Котенок шредингера что это
Кот Шредингера: суть простыми словами
Наверняка вы не раз слышали, что существует такой феномен, как «Кот Шредингера». Но если вы не физик, то, скорее всего, лишь отдаленно представляете себе, что это за кот и зачем он нужен.
«Кот Шредингера» – так называется знаменитый мысленный эксперимент знаменитого австрийского физика-теоретика Эрвина Шредингера, который также является лауреатом Нобелевской премии. С помощью этого вымышленного опыта ученый хотел показать неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим системам.
В данной статье дана попытка объяснить простыми словами суть теории Шредингера про кота и квантовую механику, так чтобы это было доступно человеку, не имеющему высшего технического образования. В статье также будут представлены различные интерпретации эксперимента, в том числе и из сериала «Теория большого взрыва».
Описание эксперимента
Оригинальная статья Эрвина Шредингера вышла в свет в 1935 году. В ней эксперимент был описан с использованием приема сравнение или даже олицетворение:
Объяснение простыми словами
Согласно квантовой механике, если над ядром атома не производится наблюдение, то его состояние описывается смешением двух состояний — распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике и олицетворяющий ядро атома, и жив, и мёртв одновременно. Если же ящик открыть, то экспериментатор может увидеть только какое-нибудь одно конкретное состояние — «ядро распалось, кот мёртв» или «ядро не распалось, кот жив».
Вопрос стоит так: когда система перестаёт существовать как смешение двух состояний и выбирает одно конкретное? Цель эксперимента — показать, что квантовая механика неполна без некоторых правил, которые указывают, при каких условиях происходит коллапс волновой функции, и кот либо становится мёртвым, либо остаётся живым, но перестаёт быть смешением того и другого. Поскольку ясно, что кот обязательно должен быть либо живым, либо мёртвым (не существует состояния, промежуточного между жизнью и смертью), то это будет аналогично и для атомного ядра. Оно обязательно должно быть либо распавшимся, либо нераспавшимся (Википедия).
Видео из «Теории большого взрыва»
Еще одной наиболее свежей интерпретацией мысленного эксперимента Шредингера является рассказ Шелдона Купера, героя сериала «Теория большого взрыва» («Big Bang Theory»), который он произнес для менее образованной соседки Пенни. Суть рассказа Шелдона заключается в том, что концепция кота Шредингера может быть применена в отношениях между людьми. Для того чтобы понять, что происходит между мужчиной и женщиной, какие отношения между ними: хорошие или плохие, – нужно просто открыть ящик. А до этого отношения являются одновременно и хорошими, и плохими.
Ниже приведен видеофрагмент этого диалога «Теории большого взрыва» между Шелдоном и Пении.
Остался ли кот живым в результате эксперимента?
Для тех, кто невнимательно читал статью, но все равно переживает за кота — хорошие новости: не переживайте, по нашим данным, в результате мысленного эксперимента сумасшедшего австрийского физика
НИ ОДИН КОТ НЕ ПОСТРАДАЛ
Отзывы и комментарии
Если у вас есть чем поделиться относительного понимания парадокса Шредингера, можете написать об этом ниже.
masterok
masterokМастерок.жж.рф
Хочу все знать
Много кто слышал это выражение, но возможно не все понимают даже упрощенный его смысл. Давайте попробуем разобраться без сложных теорий и формул.
«Кот Шредингера» – так называется знаменитый мысленный эксперимент знаменитого австрийского физика-теоретика Эрвина Шредингера, который также является лауреатом Нобелевской премии. С помощью этого вымышленного опыта ученый хотел показать неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим системам.
Оригинальная статья Эрвина Шредингера вышла в свет 1935 году. Вот цитата:
Согласно квантовой механике, если над ядром атома не производится наблюдение, то его состояние описывается смешением двух состояний — распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике и олицетворяющий ядро атома, и жив, и мёртв одновременно. Если же ящик открыть, то экспериментатор может увидеть только какое-нибудь одно конкретное состояние — «ядро распалось, кот мёртв» или «ядро не распалось, кот жив».
