Квантовая механика позволяет описывать явления, которые часто кажутся нелогичными. Сложность их разработки связана с тем, что в квантовом масштабе объекты ведут себя совершенно иначе, чем в макроскопическом мире, и не могут быть описаны понятиями классической физики. Чтобы продемонстрировать существование этих парадоксов, в 1935 году Эрвин Шредингер предложил знаменитый эксперимент: «Кот Шредингера».
В течение 20го века квантовая механика переживает значительный рост. Многие физики, от Людвига Больцмана до Вернера Гейзенберга, Макса Планка, Альберта Эйнштейна и Вольфганга Паули, работают над созданием строгой, элегантной и последовательной квантовой теории. Но построение квантовой механики и ее интерпретация не всегда были согласованными в научном сообществе - и до сих пор таковыми не являются.
Квантовая механика и копенгагенская интерпретация
В период с 1925 по 1927 годы физики Нильс Бор и Вернер Гейзенберг предлагают последовательную интерпретацию постулатов квантовой механики. Последний, по сути, радикально отличается от макроскопического мира, описываемого классической механикой, и поэтому основан на шести конкретных постулатах, которые должны охватывать весь квантовый мир. Бор и Гейзенберг допускают позитивистский взгляд на квантовую механику: эти постулаты не позволяют описать саму реальность, а лишь описывают то, что мы воспринимаем и наблюдаем из последней.
Основываясь на этом наблюдении, два физика разместят измерительный прибор - и, в более общем случае, измерение само по себе - в центре квантовой механики. Для них вероятностное происхождение исходит от взаимодействия между квантовым объектом и измерительным устройством. Если в классической механике объект и прибор, который его измеряет, совершенно независимы, то в квантовой механике их нельзя разделить, между ними существует глубокая связь. Квантовая система вне измерения просто неописуема. Это направление мысли будет воспринято другими физиками, такими как Макс Борн и Паскуаль Джордан, и будет носить название «Школа Копенгагена» (город, где институт возглавлял Бор).
Парадоксы квантовой механики: проблема измерения
В 1932 году математик Джон фон Нейман в своей книге «Математические основы квантовой механики» описывает комплекс проблем, связанных с постулатами квантовой механики. Первый состоит в том, чтобы спросить, почему детерминированная эволюция волновой функции (рассчитанной по уравнению Шредингера) является результатом недетерминированного квантового измерения? Второй состоит в том, чтобы задаться вопросом относительно линейности и унитарности квантовой механики, почему невыбранные квантовые состояния исчезают во время измерения, а не сохраняются. Эти две проблемы составляют « проблему измерения».
Для некоторых физиков решение проблемы измерения требует поставить под сомнение некоторые постулаты, лежащие в основе этих парадоксов, в частности постулат о квантовом состоянии и об исчезновении не-состояний.. С другой стороны, копенгагенская интерпретация не требует никаких вопросов, потому что для нее квантовые законы описывают не реальность, а то, что мы о ней воспринимаем; пока они позволяют рассчитывать и предсказывать правильные экспериментальные результаты, не имеет значения, парадоксальны они или нет, поскольку, опять же, они не являются точным представлением реальности.
Частица во всех ее состояниях: принцип суперпозиции
В 1935 году австрийский физик Эрвин Шредингер предложил мысленный эксперимент, направленный на выявление недостатков в интерпретации Копенгагена. В частности, Шредингер хочет показать парадокс, связанный с принципом суперпозиции. В квантовой механике объект полностью описывается своим квантовым состоянием; это содержится в его волновой функции, которая сама вычисляется благодаря уравнению Шредингера Это уравнение имеет вид свойство быть линейным, то есть комбинация двух решений уравнения также образует решение (это называется « линейная комбинация ).
Если у частицы есть два возможных состояния, то комбинация этих двух состояний также является допустимым результатом. Объединение двух состояний дает частице третье состояние; тогда различные состояния частицы оказываются « наложенными » (они существуют одновременно), и последняя, таким образом, находится в «состоянии суперпозиции»: это принцип наложенияОднако при измерении частицы, т.е. при ее взаимодействии с измерительным прибором, система возмущается и выбирается только одно состояние.
