Все записи
20:22  /  28.10.15

10389просмотров

Улыбка Шрёдингерова кота

+T -
Поделиться:

Парадоксы квантовой физики через призму изящной словесности

шрёдингер, кот, физика квантовая механика, литература, философия

Рядом с домом в Цюрихе, где в 1921–1926 годах жил Эрвин Шрёдингер, установлена полноразмерная фигура кота, который в зависимости от освещения то появляется, то исчезает. Фото с сайта www.wikipedia.org

Мысленный эксперимент, предложенный австрийским физиком Эрвином Шрёдингером в 1935 году, сделался знаменитым – и не только среди ученых – во многом благодаря фантасмагорической фигуре полуживого-полумертвого кота. По условиям эксперимента в закрытом ящике находятся: кот, механизм с радиоактивным атомным ядром и емкость с ядовитым газом. Как известно, распад ядра в квантовой механике описывается суперпозицией (совмещением) разных состояний элементарной частицы. В зависимости от того, распадается ли ядро, приводится в действие смертоносное устройство. А поскольку ядро находится в суперпозиции, значит, кот одновременно и жив, и мертв. В нашей классической реальности такое совмещение невозможно, поэтому перед глазами наблюдателя, открывшего ящик, кот предстает живым или мертвым, а в закрытом ящике он «ни жив ни мертв».

«Квантование» Алисы

Эксперимент Шрёдингера, предназначенный подчеркнуть парадоксальность и даже абсурдность представлений квантовой механики, спроецированных на макромир, провоцирует следующий вопрос, уже не физический, а скорее мифо-поэтический: почему именно кот? Ученые, как правило, не задаются этим вопросом. На месте кота могло бы быть любое животное: мышь, собака, заяц, ящерица...

Я полагаю, что за этим физическим экспериментом стоит своя поэтическая логика. Возможно, кот появился из сказки «Алиса в стране чудес», которую Льюис Кэрролл написал в 1865 году, ровно за 70 лет до статьи Шрёдингера. Знаменитый чеширский кот обладает теми же волшебными свойствами, что и шрёдингеровский. Он есть, и его нет. Когда кот тает в воздухе, остается только улыбка, которая существует независимо от него.

Трудно сказать, насколько сознательно физик воспользовался изобретением сказочника, который по своей основной профессии, кстати, был математиком (Чарльзом Лютвиджом Доджсоном).

А может быть, наоборот, сказочник проник в тайны квантового мира задолго до его открытия в физике?

Неслышно девочка идет

По сказочной стране

И видит множество чудес

В подземной глубине.

Что если эта сказочная страна, куда попала Алиса, и есть прообраз квантового мира, впоследствии открытого физикой? Недаром девочке пришлось внезапно уменьшиться, чтобы вслед за кроликом юркнуть в его норку, и потом все уменьшаться и уменьшаться, выпивая волшебный напиток из красивого пузырька: 

Именно такое «квантование» героини и привело ее к встрече с котом, в поведении которого узнаются эффекты квантовых состояний – суперпозиций: «И вообще, прекратите так резко исчезать и появляться – голова уже кружится!» «Хорошо», – согласился Кот и стал исчезать, начиная с кончика хвоста, так медленно, что улыбка долго еще одиноко парила в воздухе. «Ну и ну! – подумала Алиса. – Кот без улыбки – это понятно, но улыбка без кота! Такое чудо я впервые в жизни вижу!»

Причем здесь кот?

У физиков в самом деле «кружится голова», когда они начинают следить за движением частиц, которые могут одновременно появляться в разных местах. Шрёдингерова притча о коте говорит нам примерно то же, что сам чеширский кот, об условиях бытия в квантовом мире с точки зрения классической науки: «Мы все здесь ненормальные. Я ненормальный. Ты ненормальная», – усмехнулся Кот».

Популяризаторы квантовой теории часто цитируют еще один эпизод из «Алисы»: «Лавка была битком набита всякими диковинками, но вот что странно: стоило Алисе подойти к какой-нибудь полке и посмотреть на нее повнимательней, как она тотчас же пустела, хотя соседние полки прямо ломились от всякого товара. 