Вопрос стоит так: когда система перестаёт существовать как смешение двух состояний и выбирает одно конкретное? Цель эксперимента — показать, что квантовая механика неполна без некоторых правил, которые указывают, при каких условиях происходит коллапс волновой функции, и кот либо становится мёртвым, либо остаётся живым, но перестаёт быть смешением того и другого. Поскольку ясно, что кот обязательно должен быть либо живым, либо мёртвым (не существует состояния, промежуточного между жизнью и смертью), то это будет аналогично и для атомного ядра. Оно обязательно должно быть либо распавшимся, либо нераспавшимся (Википедия).
Еще одной наиболее свежей интерпретацией мысленного эксперимента Шредингера является рассказ Шелдона Купера, героя сериала «Теория большого взрыва» («Big Bang Theory»), который он произнес для менее образованной соседки Пенни. Суть рассказа Шелдона заключается в том, что концепция кота Шредингера может быть применена в отношениях между людьми. Для того чтобы понять, что происходит между мужчиной и женщиной, какие отношения между ними: хорошие или плохие, – нужно просто открыть ящик. А до этого отношения являются одновременно и хорошими, и плохими.
Ниже приведен видеофрагмент этого диалога «Теории большого взрыва» между Шелдоном и Пении.
Иллюстрация Шрёдингера является наилучшим примером для описания главного парадокса квантовой физики: согласно её законам, частицы, такие как электроны, фотоны и даже атомы существуют в двух состояниях одновременно («живых» и «мёртвых», если вспоминать многострадального кота). Эти состояния называются суперпозициями.
Американский физик Арт Хобсон (Art Hobson) из университета Арканзаса (Arkansas State University) предложил своё решение данного парадокса.
«Измерения в квантовой физике базируются на работе неких макроскопических устройств, таких как счётчик Гейгера, при помощи которых определяется квантовое состояние микроскопических систем — атомов, фотонов и электронов. Квантовая теория подразумевает, что если вы подсоедините микроскопическую систему (частицу) к некому макроскопическому устройству, различающему два разных состояния системы, то прибор (счётчик Гейгера, например) перейдёт в состояние квантовой запутанности и тоже окажется одновременно в двух суперпозициях. Однако невозможно наблюдать это явление непосредственно, что делает его неприемлемым», — рассказывает физик.
Хобсон говорит, что в парадоксе Шрёдингера кот играет роль макроскопического прибора, счётчика Гейгера, подсоединённого к радиоактивному ядру, для определения состояния распада или «нераспада» этого ядра. В таком случае, живой кот будет индикатором «нераспада», а мёртвый кот — показателем распада. Но согласно квантовой теории, кот, так же как и ядро, должен пребывать в двух суперпозициях жизни и смерти.
Вместо этого, по словам физика, квантовое состояние кота должно быть запутанным с состоянием атома, что означает что они пребывают в «нелокальной связи» друг с другом. То есть, если состояние одного из запутанных объектов внезапно сменится на противоположное, то состояние его пары точно также поменяется, на каком бы расстоянии друг от друга они ни находились. При этом Хобсон ссылается на экспериментальные подтверждения этой квантовой теории.
«Самое интересное в теории квантовой запутанности — это то, что смена состояния обеих частиц происходит мгновенно: никакой свет или электромагнитный сигнал не успел бы передать информацию от одной системы к другой. Таким образом, можно сказать, что это один объект, разделённый на две части пространством, и неважно, как велико расстояние между ними», — поясняет Хобсон.
Кот Шрёдингера больше не живой и мёртвый одновременно. Он мёртв, если произойдёт распад, и жив, если распад так и не случится.
Добавим, что похожие варианты решения этого парадокса были предложены ещё тремя группами учёных за последние тридцать лет, однако они не были восприняты всерьёз и так и остались незамеченными в широких научных кругах. Хобсонотмечает, что решение парадоксов квантовой механики, хотя бы теоретические, совершенно необходимы для её глубинного понимания.
Подробнее о работе физика можно почитать в его статье, которая была опубликована в журнале Physical Review A.
А вот совсем недавно ТЕОРЕТИКИ ОБЪЯСНИЛИ, КАК ГРАВИТАЦИЯ УБИВАЕТ КОТА ШРЁДИНГЕРА, но это уже сложнее …
Как правило, физики объясняют феномен того, что суперпозиция возможна в мире частиц, но невозможна с котами или другими макрообъектами, помехами от окружающей среды. Когда квантовый объект проходит сквозь поле или взаимодействует со случайными частицами, он тут же принимает всего одно состояние — как если бы его измерили. Именно так и разрушается суперпозиция, как полагали учёные.
