Тот самый Кот Шрёдингера

Так бывает: биографию, а то и самого учёного подзабудут, а предмет или явление, получившее его имя, останется на слуху. 

Например, далеко не всем известен немецкий микробиолог Юлиус Петри, но названный в честь него тип лабораторной посуды — чашку Петри — знает даже тот, кто совсем далёк от науки. Мы решили вспомнить все устойчивые сочетания человека и объекта, вошедшие в наш лексикон в формате «что-то кого-то». В этой подборке найдётся место не только реальным объектам, но и персонажам мысленных экспериментов. В планах — демон Максвелла, чайник Рассела, чашка Петри, сосуд Дьюара, палочка Коха, собака Павлова, ящик Скиннера, бабочка Лоренца... В общем, идей много. Но начать мы решили, естественно, с кота Шрёдингера — одной из самых знаменитых метафор науки. 

  Эти слова австрийского физи­ка, нобелевского лауреата и одного из основателей кван­товой механики, были сказаны, по су­ти, о той самой теории, в создание кото­рой он внёс неоценимый вклад.
   Квантовая механика, начавшаяся в конце XIX века с по­ пыток Макса Планка объяснить излучение абсолютно чёрного тела, к 1930­м годам грозила свести с ума от­цов-­основателей. Среди них были небезызвестные личности вроде Эйнштейна, Бора, Гейзенберга и, конечно, Эрвина Шрёдингера.
  В то время физики, уже более­ менее принявшие кванто­вую механику в качестве теории, объяснявшей особенности микромира, разделились на два лагеря. Первый возглавил Нильс Бор, на тот момент директор создан­ного им же  Института теоретической физики в Копен­гагене. Именно Бор с коллегами разработал так называемую копенгагенскую интерпретацию квантовой механики, центральное место в которой занимало ве­роятностное описание событий в микромире. Суть это­го подхода в следующем: свойства квантовой частицы не могут быть определены до момента, когда мы их из­ мерим (пронаблюдаем), а сама она находится в некой суперпозиции всех возможных состояний. Причём при каждом измерении мы можем получать разные значе­ния этих свойств — в зависимости от того, с какой веро­ятностью частица предпочитает находиться в том или ином состоянии. 

   Взять, к примеру, электрон в атоме. Все те орбитали, которые мы привыкли видеть на уроках физики и хи­мии ещё в школе, на самом деле представляют собой размазанную в пространстве вероятность обнаружить электрон на определённом расстоянии от ядра. А ор­битоподобные линии нарисованы в тех местах, где ве­роятность обнаружить электрон максимальна. Дей­ствительно, если отмечать точками положение электрона в атоме в каждый момент време­ни, то поначалу они будут раскиданы до­ вольно хаотично. Но если провести мно­го измерений, отдельные точки сольют­ ся в те самые привычные нам атомные орбитали!
   Так вот, подход Бора с коллегами за­ключался в том, что до момента из­ мерения электрон в атоме, точнее, его волновая функция как бы «раз­ мазана» по всему пространству (буквально заполняет собой Вселен­ную!) и только в момент измерения «схлопывается» в определённую точ­ку, где мы и обнаруживаем электрон. Такой процесс назвали коллапсом вол­новой функции, происходящим из-­за вза­имодействия измерительного прибора с лю­бым квантовым объектом.
   Это вероятностное представление о природе реально­сти не устраивало многих учёных, в частности Эйнштей­на со Шрёдингером, которые пытались придумать при­меры, наглядно демонстрирующие неполноту кванто­вой механики. Эйнштейн как-­то даже в сердцах спросил Бора: «А существует ли Луна, когда на неё никто не смотрит?» Этим вопросом Эйнштейн пытался показать абсурдность постулируемых Бором законов микромира, распространив их на объекты привычного нам макро­ мира. И к этому приёму он неоднократно прибегал
в переписке со Шрёдингером.
   История злополучного кота началась со статьи, опу­бликованной Эйнштейном со товарищи весной 1935 го­да (так называемая статья Эйнштейна — Подольско­го — Розена, сокращённо ЭПР). Авторы рассматривали в ней две квантовые частицы, которые изначально бы­ ли приведены во взаимодействие, а потом разнесены на значительное расстояние. И так как частицы описы­вались одной волновой функцией, измерение одной из них приводило к немедленному коллапсу общей вол­новой функции и, соответственно, некому опосредован­ному измерению второй частицы. Причём неважно, как далеко они были разнесены: согласно копенгагенской интерпретации коллапс волновой функции в любом случае должен происходить мгновенно. В дальнейшем такое свойство квантовых частиц стали называть запу­танностью (entanglement). 

  Статья ЭПР вызвала немало горячих споров. Активно обсуждали её и Эйнштейн со Шрёдингером. В одном из писем Эйнштейн предложил Шрёдингеру пред­ ставить два закрытых ящика и мяч, который по­ложили в один из них, и спросил, возникает ли мяч только тогда, когда один из ящиков от­крыт (произведено наблюдение)? Это нагляд­ный пример суперпозиции двух состояний — «мяч в левом ящике» и «мяч в правом ящи­ке», — которая при наблюдении коллапсирует в одно из них. Конечно, никакие макроскопиче­ские объекты, в том числе мячи, в состоянии супер­ позиции находиться не могут. Но ничто не мешает вме­сто них взять, например, атомы. 

