Кіт Шредінгера — герой відомого уявного експерименту Ервіна Шредінгера, у якому цей кіт перебуває одночасно у двох станах — живий і мертвий.
Уявного кота поміщено в коробку, перебуваючи в якій, він із ймовірністю 0,5 живий та 0,5 — мертвий. Згідно з принципами квантової механіки, кожна елементарна частинка рівночасно може перебувати в кількох станах. Так само й кіт Шредінгера в умовах експерименту може бути живий і мертвий водночас, допоки хтось не відчинить коробку й не визначить живий кіт чи ні. Відмінність кота від елементарної частинки в тому, що кіт є макроскопічною фізичною системою.
Опис експерименту У закриту коробку поміщено котаУ Шредінгера, це все ж таки кішка. З оригінальної статті Шредінгера: «.» — Erwin Schrödinger, Naturwissenschaften, 48, 807; 49, 823; 50, 844, November 1935.. У коробці маємо механізм, що містить радіоактивне ядро та ємність з отруйним газом. Параметри експерименту підібрано так, що ймовірність того, що ядро розпадеться протягом однієї години, становить 0,5. Якщо ядро розпадається, то воно пускає в дію механізм, який відкриває ємність з газом, і кіт помирає. Згідно з квантовою механікою, якщо над ядром не виконується спостереження, то його стан описувано суперпозицією (сумішшю) двох станів: ядра, що розпалося, та ядра, що не розпалося. Отож кіт, що сидить у коробці, — і живий, і мертвий одночасно. Коли ж коробку відкрити, то експериментатор мусить побачити тільки який-небудь один конкретний стан: «ядро розпалося, кіт мертвий» або «ядро не розпалося, кіт живий».
Питання формулюється так: коли саме система припиняє існувати як суміш двох станів і вибирає один конкретний стан? Мета експерименту — довести, що квантова механіка неповна без правил, що вказували б, за яких умов відбувається колапс хвильової функції і кіт або стає мертвий або ж лишається живий, однак припиняє бути суперпозицією того й іншого.
Усупереч поширеним уявленням, сам Шредінгер вигадав цей експеримент зовсім не тому, що він нібито вірив, що «мертвоживі» коти існують; навпаки, він вважав квантову механіку за неповну і таку, що не до кінця описує реальність у цьому випадку. Зрозуміло, що кіт обов'язково мусить бути або живий, або мертвий (не існує стану, проміжного між життям і смертю). Однак це означає, що не існує подібного стану і для атомного ядра: воно мусить бути або таке, що розпалося, або таке, що не розпалося.
Оригінальна стаття побачила світ у німецькому часописі Naturwissenschaften («Природничі науки») 1935 року: E. Schrödinger: «Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik» («Теперішній стан речей у квантовій механіці»), Naturwissenschaften, 48, 807, 49, 823, 50, 844 (November 1935). Метою статті було обговорити ЕПР-парадокс, що його виявили Ейнштейн, Подольський і Розен раніше того самого року. Опріч того, що Шредінгер у цій статті познайомив нас із котом, він ще запровадив термін «заплутаність».
Чому кіт Шредінгера? Шредінгер намагався висвітлити проблему виникнення макроскопічних законів (в масштабі кота) із законів квантової фізики. Питання, порушене його уявним експериментом, не є отже «як це можливо в квантовому світі?» а «як це неможливо в макроскопічному світі?».
Цей експеримент ніколи не проводився, тому що:
технічні умови, щоб зберегти стан суперпозиції кота дуже складні, їх не можна реалізувати для більш ніж кількох молекул; перехід до макроскопічної шкали, яку представляє кіт стосовно кількох молекул, є головним інтересом уявного експерименту (це не питання про життя); роль кота була б ідеально досягнута перемикачем; навіть, якщо ці умови були досягнуті, мова йде про уявний експеримент, очевидно такий, якого не можна здійснити навіть у принципі. Дійсно, ніколи не можна буде прямо виявити чи виміряти, що кіт є одночасно мертвим, і живим, оскільки факт спробувати взнати його стан обов'язково спричинить розпад хвильової функціїToutefois, on peut faire passer une souris dans la boîte, et mesurer sa probabilité de ressortir ; cette version de la " mesure " de la vie du chat a été effectivement réalisée à l'échelle atomique (en envoyant un photon sur un atome superposé dans l'état excité et non excité), et a confirmé les prédictions de la théorie ; voir la dernière section..