Но даже если каким-либо образом стало возможным изолировать макрообъект, находящийся в состоянии суперпозиции, от взаимодействий с другими частицами и полями, то он всё равно рано или поздно принял бы одно-единственное состояние. По крайней мере, это верно для процессов, протекающих на поверхности Земли.
«Где-то в межзвёздном пространстве, может быть, кот и имел бы шанс сохранить квантовую когерентность, но на Земле или вблизи любой планеты это крайне маловероятно. И причина тому — гравитация», — поясняет ведущий автор нового исследования Игорь Пиковский (Igor Pikovski) из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики.
Пиковский и его коллеги из Венского университета утверждают, что гравитация оказывает разрушительное воздействие на квантовые суперпозиции макрообъектов, и потому мы не наблюдаем подобных явлений в макромире. Базовая концепция новой гипотезы, к слову, кратко изложена в художественном фильме «Интерстеллар».
Эйнштейновская общая теория относительности гласит, что чрезвычайно массивный объект будет искривлять вблизи себя пространство-время. Рассматривая ситуацию на более мелком уровне, можно сказать, что для молекулы, помещённой у поверхности Земли, время будет идти несколько медленнее, чем для той, что находится на орбите нашей планеты.
Из-за влияния гравитации на пространство-время молекула, попавшая под это влияние, испытает отклонение в своём положении. А это, в свою очередь, должно повлиять и на её внутреннюю энергию — колебания частиц в молекуле, которые изменяются с течением времени. Если молекулу ввести в состояние квантовой суперпозиции двух локаций, то соотношение между положением и внутренней энергией вскоре заставило бы молекулу «выбрать» только одну из двух позиций в пространстве.
«В большинстве случаев явление декогеренции связано с внешним влиянием, но в данном случае внутреннее колебание частиц взаимодействует с движением самой молекулы», — поясняет Пиковский.
Этот эффект пока что никто не наблюдал, поскольку другие источники декогеренции, такие как магнитные поля, тепловое излучение и вибрации, как правило, гораздо сильнее, и вызывают разрушение квантовых систем задолго до того, как это сделает гравитация. Но экспериментаторы стремятся проверить высказанную гипотезу.
Маркус Арндт (Markus Arndt), физик-экспериментатор из Венского университета, проводит опыты по наблюдению квантовой суперпозиции у макроскопических объектов. Он посылает небольшие молекулы в интерферометр, фактически предоставляя частице «выбор», какой дорогой пойти. С точки зрения классической механики молекула может пройти только одним путём, но квантовая молекула может пройти сразу двумя путями, интерферируя сама с собой и создавая характерный волнообразный рисунок.
Подобная установка также может быть использована для проверки способности гравитации разрушать квантовые системы. Для этого необходимо будет сравнить вертикальный и горизонтальный интерферометры: в первом суперпозиция должна будет вскоре исчезнуть из-за растяжения времени на разных «высотах» пути, тогда как во втором квантовая суперпозиция может и сохраниться.
Кот Шредингера: суть эксперимента простыми словами
Приветствую Вас, друзья!
Каждый человек, пользующийся интернетом, встречал загадочное словосочетание «кот Шрёдингера». Данный термин является названием известного мысленного эксперимента, предложенного австрийским физиком Эрвином Шрёдингером. Этот ученый известен тем, что является одним из создателей такого важного раздела физики как квантовая механика. Давайте поговорим о том, что такое кот Шредингера простыми словами, и узнаем, в чем суть эксперимента.
В чём суть эксперимента?
Представьте себе металлический ящик с толстыми звуконепроницаемыми стенками. Внутри находится кот. Пока ящик закрыт, внешний наблюдатель не может знать, что происходит с котом. В этом же ящике находится хитроумный механизм, который автор назвал «адская машинка». Он содержит капсулу со смертельным ядом и одно ядро вымышленного радиоактивного элемента, период полураспада которого составляет 1 час.
Теперь закроем ящик ровно на 1 час. Если за время эксперимента атом распадется, то механизм сработает, и кот погибнет. При этом вероятность такого исхода составляет ровно 50%. Узнать результат эксперимента можно, только открыв контейнер. Но в каком состоянии находится кот перед самым открытием? Согласно формальной логике, состояние кота полностью соответствует состоянию ядра. Ядро целое – кот Шрёдингера жив, ядро распалось – кот погиб. И вот здесь начинается самое интересное.