   В следующем письме (в августе 1935 года) Эйнштейн сделал ещё один шаг, заменив ящики с мячом бочон­ком с порохом, который в любой момент может само­ произвольно воспламениться. Бочонок здесь находится в суперпозиции состояний «взорвавшийся» и «невзор­вавшийся». (Чувствуете? Уже горячо!) Эйнштейну не да­ вал покоя тот факт, что на самом-­то деле бочонок ли­бо взорвался, либо не взорвался, и никакой смеси со­ стояний нет! Абсурдность подобного положения вещей в привычном нам мире никак не давала Эйнштейну принять такую реальность мира квантового. 

  Мысли Шрёдингера поначалу были созвучны идеям Эйнштейна, но после столь наглядных примеров он крепко задумался. В результате осенью 1935 года он на­ писал большую статью в трёх частях (для которой да­ же не смог придумать единого названия), где выразил свою точку зрения на состояние дел в квантовой меха­нике и её способности описывать реальный мир. Один из абзацев этой статьи посвящён тому самому коту (а точнее, кошке — die Katze), который сейчас всем изве­стен под именем кота Шрёдингера. Смена пола прои­зошла при переводе статьи с немецкого на английский, где кот и кошка описываются одним словом cat. А уже при переводе с английского на русский кошка Шрёдин­гера и превратилась в кота. 

  Дословно описание предложенного Шрёдингером мыс­ ленного эксперимента (в результате которого ни один кот или кошка не пострадали) звучит так:
«Поместим кота в небольшую стальную камеру. Туда же поставим адскую машину (надо принять меры пре­досторожности, чтобы кот напрямую с ней не взаимо­действовал): поместим в счётчик Гейгера крошечный кусочек радиоактивного вещества. Он настолько мал, что за час может произойти распад одного атома, но с равной вероятностью это может и не произойти. Ес­ли распад происходит, трубка счётчика Гейгера разря­жается и с помощью реле приводит в действие моло­ток, разбивающий ампулу с цианистоводородной кис­лотой. Если систему не трогать в течение часа, а затем открыть камеру, сказать, что кот всё ещё жив, можно будет, если за это время ни один атом не распался. Пер­вый же распавшийся атом приведёт к тому, что кот бу­дет отравлен. Волновая функция всей системы может всё это учесть, если живой и мёртвый кот (простите за выражение) смешаны или размазаны по ней в равных частях» (цит. по Кумар М., «Квант»). 

   В эксперименте задействованы три объекта: радиоак­тивный атом (квантовый объект), кот (классический объект) и счётчик Гейгера, выполняющий роль измери­тельного прибора. Конечно, есть ещё помощник в виде ядовитой кислоты, но его вполне можно заменить чем­-нибудь другим. Новизна и уникальность мысленного экспе­римента Шрёдингера в том, что он связал между собой состояния представителей ми­кро­ и макромира, что позволило описать всю систему одной волновой функцией «атом распался — кот мёртв» или «атом не распал­ся — кот жив». При этом вполне себе макроско­пический кот приобрёл свойство квантового объек­та — возможность находиться в суперпозиции состоя­ний «жив» и «мёртв».
   Эйнштейн был очень рад этому примеру, ведь он под­нимал немало вопросов о состоятельности квантовой механики в её копенгагенской интерпретации. Многие из этих вопросов физики обсуждают до сих пор, а также ставят опыты над различными квантовыми системами, пытаясь узнать, как действительно устроен микромир. Разумеется, во всех этих экспериментах размеры «подопытных» не превышают нескольких микрометров,
и реальные коты в них не участвуют (разве что для сня­тия стресса у физиков­экспериментаторов). 

   Общественную популярность кота Шрёдингера в наше время тоже трудно переоценить — яркий образ, создан­ный гением Шрёдингера, продолжает будоражить во­ображение людей. Его давным-­давно полюбили писа­ тели­фантасты, охотно вставляют в свои творения раз­работчики компьютерных игр, а шутки и мемы о нём заполонили интернет. Кота Шрёдингера обсуждают
и на YouTube, и в «Теории Большого взрыва», а иногда даже в барах и ночных клубах! Что уж говорить, даже журнал в его честь назвали, а бедный кот до сих пор ни жив ни мёртв...
   Трудно сказать, как к такой популярности отнёсся бы сам Шрёдингер, но в его научных работах по кванто­вой физике коты больше не встречались. Десятилетие спустя он заинтересовался биологией и написал науч­но­-популярную книгу «Что такое жизнь с точки зрения физики», ставшую культовой. Котами там, увы, тоже не пахнет, зато можно найти немало упоминаний и рисун­ков мушек дрозофил.