Насправді мета — це перш за все справити враження: якщо квантова теорія дозволяє коту бути і мертвим, і живим одночасно, то або вона неправильна, або потрібно буде переглянути всі упередження.
У листі від 8 серпня 1935 року адресованому Шредінгеру, Ейнштейн пропонує уявний експеримент, у якому бочка пороху була б у суперпозиції станів, бочка вибухнула, і бочка ще не вибухнула. Шредінгер відповідає 19 серпня, замінивши бочку котом, якого пристрій ставить у суперпозицію станів мертвий та живий. Відтоді Ейнштейн використовував бочку з порохом з котом поблизуAlbert Einstein, annoté par Françoise Balibar, Œuvres choisies, tome 1 : Quanta .. Шредінгер та Ейнштейн вважали, що можливість мертво-живого кота доводить, що інтерпретація хвильової функції Макса Борна була неповною. Частина «яке рішення?» показує, що ця ситуація підкреслює дивацтво квантової механіки, але не спростовує її.
Анекдотично, можна також задуматися (це те, що робить Етьєн Кляйн, у Сім разів була революція), звідки походить вибір кота для цього уявного експерименту. Науки та майбутнє, у спеціальному випуску, присвяченому коту Шредінгеру, пропонує гіпотезу про посилання Шредінгера на чеширського кота.
Чи правильно казати, що кіт є мертвим і живим? Твердження «кіт мертвий і живий» насправді збиває з пантелику, і наша інтуїція говорить нам, що вислови «кіт мертвий», і «кіт живий» — є запереченнями одне одного. Насправді в квантовій механіці теоретично існує третя можливість: кіт може бути в стані суперпозиції, у якому він поєднує кілька несумісних класичних станів.
Якщо ми припускаємо пряму залежність між станом частинки та життям кота, кіт повинен бути в такому стані суперпозиції мертвий + живий, поки спостереження не зведе його до одного стану. Якщо використовувати нотацію бра-кет Поля Дірака у формалізмі квантової механіки, стан кота може бути записаний (за аналогією зі станом частинки): де та є відповідно векторами простору Гільберта, які представляють стани мертвий і живий кота, кожен з імовірністю, що дорівнює 50 %.
У квантовій механіці фізичний стан представлений вектором простору Гільберта. Принцип суперпозиції передбачає, що лінійна комбінація таких векторів завжди являє собою фізичний стан, але не уточнює інтерпретацію, яку необхідно навести. Однак цю суперпозицію станів не можна спостерігати безпосередньо: тут, коли ми спостерігаємо кота, ми побачимо його або мертвим, або живим. Відповідно до постулату вимірювання, стан кота відразу після вимірювання буде станом відповідно або станом . Інтерес формально описати стан суперпозиції полягає в можливості обчислити ймовірність вимірювання кожного з результатів вимірювання завдяки постулату Борна.
Немає логічної проблеми (принцип виключення третього не ставиться під сумнів), як тільки ми зрозуміємо, що квантовий об'єкт може мати властивості, що суперечать нашому щоденному досвіду. Щоб уникнути зловживання мовою про «мертво-живого кота» або «мертвий і живий», можна вважати за краще сказати, що кіт перебуває в стані, де звичайні категоризації (тут життя чи смерть) втрачають свій сенс.
Але ми можемо, як і Ейнштейн, відмовитись визнати, що кіт не має визначеного стану, який можна спостерігати, доки немає спостереження, і припустити, що якщо бачать живого кота, то він був таким з моменту його ув'язнення. Ейнштейн передбачає заперечення Нільса Бора «Позитивістська містика заперечуватиме, що не можна спекулювати на стані кота до тих пір, поки не дивляться під приводом, що це не буде науковим».