– Какие здесь вещи текучие! – жалобно проговорила Алиса. Вот уже несколько минут, как она гонялась за какой-то яркой вещицей. То ли это была кукла, то ли – рабочая шкатулка, но в руки она никак не давалась. Стоило Алисе потянуться к ней, как она перелетала на полку повыше».

Эту неуловимость вещей сравнивают с невозможностью определить точное положение электрона в квантовом мире. (Подробно об «Алисе» в связи с проблемами современной науки и психологии рассказывается в книге Арнольда Минделла «Квантовый ум. Грань между физикой и психологией», 2002).

Трудно сомневаться, что «Алиса» была известна Шрёдингеру, и возможно, именно для того, чтобы высказать свое скептическое отношение к квантовой физике и ее парадоксам, он и решил прибегнуть к образу кота. При таком истолковании шрёдингеровская притча о живо-мертвом коте оказывается исполненной сарказма, поскольку отсылает к коту-предтече, чья улыбка была обращена к нашему бинарному здравому смыслу. Чеширский кот в «Алисе» не просто исчезает, пока улыбается, он сопровождает улыбкой само свое исчезновение, как бы посылая весть из чудесного мира, где все возможно, и издеваясь над самим классическим принципом реальности.

Такой же скрытый смех слышится и в притче-эксперименте Шрёдингера: вы, проповедники квантовых чудес, извольте принять кота и живым, и мертвым! Не случайно Шрёдингер начинает описание своего эксперимента на игривой ноте: «Можно построить и случаи, в которых довольно бурлеска. Некий кот заперт в стальной камере вместе со следующей адской машиной...».

Называя случай с котом «бурлескным», физик подчеркивает эстетический подтекст этого образа, в котором серьезный научный эксперимент снижается до шутки и даже шутовства. Так Шрёдингер хотел посмеяться над теоретической слабостью квантовой механикi, которая в применении к макромиру приводит к нелепейшим выводам.

Раздвоение миров

Однако по мере того как укреплялся авторитет квантовой механики и ее индетерминистской интерпретации, ухмылка шрёдингеровского кота приобретала иной смысл, более близкий кэрролловскому. Это уже издевка над классическим разумом взрослых, не понимающих, что мир сложнее наших представлений о нем и что в нем есть место и сказочному абсурду, и квантовым парадоксам. Это притча о магических основаниях науки, об удивлении как о способе познания, о конвергенции фэнтези и физики.

Об этом писал крупнейший методолог науки Пол Фейерабенд: «Познание... не есть ряд непротиворечивых теорий, приближающихся к некоторой идеальной концепции... а скорее представляет собой увеличивающийся океан взаимно несовместимых (быть может, даже несоизмеримых) альтернатив, в котором каждая отдельная теория, сказка или миф являются частями одной совокупности».

Знаменательно, что дальнейшее развитие квантовой механики приводит к уже наглядному появлению в ней самого чеширского кота. Именно так – «Квантовый Чеширский кот» (Quantum Cheshire Cat) – называется парадоксальное свойство некоторых частиц (нейтронов) отделяться от самих частиц, проявляться независимо от своих материальных носителей. Гипотеза была предложена английскими и израильскими учеными в 2010 году и подтверждена экспериментами в Венском технологическом институте в 2013 году.

Представим, что детский волчок начал вращаться, и вдруг вращение отделилось бы от самого волчка и стало бы происходить независимо от него. Точно так же квантовая система начинает «чеширничать» – вести себя так, как если бы частицы были пространственно отделены от своих магнитных свойств. Признаки микрообъектов обретают независимость и локальную удаленность от них самих.

Вообще кот – один из самых причудливых персонажей всемирной мифологии. Легенды связывают их с ведьмами и ворожбой, с тайнами ночи и лунного света. Считалось, что они обладают особым шестым чувством, могут проникать в потусторонний мир, общаться с духами и что у них девять жизней. Эта архетипика кошачьего магизма широко отразилась в художественной словесности, в том числе в «Мастере и Маргарите» Михаила Булгакова (кот Бегемот «неизвестно откуда взялся» примерно в то же время, в середине 1930-х, что и его экспериментальный собрат из ящика). 

