У нашому світі неможливо бути в двох станах одночасно. Хіба що, коли прокидаєшся після вечірки і не знаєш: ти ще живий чи вже спізнився на роботу. Або ви намагаєтеся встигнути на дві зустрічі, і кожна з них починається через 5 хвилин — ви як фізична частинка в стані суперпозиції, між реальністю та хаосом.
З чого почалося?
29 листопада 1935 року у журналі Naturwissenschaften («Природознавство») була опублікована стаття Шредінгера під назвою «Сучасна ситуація в квантовій механіці». У цій роботі вчений розкрив особливості мікросвіту, де частинки можуть існувати в кількох станах одночасно, перебувати у різних місцях і навіть рухатися за декількома траєкторіями водночас.
Давай спокійно пояснемо все
Під час розвитку нового розуміння субатомного світу більшість колег Ейнштейна та Шредінгера усвідомили, що квантові об'єкти поводяться вкрай дивно. Датський фізик Нільс Бор підтримував концепцію, згідно з якою частинки, такі як електрони, не мають чітко визначених властивостей, поки не будуть виміряні. До моменту вимірювання ці частинки існують у так званій суперпозиції станів, де, наприклад, з імовірністю 50% вони можуть бути орієнтовані "вгору" і з імовірністю 50% — "вниз".
Що тут не так?
Ейнштейн, зокрема, не був прихильником такого невизначеного пояснення. Він хотів зрозуміти, яким чином Всесвіт "знає", що щось вимірюється. Шредінгер підкреслив абсурдність цієї ідеї за допомогою свого відомого концептуального парадоксу з котом.
У своїй статті 1935 року "Сучасний стан квантової механіки" Шредінгер запропонував уявний експеримент. Він описав дивний пристрій, що складається з коробки, у якій знаходиться запаяний флакон з ціанідом, над яким підвішено молоток, прикріплений до лічильника Гейгера. Лічильник спрямований на невеликий шматок слабо радіоактивного урану. Усередині коробки також знаходиться кіт (важливо пам'ятати, що це суто уявний експеримент, який ніколи не проводили насправді).
Коробка герметично закривається, і експеримент триває певний час, наприклад, годину. За цей час уран, частинки якого підпорядковуються законам квантової механіки, може випромінити радіацію. Лічильник Гейгера виявить це випромінювання, приведе в дію молоток, який розіб'є флакон з ціанідом, що призведе до загибелі кота через отруєння.
Згідно з поглядами таких вчених, як Бор, поки коробка не відкрита і стан кота не "виміряно", він перебуватиме в суперпозиції двох станів — і живого, і мертвого. Однак для Ейнштейна та Шредінгера така можливість здавалася неприйнятною, адже вона суперечила всьому, що підказує нам звичайний досвід: кіт або живий, або мертвий, але не обидва стани одночасно.
"Квантова фізика не мала важливого компонента, а саме пояснення того, як вона узгоджується з реальним світом," — написав науковий журналіст Адам Бекер у своїй книзі "Що таке реальність?" "Як феноменальна кількість атомів, керованих законами квантової фізики, створює той світ, який ми бачимо навколо себе?"
Якщо атом випромінює радіацію, молоток розбиває флакон, і кіт помирає. Якщо атом не випромінює радіацію, кіт залишається живим. Згідно з квантовою механікою, поки ми не виміряємо стан атома, він перебуває в суперпозиції — і випромінює, і не випромінює радіацію одночасно. Отже, кіт теж одночасно і живий, і мертвий, поки не відкриємо коробку і не "виміряємо" його стан.
Чи існує кіт Шредінгера насправді?
