Удивительный и непостижимый мир квантовой физики очень часто пытаются донести до неискушенной публики, используя для упрощенных иллюстраций привычные предметы и явления. Подобного рода популярным и довольно известным среди широких масс образом является кот Шредингера. О нем, как и о самом ученом, наслышаны многие. Однако мало кто из простых смертных ведает, в чем же суть неординарности этого мурлыки.
Как известно, ученые неравнодушны к формулам. Математики вообще занимаются только их составлением и преобразованием, не особо заботясь о «привязке» своих изысканий к материальной действительности. Также без них как без рук и физики, особенно теоретики.
При этом у физиков за всеми построениями и моделями стоят реально существующие объекты и явления. Во всяком случае, так должно быть. Однако когда дело касается квантового мира, то его объекты начинают вести себя довольно неоднозначно, если не двусмысленно.
Нынче практически каждый обладатель аттестата о среднем образовании ведает, что атом состоит из ядра и вертящихся вокруг него подобно планетам у Солнца электронов. Эта предложенная Эрнстом Резерфордом еще в далеком 1911 году планетарная модель повсеместно приводится на страницах учебников и энциклопедий для школьников. Ее схематическое изображение стало одним из негласных, но моментально узнаваемых символов атомной (ядерной) энергии.
Возникает вполне резонный вопрос – зачем об этом всем упоминать? А все потому, что кот Шредингера отнюдь не прост и история его появления требует небольшого экскурса в летопись фундаментальных научных открытий. Итак, продолжим…
Создав планетарную модель Резерфорд (считавший, что науки делится на физику и коллекционирование марок, а Нобелевской премии удостоившийся по химии) некоторое время пребывал в приподнятом настроении. Затем начали проступать подводные камни.
Поскольку электрон частица с электрическим зарядом, то излучает электромагнитные волны, вращаясь вокруг ядра. Таким образом, постоянно теряя энергию, он всего через миллиардные доли секунды должен упасть на ядро. Однако на деле такого не происходит.
Дальнейшим усовершенствованием планетарной модели занялся стажирующийся в лаборатории Резерфорда молодой датчанин Нильс Бор. В 1913 году он предложил первую квантовую теорию строения атома. Согласно ее постулатов электроны не излучая перемещаются по определенным орбитам и только при переходе с одной на другую испускают квант энергии.
Далее к работе подключился один из отцов-основателей квантовой механики Эрвин Шредингер (до Шредингера мы уже добрались, теперь ждем появление кота). В предъявленной им ученому сообществу в 1926 году модели электрон предстал в виде стоячей волны, для описания которой применялась специальная Ψ-функция.
Затем Макс Борн определил физическую суть этой волновой функции – квадрат ее модуля дает вероятность обнаружить электрон в той или иной точке пространства. На страницах школьных учебников химии вокруг атомных ядер в виде шаров или объемных восьмерок рисуют так называемые орбитали. Это и есть определяемые волновыми функциями области наиболее вероятного (от 90% и выше) нахождения электронов.
Неординарность ситуации в том, что нельзя сказать точно, где именно пребывает электрон. То есть, если для одной какой-то точки вероятность 50%, а для другой – 30%, то при 1000 попыток его «поймать» 500 раз он будет обнаружен в первой из них и 300 раз во второй. Спокойствие, только спокойствие – кот уже скоро появится.
Математический аппарат квантовой механики безупречен – ученые способны описать при помощи волновой функции фактически любую систему. Только вот в помещениях возведенного на этом прочном фундаменте здания повсеместно заселились парадоксы.
Даже такое понятие, как «объективная реальность» утратило свою незыблемость. До появления квантовой механики не подвергалось никакому сомнению, что любой объект или процесс независим от измерений. Иными словами, его характеристики не изменяются от того замеряем мы их значения или нет.
Но в мире квантовых частиц правит бал вероятность (во всяком случае, в нашей его интерпретации), а определенность имеет место только в моменты измерений. Да еще к тому же используемое для этого оборудование принадлежит макромиру, где действуют законы классической физики.
В свое время Нильс Бор и Вернер Гейзенберг дали так называемую «копенгагенскую интерпретацию», согласно которой при наблюдении квантовый объект автоматически становится частью макромира и лишь тогда фиксируется его то или иное состояние. Таким образом, при измерении происходит разрушение квантовой системы. А вот до этого объект находится одновременно во всех возможных для него вариантах, то есть в состоянии квантовой суперпозиции.
С такой трактовкой категорически не соглашались А. Эйнштейн и Э. Шредингер. Они утверждали, что объективная реальность существует, а значит независимо от наблюдателя характеристики квантовых объектов четко определены как до, так и после измерений и параметры системы можно установить без ее разрушения при эксперименте.
Оппонируя «копенгагенцам» Шредингер в 1935 году описал мысленный эксперимент, главным объектом которого являлся – трам-там-там … Кот! Почему именно он? Ну, кот элегантен, красив, забавен и при этом сам себе на уме.
По замыслу ученого усато-полосатого закрывали в некой стальной камере (ящике). Там же размещался независящий от действий мурлыки некий механизм, который при срабатывании разбивал колбу с синильной кислотой. Запускался этот механизм в тот момент, когда счетчик Гейгера регистрировал распад атомного ядра.
Причем количество радиоактивного вещества таково, что в течение часа с одинаковой вероятностью (50 на 50) может распасться или нет только одно ядро. Таким образом, открыв через час камеру (ящик) мы увидим или пребывающего в добром здравии, или умершего после вдоха ядовитых паров кота. Но до этого момента волновая функция системы является суперпозицией всех состояний.
Тогда получается, что наш запертый в камере мурлыка одновременно и жив и мертв (при таком раскладе Чеширский Кот лишь слегка экстравагантен). Хорошо что эксперимент мысленный и ни одно животное ни физически, ни психически не пострадало. Сам же Шредингер считал ситуацию с пушистиком апофеозом абсурда.
Современное решение данного парадокса заключается в том, что наблюдателем, который определяет конкретное состояние системы, выступает не открывающий камеру человек, а детектирующий распад счетчик Гейгера. То есть определенно живой кот занимается своими делами и если ядро вдруг распадется, он моментально станет определенно мертвым. Никаких невероятных смешанных состояний он переживать не будет (разве что захватит с собой немного валерьянки).
Несмотря на решение вопроса с котом Шредингера, квантовая физика до сих пор остается областью невообразимых человеческим сознанием «чудес» и «странностей», которые, тем не менее, имеют надежное экспериментальное подтверждение. Так в 2014 году группа исследователей под руководством Габриэлы Баррето Лемос (Gabriela Barreto Lemos) осуществила наглядный опыт по демонстрации парадоксальности квантовых эффектов.
Использовались для этого запутанные фотоны с разной длинной волны в инфракрасной области спектра и трафарет с силуэтом… конечно же кота – в честь обсуждаемый выше усатой особи. Когда субатомные частицы запутываются, их квантовые состояния стают взаимозависимы и даже на расстоянии эта связь сохраняется.
Поток инфракрасного излучения с большей длиной волны проходил через трафарет, а с меньшей направлялся мимо него на электронную камеру, которая не детектировала более длинноволновые фотоны. В результате было получено изображение посредством тех фотонов, которые с трафаретом сами не взаимодействовали, но получили информацию о нем от спутанных с ними «близнецов». Такой вот он диковинно неимоверный мир кота Шредингера.