Многомировая интерпретация квантовой механики, выдвинутая американским физиком Хью Эвереттом в 1950-е и разделяемая многими, если не большинством современных ученых, предлагает такое разрешение шрёдингерова парадокса: кот остается живым в одних мирах и мертвым – в других. О благополучной судьбе шрёдингерова кота в эвереттовских мирах пишет Джон Гриббин, досконально изучивший проблему: «Нам больше нечего беспокоиться о загадке кота... Мы знаем, что в нашем мире ящик содержит кота живого или мертвого, а в соседнем мире есть другой наблюдатель с таким же ящиком, где кот мертв или жив» (John Gribbin. In Search of Schrodinger's Cat: Quantum Physics and Reality.L.: Black Swan, 2012, p. 311.)

Сам момент наблюдения кота оказывается развилкой, где миры начинают раздваиваться, следуя парадоксальному распаду-нераспаду атомного ядра. У наблюдателей живого и мертвого кота тоже оказываются разные миры и разные судьбы.

Но об этом мы могли бы уже догадываться из чтения сказок, подобных кэрролловской. Научная притча Шрёдингера оказывается в ряду тех древних фантазий, которым в наше время суждено влиться в авангард самых дерзких научных теорий. Быть может, недаром Александр Пушкин поручил именно ученому коту роль сказочника во вступлении к «Руслану и Людмиле»: «Идет направо – песнь заводит, налево – сказку говорит. Там чудеса...». Такой волшебный кот действительно может служить прообразом фантастических открытий современной науки.

 

"Независимая газета". Приложение "Наука", 28.10.2015

http://www.ng.ru/science/2015-10-28/14_cat.html

Комментировать Всего 25 комментариев

Спасибо, Миша, очень остроумно и интригующе. Есть пара замечаний. Во первых, "крупнейший методолог науки Пол Фейерабенд", никому из моих коллег неизвестен а те, кто его знают, считают, как и я, шарлатаном. 

Во вторых, я думаю, что интерпретация Эверетта не является общепринятой. Впрочем, второе не так важно. 

Эту реплику поддерживают: Алексей Буров

Алеша, спасибо! Что касается Фейерабенда, то он, конечно, был хиппи от философии науки, анархист, критик методологии как таковой, экстремальный вариант Томаса Куна. Тридцать лет  — профессор философии в Беркли, огромное влияние и авторитет — в качестве ниспровергателя всех авторитетов. Закваска для брожения умов. 

Эту реплику поддерживают: Алексей Буров, Веста Спиваковская

Миша, вот именно такие "философы" сделали философию посмешищем для физики. Огромное влияние и авторитет среди кого? Среди таких же левых шарлатанов, как и он? Какие авторитеты он ниспроверг, среди моих коллег никто об этом не слыхал.

Думаю, Алеша, что Миша прав, Фейерабенд был по своему хорош, ярок и интересен. Проблема была не в Фейерабенде, а немощи тех, кто мог бы ему противостоять, классических платоников. А вот что за напасть повлекла эту немощь, мне непонятно.

Алеша, разделяя твою оценку Фейерабенда, замечу, что Ли Смолин с восторгом вспоминает свои встречи с ним. С твоей оценкой маловажности вопроса о популярности эверетовской интерпретации не соглашусь. Если согласиться с Эвереттом, то со свободой воли надо распрощаться. Для того его интерпретация и была придумана. А это один из наиважнейших вопросов. 

И что же Ли Смолин у него почерпнул? Пока не будет какого нибудь способа проверить, какая интерпретация верна, я имею право не задумыватьъся про эти "множество миров".

И, кстати, как можно "распрощаться" со свободой воли? Перестать принимать решения? 

Не думаю, что интерпретацию Эверетта можно научно проверить. Я ее отвергаю точно так же, как Эпикур отвергал детерминизм атомов, или, как Уильям Джеймс, первым актом свободы воли я утверждаю свободу воли. 

Насчет Смолина деталей не помню, у него об этом в "Trouble with Physics". Помню, что как-то весело там о Фейерабенде.