Парадокс кота Шредінгера проливає світло на дивну особливість інтерпретації реальності, запропонованої Нільсом Бором: відсутність чіткої межі між квантовим і повсякденним світом. Більшість вважає, що цей приклад демонструє ідею про те, що частинки не мають чітко визначених властивостей до моменту вимірювання. Однак початковою метою Шредінгера було довести протилежне — показати абсурдність цієї ідеї. Проте, впродовж багатьох десятиліть фізики здебільшого ігнорували цю проблему, зосереджуючись на інших викликах.
Починаючи з 1970-х років, дослідники довели, що квантові частинки можна створити у станах, які завжди взаємопов’язані. Наприклад, якщо одна частинка має орієнтацію "вгору", то інша обов’язково буде "вниз". Цей феномен, який Шредінгер назвав заплутаністю, став основою для нового напряму — квантових обчислень. Ця технологія обіцяє створити обчислювальні машини, значно швидші за сучасні.
У 2010 році фізики вперше створили реальний аналог кота Шредінгера, але без необхідності вдаватися до "вбивства кота". Дослідники з Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі розробили резонатор, схожий на мініатюрний камерто́н розміром з піксель комп’ютерного екрану. Вони перевели його в стан суперпозиції, в якій він одночасно коливався і не коливався, що довело можливість існування відносно великих об’єктів у химерних квантових станах.
Більш сучасні експерименти змогли розташувати групи з до 2000 атомів у двох різних місцях одночасно, ще більше розмиваючи межу між мікросвітом і макросвітом. У 2019 році дослідники з Університету Глазго навіть зробили фотографію заплутаних фотонів за допомогою спеціальної камери, яка знімала кожного разу, коли фотон з’являвся разом із своїм заплутаним партнером.
Попри те, що фізики й філософи досі не дійшли згоди щодо трактування квантового світу, ідеї Шредінгера відкрили багато перспективних напрямів для досліджень, які, ймовірно, залишатимуться актуальними ще довго.
Хто ще експериментував з котом Шредінгера?
Як не дивно, фізики з Японії та Індії — не першими почали намагатися керувати долею кота Шредінгера. Кілька місяців тому вчені з компанії IBM та Єльського університету провели практичний експеримент, під час якого заявили, що за певних умов вони можуть передбачити стан суперпозиції і фактично впливати на долю кота Шредінгера.
Для цього експерименту було розроблено «штучний атом», який складається з надпровідного ланцюга, в центрі якого розташований джозефсонівський контакт — ізолятор, що розділяє два надпровідники. Якщо стан звичайного атома визначається положенням електрона навколо ядра, то стан штучного атома представлений через квантову позицію, яка змінюється, коли електрони проходять через шар ізолятора.
Фізики змогли керувати станом штучного атома за допомогою двох мікрохвильових сигналів: перший забезпечував необхідну кількість енергії, щоб атом перейшов із спокійного стану в збуджений, а другий вимірював енергію в ланцюзі під час цього переходу.
Оскільки квантовий стрибок — це перехід з одного квантового стану в інший — завжди супроводжується випромінюванням або поглинанням фотонів, вчені визначили, що видимий фотонний сигнал є індикатором спокійного стану штучного атома, а його відсутність вказує на те, що атом перейшов у збуджений стан.
Проводячи мікрохвильові імпульси через штучний атом, дослідники змогли виміряти його квантовий стан до і після квантового стрибка. Якщо б кіт Шредінгера був подібний до атома в надпровідному ланцюзі, ми змогли б передбачити його долю, вимірявши його первинний квантовий стан, а не просто дізнатися, живий він чи мертвий фактом спостереження.
Однак у дослідженні IBM є чимало невідомих. Зокрема, вчені не можуть точно визначити, коли саме відбудеться квантовий стрибок — через кілька мілісекунд після активації мікрохвильового випромінювання чи через кілька годин.
Парадокс став символом загадковості квантових явищ і породив безліч обговорень серед фізиків і філософів. Дослідження Шредінгера показує, як квантова механіка відрізняється від звичайного, макроскопічного світу. Він також став основою для розвитку таких концепцій, як квантова заплутаність.