Квантовая механика утверждает, что нестабильное ядро пребывает в суперпозиции – одновременно является и целым, и распавшимся. Но тогда получается, что кот тоже одновременно и жив, и мёртв. И из состояния неопределенности его выводит ученый, открывающий ящик через час после начала эксперимента.
Существует распространенное заблуждение, что Эрвин Шрёдингер придумал данный эксперимент, чтобы объяснить простыми словами основы квантовой механики. Но ученый был известным критиком общепринятой интерпретации КМ и своим экспериментом пытался показать её очевидные недостатки.
Для Шрёдингера было важно показать, что один из ключевых принципов общепринятой интерпретации квантовой механики теряет смысл при взаимодействии квантового мира с макрообъектами. Именно поэтому в эксперименте фигурирует нестабильное атомное ядро. Ученый показательно связал состояния субатомного объекта, пребывающего в состоянии квантовой неопределенности, и объекта макромира, хорошо знакомого и привычного каждому из нас.
Объяснение эксперимента Шрёдингера
Нестабильное атомное ядро можно рассматривать как объект квантового мира, поскольку оно может пребывать в одном из двух определенных состояний: распавшееся или не распавшееся. При этом до факта наблюдения оно пребывает одновременно в обоих состояниях (такое смешанное состояние называется «суперпозицией»).
Смысл эксперимента Шрёдингера простыми словами можно объяснить так:
Таким образом, цель эксперимента Шрёдингера заключалась в том, чтобы продемонстрировать противоречие одного из ключевых принципов квантовой механики логике и здравому смыслу. Автор настаивал, что общепринятая копенгагенская интерпретация КМ неполна, поскольку в ней не описаны чёткие критерии, при которых происходит так называемый коллапс волновой функции (тот самый момент, когда суперпозиция сменяется одним из возможных состояний).
Что хотел показать Шрёдингер
Эрвин Шрёдингер посвятил значительную часть жизни теоретическим исследованиям в области квантовой механики, поэтому точно не был её противником или критиком. Ученого не устраивала копенгагенская интерпретация, которую его коллеги приняли как наиболее обоснованную. Доводя один из ключевых тезисов квантовой механики до абсурда, он не пытался его опровергнуть, а лишь обращал внимание на неполноту общепринятой интерпретации.
Он считал, что для полноты необходимо точное определение условий, при которых происходит коллапс волновой функции (то есть, система переходит из суперпозиции в одно определенное квантовое состояние). Из принятых тогда формулировок можно было заключить, что человек способен влиять на состояние материи буквально одним взглядом. И якобы именно в момент наблюдения система переходит из суперпозиции в одно конкретное состояние.
Говоря простыми словами, если рассматривать эксперимент Шрёдингера в рамках копенгагенской интерпретации, то кот становится живым или мёртвым лишь тогда, когда учёный открывает ящик, а вовсе не в момент срабатывания «адской машинки». Ученый не оспаривал существование суперпозиции и принципа неопределенности в квантовом мире. Он оспаривал так называемый «парадокс наблюдателя», согласно которому именно наблюдатель в момент наблюдения выводит систему из состояния суперпозиции.
Заключение
Существует известная шутка Альберта Эйнштейна о парадоксе наблюдателя: «Неужели вы думаете, что Луна существует только тогда, когда вы на неё смотрите?». При этом он не был противником квантовой механики, а лишь указывал коллегам на серьезную брешь в этой фундаментальной области знаний.
Шрёдингер поставил перед собой такую же задачу. Он решил доказать всем, что не наблюдатель определяет состояние системы, и судьба кота определяется отнюдь не в тот момент, когда открывается коробка.
Напоследок остаётся лишь добавить, что рассмотренный сегодня эксперимент является мысленным. А значит, ни один кот во время его проведения не пострадал.