Эту реплику поддерживают: Alexei Tsvelik

Фейерабенд в статье задет по касательной. А вот насколько мысленный эксперимент Шредингера относится к разряду  "бурлесков", литературных образов и встает в один ряд с чеширским котом Кэрролла - это, действительно,  вопрос. И насколько теория и сказка могут принадлежать к одной мыслительной парадигме. 

Шредингер предложил своего кота как reductio ad absurdum копенгагенской интерпретации квантовой механики. Его статья вышла в том же году и вслед публикации парадокса Эйнштейна-Подольского-Розена (ЭПР), в плане углубления дискуссии. Я бы не стал говорить, что Шредингера навел на мысль Кэрролл; в 35 году, да еще и после ЭПР, парадокс типа шредингеровского кота почти лежал на поверхности. Поэтому я бы сказал наоборот: Чеширский кот Кэрролла гениально предугадал квантовую реальность. 

Но почему именно кот? Могло бы быть любое другое животное...

Как-то очевидно, что тут должен был быть именно кот, Миша. Речь ведь шла о странных, загадочных вещах. В котах, как ни в каком ином животном, есть странность, загадочность, и вместе с тем они домашние, кота всегда можно взять и куда-то поместить. Волка вот не возьмешь. Щуке нужна вода, да и поймай ее еще. Собаки или курицы не столь загадочны. Нет, только кот и годился. 

Эту реплику поддерживают: Сергей Любимов

Вот и получается, что Кэрролла и Шредингера вел (вдохновлял, подзуживал) один архетип ("кот"). А воплощение его в сказочный образ или мысленный физический эксперимент —  уже вторичное разделение. 

Эту реплику поддерживают: Михаил Аркадьев

Соглашусь, но с оговоркой насчет вторичности, Миша. Сказочный образ оказался гениальным (единственным?) предвидением новой реальности, а мысленный физический эксперимент—шагом осмысления этой реальности, уже открывшейся гениям научной революции. Архетип кота оказался очень созвучным этой странной новизне. Настолько, что даже и без конкурентов.

Тогда мб. не лишена резона мысль Фейерабенда о том, что теория, сказка и миф - "части  одной совокупности", одной стратегии познания?

Эту реплику поддерживают: Сергей Любимов

Не думаю, что сказка и миф были частями стратегии познания. Стратегию выбирают, взвешивают, сравнивают с альтернативами. Образ же кота, как я понимаю, был единственным само собой разумеющимся образом для Шредингера, он вошел без спроса и без конкурентов, сам собой, в шредингеровскую мысль. Вошел, расположился, да так там и живет до сих пор. Позже Вигнер переформулировал условия этого опыта, убрав кота и ампулу с ядом, введя измерительный прибор вместо ампулы и своего друга, считывающего показание прибора, вместо кота. Если бы существовало табу на помещение котов в ящики с угрозой для их жизни, парадокс все равно был бы сформулирован—с мышью, с другом Вигнера, или еще как. 

Да что квантовая физика! Кот Ричарда Уиттингтона, трижды становившегося лорд-мэром Лондона,  сыграл решающую роль в становлении  его хозяина!) А хозяин, согласно легенде, по бедности, продал кота, отправив его за океян, выручил, гм, немалые деньги  и принёс удачу.  Скульптура кота установлена на  Хайгейт Хилл,  на том же камне, где сидел бедный Дик...  Несколько лет я жил неподалёку  от этой скульптуры. С дочерью и сыном мы останавливались  у этого кота всякий раз, когда шли играть в теннис в Хайгейтский парк. У детей был вопрос -  почему он такой несчастный. В самом деле, кот, в отличие от шрёдингерова, не улыбается и выглядит основательно перепуганным. Ещё бы! Такое  пережить! Что правда  в истории этой кошки, что нет, мы с детьми особо не разбирались. Правда, читали  Оскара Уайльда  "Дик Уиттингтон  и его кошка", Шарля Перро... Так что коты   притягивали  не только физиков... Впрочем, тема котов  на "Снобе" разработана  весьма основательно. Бог даст,  любители котов ещё заявят тут о себе. Если их не остановит серьёзность темы)!

Эту реплику поддерживают: Алексей Буров

T.S. Eliot, "The Naming Of Cats"

Ну, раз уж зашла речь о котах, то... 

