Физики воспроизведут эксперимент с котом Шредингера

Физики из института квантовой оптики Макса Планка и Института фотонных наук хотят провести в реальности известный мысленный эксперимент "кот Шредингера".

Квантовая механика утверждает, что, будучи наблюдаемой, каждая частица может находиться только в дискретных состояниях. Но еще в 1930-х годах австрийский физик Эрвин Шредингер показал, что до проведения измерения частица находится в суперпозиции возможных состояний и только в момент наблюдения "коллапсирует" к одному из них.

Доктор Ориол Ромеро-Исарт (Oriol Romero-Isart) и его коллеги предлагают провести эксперимент по "подвешиванию" вируса табачной мозаики (tobacco mosaic virus) в суперпозиции двух квантовых состояний. Его стержнеобразная форма (50 нанометров в диаметре и 1 микрометр в длину) больше всего понравилась ученым.

Для начала они предлагают поместить вирус в вакуум, где его поймает в ловушку созданное лазером электромагнитное поле. Затем другим лазером команда исследователей намеревается замедлить движение вируса, пока он совсем не остановится в одном из самых низких энергетических состояний.

Как только это произойдет, физики с помощью фотона заставят его перейти в суперпозицию двух квантовых состояний: до проведения измерения вирус, по идее, должен будет находиться в "смеси" движения и неподвижности одновременно.

Уже сейчас некоторые ученые оспаривают научную ценность эксперимента. Так, многие из них считают, что вирус нельзя назвать живым организмом. На что Ромеро-Исарт отвечает: то же самое можно проделать с микроскопическими тихоходками. Науке известно, что они могут выжить в космическом вакууме в течение нескольких дней. Уж они-то точно вполне сгодятся на роль "кота Шредингера".

Есть и еще одно возражение. "Я абсолютно уверен, что вирус, сравнимый по размерам с микроскопическим неодушевленным объектом, будет вести себя так же, как и неорганическая молекула", - говорит профессор Мартин Пленио из Имперского колледжа Лондона. Тем не менее и ему интересно было бы попробовать провести подобный эксперимент, ведь квантовая механика предполагает, что теоретически в суперпозиции состояний может оказаться даже столь крупный объект, как автомобиль или человек.

Кошка Шредингера - герой кажущегося парадоксальным мысленного эксперимента Эрвина Шредингера, которым он хотел продемонстрировать неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим.

В закрытый ящик помещена кошка. В ящике имеется механизм, содержащий радиоактивное ядро и емкость с ядовитым газом. Параметры эксперимента подобраны так, что вероятность того, что ядро распадется за 1 час, составляет 50%. Если ядро распадается, оно приводит механизм в действие, он открывает емкость с газом, и кошка гибнет.

Согласно квантовой механике, если над ядром не производится наблюдения, то его состояние описывается суперпозицией (смешением) двух состояний - распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кошка, сидящая в ящике, и жива, и мертва одновременно.

Если же ящик открыть, то экспериментатор обязан увидеть только какое-нибудь одно конкретное состояние - "ядро распалось, кот мертв" или "ядро не распалось, кот жив".

Цель эксперимента - показать, что квантовая механика неполна без некоторых правил, которые указывают, при каких условиях происходит коллапс волновой функции и кот либо становится мертвым, либо остается живым, но перестает быть смешением того и другого.

В многомировой интерпретации квантовой механики, которая не считает процесс измерения чем-то особенным, оба состояния кошки существуют, но декогерируют. Когда наблюдатель открывает ящик, образуются два состояния наблюдателя, соответствующие живой и мертвой кошке, которые (состояния) не взаимодействуют друг с другом.

Другими словами, когда ящик открывается, Вселенная расщепляется на две разные вселенные, в одной из которых наблюдатель смотрит на ящик с мертвой кошкой, а в другой - другой наблюдатель смотрит на живую кошку.

Оригинальная статья с описанием мысленного эксперимента вышла в немецком журнале Naturwissenschaften ("Естественные науки") в 1935 году.