О коте Шредингера
Зачем
О ситуации с котом Шредингера, наверно, имеет представление большинство хабровцев, интересующихся физикой. Поэтому я не буду ее излагать. Дискуссия ведется вокруг интерпретации состояния кота. Вот альтернативы:
Откуда ноги растут
А ноги растут из принципа суперпозиции. Он гласит:
Принцип суперпозиции для двух состояний приводит к принципу суперпозиции для произвольного числа допустимых состояний системы для рассматриваемой наблюдаемой. Но нам важно только для двух состояний – живого и мертвого.
Заметим, как приготовить систему в суперпозиции – это другой вопрос. Вопрос технический. А принцип говорит, что можно приготовить суперпозицию. А как приготовить, он об этом ничего не говорит.
Суперпозиция ведет к интерференционным эффектам. И экспериментально она проявляется только в интерференции. Интерференция состояний — вот что отличает квантовую механику от классической. Интерференцию не всегда можно наблюдать. Ведь визуальная картина интерференции может меняться так быстро, что визуализирующий прибор с большим временем реакции отобразит усредненную картину, смазывающую или вообще ликвидирующую эффект интерференции. Но это уже дело техники. А вот при отсутствии суперпозиции никакая техника не обнаружит интерференции.
Большинство, наверно, знают отличие интерференционной картины от неинтерференционной при рассеянии на двух щелях. Вот картины этой интерференции (каждый квадратик – отдельная картинка):
Картины интерференции двух круговых когерентных волн, в зависимости от длины волны и расстояния между источниками.
Какие возможные интерференционные эффекты при суперпозиции живого и мертвого я не берусь описывать и, тем более, визуализировать их.
Примеры суперпозиции
Суперпозиция в обычном пространстве
Свободная частица описывается волновой функцией – волной де Бройля в координатном пространстве:
Здесь p – импульс, являющийся фиксированной величиной (параметр), а x – координата — переменная, которая может принимать любое значение координаты. Разные импульсы задают разные возможные состояния. Значит, возможна суперпозиция волн де Бройля, соответствующих различным импульсам. Это может быть конечная суперпозиция, счётная суперпозиция, континуальная суперпозиция, в которой сумма переходит в интеграл. Мы получим состояния, которое не обладает определенным значением импульса: при измерении импульса могут получаться различные значения и это не ошибка эксперимента.
Насколько обширен класс функций представимых такой суперпозицией? Вспоминая математику, мы узнаем в приведенных счетных суперпозициях ряд Фурье а в континуальной суперпозиции интеграл Фурье – Фурье разложение по p. Вот она таинственная связь абстрактной математики и конкретной физики! Обширными исследованиями матанализ описывает класс Фурье-разложимых функций. А для физики это просто суперпозиция плоских волн с различными импульсами.
Суперпозиция в импульсном пространстве
Симметрии ради можно аналогично рассмотреть волну де Бройля в импульсном пространстве — частицу с фиксированной координатой:
Здесь x – координата, являющаяся фиксированной величиной (параметр), а импульс p — переменная, которая может иметь любое значение импульса. Разные координаты задают разные возможные состояния. Значит, возможна суперпозиция волн де Бройля, соответствующих различным координатам. Это может быть конечная суперпозиция, счётная суперпозиция, континуальная суперпозиция, в которой сумма переходит в интеграл. Мы получим состояния, которое не обладает определенной координатой: при измерении координаты могут получаться различные значения и это не ошибка эксперимента.
Суперпозиция в энергетическом пространстве
Стационарное состояние – состояние с фиксированной энергией. Оно описывается волновой функцией – волной де Бройля в энергетическом пространстве:
Здесь e – энергия, являющаяся фиксированной величиной (параметр), а время t есть переменная, могущая принимать любое значение времени. Разные энергии задают разные возможные состояния. Значит, возможна суперпозиция волн де Бройля, соответствующих различным энергиям. Это суперпозиция стационарных состояний, которая может описывать нестационарные состояния — коэффициенты суперпозиции могут зависеть от времени.
Суперпозиция в спиновом пространстве
Фотон с круговой поляризацией представляется как суперпозиция двух линейных поляризаций.
Суперпозиция в пространстве фундаментальных частиц
Фотон как суперпозиция
В стандартной модели фотон является суперпозицией бозонов 
и 
.
Нейтрино как суперпозиция
Каждое нейтрино с определенной массой — суперпозиция электронного, мюонного и тау-нейтрино. И, обратно, электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино – суперпозиция трёх нейтрино с определёнными массами.