Это определение одного состояния путем измерения называется « обработка волновых пакетов » или « коллапс волновой функции», поскольку наложенное состояние сводится к одному; волновая функция коллапсирует и остается только одно состояние. Определенное состояние соответствует вероятностям, содержащимся в волновой функции. Таким образом, даже если результат измерения фундаментально недетерминирован, именно волновая функция дает вероятности нахождения частицы в состоянии X или Y. Хотя для Копенгагенской школы коллапс функциональной волны обязательно связан с измерением, последний никогда конкретно не появляется в математическом формализме квантовой механики.
Коробка, атом, кот и Шредингер
Именно на это явное противоречие и хочет указать Шредингер в своем мысленном эксперименте. Последний заключается в запирании кота в герметичном ящике, содержащем флакон с синильной кислотой. Устройство должно разбить пузырек и выпустить кислоту (таким образом убивая кошку), когда оно обнаружит распад атома радиоактивного соединения с помощью счетчика Гейгера. Теперь учтите, что, вычислив волновую функцию атома, он имеет 50-процентную вероятность распада через две минуты. Следовательно, можно было бы ожидать, что если вероятность реализуется, кошка умирает по истечении двух минут, независимо от того, проверяется ли это на самом деле.
Однако, согласно принципу суперпозиции, пока ящик не открыт, то есть пока наблюдатель не измерил (глазами) ситуацию, атом находится в наложенном состоянии : он одновременно цел и разрушен. Но так как судьба кошки напрямую связана с состоянием атома, то если она накладывается, то и кошка тоже; он одновременно мертв и жив Только открыв крышку и заглянув (замерив) внутрь ящика, функция волны схлопывается и определяется единственное состояние: атом цел, а кот жив, или атом распался, а кот мертв. Поэтому до наблюдения невозможно узнать положение кота.
Конечно, этот эксперимент на самом деле никогда не проводился по очевидным причинам, связанным с тем фактом, что по определению невозможно непосредственно наблюдать состояние суперпозиции, потому что тогда оно немедленно разрушится. Для Шредингера это был просто вопрос демонстрации того, что если квантовая механика теоретически допускает, что кошка может быть и мертвой, и живой одновременно, то она обязательно неполна или требует новой интерпретации.
Эйнштейн также предложит мысленный эксперимент с участием кота и пороховой бочки с той же целью, что и Шредингер. Для отца относительности положение кошки совершенно определено до наблюдения, а не она определяет ее состояние. В самом деле, он отверг любое понятие индетерминизма и утверждал, что если кошка была мертва или жива, когда коробку открывали, то она была либо мертва, либо жива уже до того, как ее туда поместили. Таким образом, он ответил своим недоброжелателям, сказав, что «мистик-позитивист возразит, что нельзя размышлять о состоянии кошки, пока не смотришь, под предлогом, что это не будет научным».
Другие решения проблемы измерения
Для многих физиков эксперимент с котом Шредингера демонстрирует не несостоятельность квантовой механики, а только невозможность перевода квантового явления в классические термины. Однако помимо позитивистского подхода к копенгагенской интерпретации (ярким сторонником которого был Стивен Хокинг) было предложено несколько других решений проблемы измерения.
Таким образом, такие физики, как Мюррей Гелл-Манн, предложили теорию декогеренции,, которая предполагает, что коллапс функциональной волны не вызван непосредственным наблюдением, а различными взаимодействиями частицы с окружающей средой. Чем больше таких взаимодействий, тем быстрее коллапс. Разрушение наложенного состояния не требует никаких измерений или наблюдателя, это просто функция физических взаимодействий с окружающей средой. Таким образом, при декогеренции состояние кошки фиксируется еще до открытия коробки.
Другое решение было предложено физиком Хью Эвереттом в 1957 году и предположило, вопреки позитивистскому подходу, что квантовая механика полностью описывает реальность. Когда производится измерение и волновая функция коллапсирует, невыбранные состояния не исчезают, а реализуются в нижележащих вселенных. Таким образом, все реальности происходят, но в разных вселенных, исходя из измерений. Эта теория, называемая « Теория множественных миров Эверетта», привлекает определенное количество физиков.
Другие решения, такие как пилотная волна, предложенная Де Бройлем в 1927 г., вмешательство сознания, предложенное Юджином Вигнером в 1963 г., или уравнение Шредингера со скрытыми переменными, также предлагают решить проблему измерения с помощью, однако, меньше успеха, чем предыдущие предложения.