The Naming of Cats is a difficult matter,

It isn't just one of your holiday games;

You may think at first I'm as mad as a hatter

When I tell you, a cat must have

THREE DIFFERENT NAMES.

First of all, there's the name that the family use daily,

Such as Peter, Augustus, Alonzo or James,

Such as Victor or Jonathan, George or Bill Bailey—

All of them sensible everyday names.

There are fancier names if you think they sound sweeter,

Some for the gentlemen, some for the dames:

Such as Plato, Admetus, Electra, Demeter—

But all of them sensible everyday names.

But I tell you, a cat needs a name that's particular,

A name that's peculiar, and more dignified,

Else how can he keep up his tail perpendicular,

Or spread out his whiskers, or cherish his pride?

Of names of this kind, I can give you a quorum,

Such as Munkustrap, Quaxo, or Coricopat,

Such as Bombalurina, or else Jellylorum-

Names that never belong to more than one cat.

But above and beyond there's still one name left over,

And that is the name that you never will guess;

The name that no human research can discover—

But THE CAT HIMSELF KNOWS, and will never confess.

When you notice a cat in profound meditation,

The reason, I tell you, is always the same:

His mind is engaged in a rapt contemplation

Of the thought, of the thought, of the thought of his name:

His ineffable effable

Effanineffable

Deep and inscrutable singular Name.

("Old Possum's Book of Practical Cats" (1939))

Вот еще одна нестандартная аналогия квантовой теории с Люисом Кэроллом 

Ссылка

Михаил Аркадьев Комментарий удален автором

Миша, спасибо за ссылки. Об этой программе "Квантовый Чеширский кот" говорится в статье.  

Да, Миша, увлекся и продублировал, убираю. 

Физика как гуманитарная наука

Реплика Бориса Цейтлина:

"Ваш пост хорошо "ложится" на давнюю мою мысль о том, что физика наука гуманитарная. Что, если интерпретация эксперимента и даже сама постановка оного на самом деле отображают не микроструктуру естества, а состояние культуры, коей причастны физики?

Сходная мысль высказана в известной Вам книге  Вячеслава Шевченко "Прощальная перспектива".

Физика получается, если все внутренние проблемы человека, возникающие

в игре его страстей, перенести вовне, в мир «природы» — туда, где их можно видеть, осязать, испытывать и связывать внешним “законом”. Природа, скованная таким законом, возвращается ему техникой".

"Движенья нет,"- сказал мудрец брадатый,

Другой же стал пред ним ходить.

Сильнее он не смог бы возразить,

Хвалили все ответ замысловатый...

Но ведь этих брадатых мудрецов ничем не проймешь, летай ты хоть на Марс, на Энцелад, открывай бозоны Хиггса, они все равно будут утверждать, что наука обращена только к самой себе и ничем, кроме самой себя не занимается, что открытые ею законы придуманы людьми, а значит есть функция состояния социума...

"Физика получается, если все внутренние проблемы человека, возникающие

в игре его страстей, перенести вовне, в мир «природы» — туда, где их можно видеть, осязать, испытывать и связывать внешним “законом”. Природа, скованная таким законом, возвращается ему техникой."

Это словоблудие, мания величия. Каким законом человеческих страстей скована природа ураганов? Как, руководствуясь такой "наукой", можно найти путь на Энцелад? Так и пути до ближайшего пивного ларька не найдешь, заблудишься.

Эту реплику поддерживают: Алексей Буров

Гуманитарное в физике—только драма отыскания ключа к постижению природы. Но как ключ, так и замки, им открываемые, не от человека, они были до человека и будут после него. Вселенная следует своим законам, независимо от того, что происходит в умах обитателей нашей планеты. На этой идее основана вся физика и вся техника. 

Эту реплику поддерживают: Alexei Tsvelik

Теперь жалею, что посещая недавно Цюрих, не нашла там дом Шредингера.. 

Благодарю за статью и интересные аллигории, сама недавно опубликовала статью про связь Кэрролла и Дали ( последний создал иллюстрации к "Алисе"). 

А тут - еще один синхрон про связь котов. )))