Каон как суперпозиция
Ситуация c каонами похожа на ситуацию с нейтрино.
Суперпозиция в пространстве жизни
Принцип суперпозиции не говорит о том, исчерпываются ли все состояния суперпозициями. Например, есть ли физические состояния, которые не представимы в виде суперпозиции плоских волн? — Я не знаю.
Цитата из Фейнмана:
Мы описали сейчас одно из величайших достижений теоретической физики. Оно не основано на элегантных математических трюках, подобных общей теории относительности, тем не менее полученные предсказания так же важны, как, например, предсказание позитрона. Особенно интересным является тот факт, что мы довели принцип суперпозиции до логического конца. Бом и его сотрудники полагали, что принципы квантовой механики не имеют фундаментального характера и, в конечном счете, не смогут объяснить новые явления. Однако эти принципы работают. Это еще не доказывает, что они верны, но я готов биться об заклад, что принцип суперпозиции будет стоять в веках!
Вопросы
Если мы имеем суперпозицию, то можно ли говорить, что система состоит из суперпозиционных составляющих? Белый свет состоит из радуги? Фотон состоит из бозонов? Что значит “состоит”? Можно функцию разложить в ряд Фурье по синусоидам, а можно разложить в ряд Фурье по полиномам Лежандра, по полиномам Чебышева и т.д. Так из чего она состоит? Всякая ли математическая суперпозиция осуществима физически? Саму синусоиду можно разложить в ряд Фурье по полиномам Лежандра. Значит, может существовать некий прибор, который разложит монохроматический свет по полиномам Лежандра. Значит можно говорить, что монохроматический свет состоит из “волн Лежандра”? Тогда можно ввести и понятие “фотон Лежандра”. И в каких-то ситуациях проще будет оперировать фотоном Лежандра, а не обычным синусоидальным фотоном. Можно представить себе радио на волнах Лежандра…
Похоже на то, что если мы обнаруживаем суперпозицию состояний, считавшихся ранее состояниям разных, несуперпозируемых систем, то эти состояния нужно считать состояниями, какой-то новой единой системы.
Переходим к коту Шредингера. Он может находиться в состоянии “жив” и может находиться в состоянии “мертв”. Значит, по принципу суперпозиции он может находиться и в суперпозиции состояний “жив” и “мертв”. Возможно не в текущей ситуации, но в какой-то другой обязательно. Так ли это? И какие возможные интерференционные эффекты можно наблюдать в этом случае?
А давайте обобщим кота: перейдем к понятию “животное”. Мы знаем, что оно может находиться в состояниях лев, человек,… Значит по принципу суперпозиции возможна и их суперпозиция. Это абсурд. Идем дальше и “животное” обобщим до понятия “материальный объект”. Тогда нужно допустить суперпозицию любых материальных объектов. Этот еще больший абсурд. Похоже, что нужно уточнить понятие системы. Видимо, нужно брать конкретную систему (конкретный кот), а не абстрактную (животное). Но ведь предложил же Гейзенберг рассматривать протон и нейтрон как разные состояния системы “нуклон» и получил интересные следствия.
Что говорит Фейнман
Обратимся к Фейнману. Он рассматривает эксперимент по рассеянию нейтронов на кристалле.
Я резюмирую текст Фейнмана так.
После рассеяния нейтронов на кристалле на выходе есть две системы нейтронов:
Суперпозиция во второй системе есть, а интерференции нет. Интерференцию разрушает случайность сдвига фаз при перевороте спина. То, что это так показывает интерференция двух специально приготовленных нейтронных пучков с разными ориентациями спина, в том числе и с противоположно направленными спинами. Интерференция есть при достаточной когерентности пучков. Более того, обнаружен эффект безумный с точки зрения здравого смысла. Если во втором пучке нейтроны имеют спин, повернутый на 360 градусов по сравнению со спином первого пучка, то наблюдается максимальная интерференция. Это не лезет ни в какие ворота. Поворот на 360 градусов не привел к первоначальному состоянию. Объяснить это невозможно. Однако с формальной точки зрения здесь все понятно. Нейтрон описывается спинором, а не скаляром как скалярный мезон, или вектором как фотон. Квантовая механика допускает амплитуды, описываемые спинорами — величинами, совпадающие с собой только при двойном обороте — повороте на 720 градусов. А поворот на один оборот может сопровождаться умножением амплитуды на комплексное число с модулем 1. Физика спинора при этом не изменится – средние не изменятся. Но при наложении пучков возможны эффекты интерференции. Отсюда и происходит указанный интерференционный эффект.
