерпретациями продолжается.

«Кошки» в лаборатории

С развитием экспериментальной техники физики смогли создавать настоящие суперпозиции все более крупных объектов - так называемые «состояния кошки Шредингера». В 1996 году группа Сержа Ароша в Париже получила суперпозиции электромагнитного поля в резонаторе и наблюдала, как они разрушаются в результате декогеренции. Группа Дэвида Уайнленда в Боулдере создала суперпозицию состояний иона. В 2012 году Арош и Уайнленд получили Нобелевскую премию по физике за методы, позволяющие измерять и контролировать отдельные квантовые системы.

В 1999 году группа Антона Цайлингера и Маркуса Арндта в Вене наблюдала квантовую интерференцию молекул фуллерена из шестидесяти атомов углерода, а позднее - все более крупных молекул, состоящих из тысяч атомов. В 2000 году были получены суперпозиции токов, текущих в противоположных направлениях в сверхпроводящих кольцах, содержащих миллиарды электронов. Эти эксперименты показали, что граница между квантовым и классическим мирами не является принципиальной, а определяется прежде всего степенью изоляции системы от окружения.

Запутанность, о которой писал Шредингер, стала основой квантовой информатики. Опыты по проверке неравенств Белла, выполненные Аленом Аспе, Джоном Клаузером и Цайлингером, подтвердили предсказания квантовой механики и опровергли локальный реализм, на котором настаивал Эйнштейн. В 2022 году они получили Нобелевскую премию по физике. Запутанность используется в квантовой криптографии и квантовых вычислениях.

Судьба Шредингера

Эрвин Шредингер, получивший в 1933 году Нобелевскую премию по физике вместе с Полем Дираком, покинул Германию сразу после прихода нацистов к власти в знак несогласия с их политикой. После Оксфорда он в 1936 году вернулся в Австрию, в университет Граца, но после аншлюса 1938 года был вынужден бежать. С 1939 по 1956 год он работал в Дублинском институте перспективных исследований. Его книга «Что такое жизнь?» (1944), в которой он размышлял о физической природе наследственности, вдохновила многих будущих молекулярных биологов, в том числе Фрэнсиса Крика и Джеймса Уотсона. Шредингер умер в Вене в 1961 году.

Кот в культуре

Кот Шредингера стал одним из самых популярных образов науки в массовой культуре. Он появляется в научно-популярных книгах, фантастике, комиксах, телесериалах, мемах, философских эссе, шутках. Образ кошки, одновременно живой и мертвой, стал метафорой неопределенности и двойственности в самых разных контекстах, часто далеких от физики. При этом популярное восприятие нередко искажает замысел Шредингера: кота часто представляют как доказательство того, что «в квантовом мире возможно все», тогда как автор придумал его, чтобы показать абсурдность такого вывода.

Итоги

Кот Шредингера, придуманный в 1935 году как ироническая критика копенгагенской интерпретации, стал самым знаменитым мысленным экспериментом квантовой физики. Он наглядно сформулировал проблему измерения - вопрос о том, как неопределенность квантового мира превращается в определенность мира, который мы наблюдаем. Статья, в которой появился кот, ввела и понятие запутанности, ставшее центральным в современной квантовой физике и технологиях. За прошедшие десятилетия проблема породила множество интерпретаций и была перенесена в лабораторию, где физики создают «кошачьи» состояния все более крупных объектов. Кот Шредингера остается одновременно инструментом научной мысли и символом загадочности квантовой механики.