Яке вирішення? Різні варіанти пропонуються для вирішення цього парадоксу:
Теорія некогерентності Певна кількість квантових теоретиків стверджує, що стан суперпозиції можна підтримувати лише за відсутності взаємодії з навколишнім середовищем, яке «викликає» вибір між двома станами (мертвий чи живий). Це теорія некогерентності. Розрив викликається не «свідомою» дією, яку ми трактуємо як «вимірювання», а фізичними взаємодіями з навколишнім середовищем, так що когерентність руйнується тим швидше, чим більше є взаємодій. У макроскопічному масштабі, мільярди мільярдів частинок, розрив відбувається практично миттєво. Іншими словами, стан суперпозиції може підтримуватися лише для дуже маленьких об'єктів (декілька частинок)Plus précisément, il s'agit de systèmes dont l'action n'est pas très grande par rapport à la constante de Planck (, ch. 1).. Некогерентність виникає незалежно від наявності спостерігача, або навіть вимірювання. Тому немає парадокса: кіт перебуває у визначеному стані задовго до відкриття коробки. Ця теорія, підтримувана, зокрема, фізиками Роландом Омнісом та Жан-Марком Леві-Леблондом, нобелівськими лауреатами Маррі Гелл-Манном та Сержа Хароче.
Теорія некогерентності із прихованими параметрами Варіант теорії некогерентності, підтриманий, зокрема, фізиками Роджером Пенроузом, Ріміні, Гірарді та Вебером. Вона починається із констатації, що некогерентність доводиться з квантових законів лише у конкретних випадках, і здійснюючи спрощені гіпотези та маючи необґрунтований зміст (історії з «великими зернами»). Крім того, квантові закони є принципово лінійними, а некогерентність є нелінійною по суті, тому отримати друге з першого, здається дуже підозрілим в очах цих фізиків. Таким чином, квантові закони не змогли б самі пояснити некогерентність. Таким чином, ці автори вводять додаткові фізичні параметри у квантові закони (дія гравітації, наприклад, у Пенроуза) для пояснення некогерентності, яка завжди відбувається незалежно від наявності спостерігача, або навіть вимірювання.
Ця теорія має перевагу порівняно з попередньою, вона дає чітку та об'єктивну відповідь на питання «що відбувається між мікроскопічним рівнем та макроскопічним рівнем, що пояснює некогерентність». Недоліком є те, що ці додаткові параметри, хоча і сумісні з відомими експериментами, на сьогоднішній день не відповідають жодній повній та добре обґрунтованій теорії.
Позитивістський підхід Багато позитивістських фізиків, добре представлених Вернером Гейзенбергом або Стівеном Хокінгом, вважають, що хвильова функція не описує реальність саму по собі, а лише те, що ми знаємо про неї (такий підхід збігається з філософією Еммануеля Канта, ноумен, іншими словами річ у собі, протилежне феномену, річ як ми її сприймаємо). Іншими словами, квантові закони корисні лише для обчислення та прогнозування результату експерименту, але не для опису реальності. У цій гіпотезі стан суперпозиції кота не є «реальним» станом, і немає підстав філософствувати на цю тему (звідси знамените речення Стівена Хокінга: «Коли я чую „кіт Шредінгера“, я витягую свій револьвер»). Аналогічно, «розпад хвильової функції» не має реальності, і просто описує зміну знань, які ми маємо про систему. У такому підході, який все ще є досить поширеним серед фізиків, парадокс зникає.
Теорія паралельних світів Теорія паралельних всесвітів, запроваджена Г'ю Евереттом, стає на протилежну точку зору до позитивістського підходу і передбачає, що хвильова функція описує реальність, всю реальність. Цей підхід дає змогу описати два стани в суперпозиції окремо і дає їм подвійну реальність, яка, здавалося, зникла, розчинена в парадоксі (точніше дві реальності у двох повністю паралельних всесвітах — і, безсумнівно, після повного розділення, нездатні комунікувати між собою). Ця теорія не висловлюється щодо питання про те, чи існує дублювання реальності (many-worlds) чи, навпаки дублювання спостерігачів цієї самої реальності (many-minds), оскільки ці дві можливості не мають функціональної різниці.
Незважаючи на свою складність і сумніви щодо її спростовуваності, ця теорія підтримується багатьма фізиками, що не переконані теорією некогерентності, непозитивістами і тими хто думає, що квантові закони є точними та повними.
Теорія де Бройля — Бома