Так что же может суперпозировать?
Ни в одном учебнике по квантовой механике, с которыми я знакомился, я не нашел критерия возможности суперпозиции. И только у Фейнмана я встретил рецепт при рассмотрении им рассеяния на двух щелях.
Критерий Фейнмана
Никогда не складывайте амплитуды разных, отличных друг от друга конечных состояний. Как только фотон был воспринят одним из фотонных счетчиков около щелей, мы всегда, если надо, можем узнать не возмущая больше системы, какая из альтернатив (взаимоисключающих событий) реализовалась. У каждой альтернативы есть своя вероятность, полностью независимая от другой. Повторяем, не складывайте амплитуд для различных конечных условий(под “конечным” мы понимаем тот момент, когда нас интересует вероятность, т.е. когда опыт “закончен”). Зато нужно складывать амплитуды для разных неразличимых альтернатив в ходе самого опыта, прежде чем целиком закончится сам процесс. В конце процесса вы можете, если хотите, сказать, что вы “не желаете смотреть на фотон”. Это ваше личное дело, но все же амплитуды складывать нельзя. Природа не знает, что вы на нее смотрите, и ей безразлично, интересуют ли вас ее данные или нет. Так что мы не должны складывать амплитуды.
Итак, если есть физически неразличимые пути достижения точки, в которой мы рассматриваем возможность интерференции, то амплитуды этих путей складываются и мы имеем интерференцию. Если они физически различимы, то складываются вероятности и, значит, интерференции нет. Под путем понимается движение не только в обычном пространстве. Так если есть две моды распада частицы с одним исходом, то они должны суперпозировать.
Назовем приведенные выше максимы Фейнмана суперпозиционным критерием Фейнмана.
Итак, Фейнман говорит, что суперпозировать могут только физически неразличимые траектории.
Высказывание Дирака
…каждый фотон интерферирует лишь с самим собой. Интерференции между двумя разными фотонами никогда не происходит.
Надо полагать это относится и к любому объекту. Поэтому и кот может интерферировать только с самим собой. Мертвый кот и живой кот – это предельно разные коты. Да и можно ли называть труп мертвым котом. Это труп кота, но никак не кот.
Сомнения
Что считать под системой в принципе суперпозиции? Если мы рассматриваем состояния с разным значением импульса электрона, то это, несомненно, разные состояния одной системы, называемой электрон. Если мы рассматриваем разные энергетические состояния атома водорода, то это также одна система — атом водорода. Но вот Гейзенберг предложил рассматривать протон и нейтрон как разные состояния нуклона. Тогда, что возможна суперпозиция протона и нейтрона? Но тогда почему невозможно суперпозиция электрона и позитрона? Говорят, что это противоречит закону сохранения электрического заряда. Тогда почему суперпозиция разных энергетических состояний не противоречит закону сохранения энергии? Энергию уносит фотон? Тогда и заряд может уносить рождающаяся частица. Можно объявить честно (Кемпфер, Липкин), что суперпозиций с разными электрическими зарядами не наблюдалось в природе, хотя такая суперпозиция не противоречит никаким законам.
О физической различимости траекторий системы. Что служит метками различимости? Точки пространства? – Нет. Точки времени? Заряды: масса, электрический, лептонный, барионый? Спин? Только внутренние характеристики? Фейнман говорит, что это отметки во внешней среде, которые можно обнаружить. При рассеянии нейтронов на кристалле нейтрон с перевернутым спином оставляет метку в кристалле – ядро с перевернутым спином. Любое неупругое рассеяние оставляет метку (энергетическую, спиновую…) в рассеивающей среде, а упругое нет. Значит при прохождении через щели интерферируют фотоны только упругого рассеяния.
В отношении различимости можно сказать еще вот что. Наше знание неточно, и то, что сегодня считается физически неразличимым, завтра может оказаться различимым. Так произошло с понятиями правый, левый. Если считать правое и левое чисто условностями, то эта условность не должна входить в фундаментальные формулы. Но вот оказалось, что для слабого взаимодействия понятия “правый”, “левый” отнюдь не условность: правое и левое состояния различаются слабыми взаимодействиями. И в лагранжиан слабого взаимодействии включили отдельно “правые” и “левые” члены. Т.е. не ответив на вопрос «почему правое отличается от левого?», тем не менее, успешно ответили на вопрос “как это происходит?” Это, впрочем, не ново. Еще Ньютон, на упреки в том, что он не объяснил природу тяготения, а просто привел формулу закона тяготения ответил примерно так, что да, я не знаю природы тяготения и не выдвигаю на этот счет никаких гипотез, зато я знаю, как описывается закон тяготения и это уже кое-что. Подобный подход вылился в некую философию: некоторые физики прямо заявляют, что дело физики выяснить “как?”, а не “почему?”. Ну, в самом деле, что ответить на вопрос «Почему справедливы уравнения Максвелла?”. Этого никто не знает.
Аналогично с ситуацией “правое-левое” произошло и в случае каонов. Казалось бы, есть два совершенно различимых типа каонов. Один распадается на два мезона. А второй на три. Но Гелл-Манн и Пайс предположили, что мы имеем дело с распадом одной частицы. А две моды распада возникают из-за того, что эта исходная частица представляет собой суперпозицию двух других типов каонов.
Все это так. Но, сомнительно, что когда-нибудь живой и мертвый кот объединятся в одну систему и различие между живым и мертвым станет эфемерным.
Что не может суперпозировать?
Суперпозиция разных частиц
Представим себе эксперимент с двумя щелями, когда через одну щель проходит плоская волна электронов, а через другую плоская волна протонов. Пусть длины волн де Бройля постоянны и одинаковы. Будет ли наблюдаться интерференция? Если формально рассматривать, то волна протона описывается точно так же, как и волна электрона. И почему бы не быть интерференции? Но в квантовой теории поля волны будут одинаковы только в пространственной части. А неодинаковы они будут по заряду и спину. Но давайте останемся в рамках обычного рассмотрения опыта на щелях. Рассмотрим пучок электронов и отрицательных мюонов. Там и заряды и спины одинаковы. А будет ли интерференция? Ответ дает критерий Фейнмана. Раз частицы физически различимы, то интерференции не будет. Как в опыте с одинаковыми частицами, когда проверяется прохождение через щель, проверка делает частицы различимыми и интерференция исчезает, так при опыте с различными частицами они уже физически различимы изначально. Интерференции не будет. Обратно, если интерференция вроде бы одинаковых частиц, но от разных источников не наблюдается, то частицы различимы. Хотя эту различимость (характеристика, отвечающая за различимость) мы пока не обнаружили.
Суперпозиция мертвого и живого
В принципе суперпозиции говорится о состояниях определенной квантовой системы. Мертвый кот и живой кот – это совершенно разные физические системы. Cуперпозировать могут только физически неразличимые альтернативы. А мертвое и живое физически очень даже различимы. Можно даже сказать, что большей различимости, чем мертвое от живого и быть не может. Наше незнание о том, жив или мертв кот, возникает не вследствие суперпозиции, а вследствие нехватки информации, как в любой классической вероятностной задаче. А в случае суперпозиции, речи о нехватке информации нет и, как утверждает копенгагенская интерпретация квантовой механики, и быть не может.
Если эксперимент показывает отсутствие суперпозиции упруго рассеянного нейтрона и неупруго рассеянного нейтрона, то логично утверждать, что мертвый кот и живой не могут суперпозировать. Они фундаментально отличаются друг от друга.
Суперпозиция живого и живого
Живая система предполагает непрерывный обмен веществом и энергией с внешней средой. Этим она непрерывно метится – становится физически различимой. Значит, живое не может интерферировать. Оно не может застыть и оставаться идентичным. Живое все время неидентично само себе. Это все время другая система.
Итак, пользуясь критерием Фейнмана мы заключаем, что
Сомнения
Однако, почему в суперсимметрии допускается суперпозиция кварка и лептона? Возможно, что суперпозиция относительна и то, что в одних условиях суперпозиции нет, не означает, что она невозможна в других ситуациях? Тогда принцип суперпозиции нужно дополнить описанием ситуации суперпозиции. Так в ситуации отключения электромагнитного поля возможна суперпозиция протона и нейтрона.