Неужели наконец-то пойман кот Шредингера? - Наука - zn.ua

Неужели наконец-то пойман кот Шредингера?

24 октября, 2008, 12:05 Распечатать

Первое сообщение об этом событии появилось в лучшем научном журнале мира Nature. Затем о нем написали западные газеты, казалось бы, далекие от физики, а тем более такой загадочной ее области, как квантовая механика...

Хочу успокоить всех почитателей кошачьих: в этом эксперименте ни один кот или кошка не пострадали.

Игорь Доценко

Первое сообщение об этом событии появилось в лучшем научном журнале мира Nature. Затем о нем написали западные газеты, казалось бы, далекие от физики, а тем более такой загадочной ее области, как квантовая механика. Например, «Франкфуртер Альгемайне цайтунг» посвятила ему целую полосу.

Для наших СМИ, часто скептически пишущих о достижениях украинских ученых, такое отношение европейцев к фундаментальным исследованиям очень показательно. Оно демонстрирует важную вещь — западное общество отдает себе отчет в том, что кардинальные проблемы человечества могут быть решены только с помощью науки. Поэтому неудивительно, что, к примеру, все европейские страны (кроме Украины, которая даже не вступила в ЦЕРН!) так единодушно выделяют средства на дальнейшее развитие гигантского коллайдера под Женевой. Они понимают: с этими исследованиями связана судьба их детей и внуков. Естественно, потому и непростая история с котом Шредингера нашла интерес у западных читателей.

Редакция отдела науки «Зеркала недели» обратилась к Игорю ДОЦЕНКО, выпускнику физического факультета Киевского национального университета, одному из авторов статьи в Nature, и директору Института физики НАН Украины, членкору НАНУ Леониду ЯЦЕНКО (он недавно побывал с докладом в Париже на научной конференции) с просьбой рассказать о работе, вызвавшей столь большой интерес на Западе.

Страсти на границе между двумя мирами

В начале прошлого века великие создатели новой физики — Бор, Шредингер, Гейзенберг, Дирак для объяснения многих фактов, находившихся в полном противоречии с классической физикой, развили так называемую квантовую механику. Для нее характерны совершенно не совместимые с привычным здравым смыслом понятия волновой функции, соотношения неопределенностей, квантования энергии и другие загадочные вещи.

Действительно, ну как смириться с тем, что частицы в микромире обладают способностью туннелировать, то есть фактически проникать сквозь стены. К тому же они имеют свойства двуликого Януса — могут быть одновременно и частицей, и волной. Но самое удивительное — они способны находиться одновременно в двух разных местах, и посторонний наблюдатель не может точно определить, где они находятся в данный момент.

Мистика! Такого не может быть по определению!.. Однако не спешите с выводами: за более чем три четверти века своего существования квантовая теория не только дала возможность объяснить многие явления, но также позволила предвидеть огромное количество новых, ранее не известных свойств поля и материи. Они легли в основу создания современной электроники. Поднося к уху мобилку, мы зачастую и не подозреваем, что в ней работают эти самые квантовые законы. Они вездесущи в компьютере, управляющих устройствах вашего автомобиля, самолета, нередко даже в детских игрушках. Поэтому сегодня правильность квантовой теории практически ни у кого из физиков не вызывает сомнений.

Принимая квантовую механику, мы, конечно же, обязаны согласиться и со всеми её противоречащими нашему повседневному сознанию последствиями. Одним из них, возможно, наиболее трудным для восприятия является фундаментальное для квантовой механики понятие квантовой суперпозиции, когда один объект или система имеет одновременно несколько свойств, взаимоисключающих друг друга…

Это все было настолько неприемлемо с точки зрения здравого смысла, что даже великий Альберт Эйнштейн (кстати, один из творцов квантовой физики) никак не мог смириться с законами микромира. Говорят, что неприятие некоторых положений квантовой механики и одновременно подтверждение их реальности дальнейшим развитием физики не давало ему покоя даже перед кончиной…

Создателей квантовой механики не могла не тревожить вся неестественность положения, когда их науку не то что понять, но и представить невозможно. А поскольку физикам-теоретикам чаще всего не чуждо тонкое чувство юмора, они для объяснения своих парадоксов начали вводить парадоксальных персонажей. С их помощью они попытались облегчить муки непонимания для неофитов. Так, чтобы как-то помочь разобраться в том, как ведут себя обитатели микромира, появился кот Шредингера.

С помощью парадоксального мысленного опыта немецкий теоретик хотел обратить внимание коллег на неполноту квантовой механики и необходимость четче представить себе, что происходит, когда квантовая система перестает существовать как некое смешение двух состояний и выбирает одно конкретное. То есть описать процесс, когда система переходит из микросостояния в макро.

Кот должен был помочь внести ясность в следующий вопрос: если квантовая теория верна и на микроскопическом уровне существование квантовой суперпозиции состояний доказано, то почему же мы не наблюдаем его в нашем макроскопическом мире?

Мертво-живые коты в мире двуликих атомов

Авторам, публикующимся в журнале Nature, сразу же предлагают написать популярную статью для СМИ, так как известно, что к авторитетным публикаци­ям в этом издании западная пресса проявляет исключительный интерес. Вот как Игорь Доценко в таком пресс-релизе описал мысленный эксперимент с котом Шредингера.

«Впервые этот вопрос был поставлен ещё в 1935 году одним из основателей квантовой механики физиком Эрвином Шредин­гером. В нашумевшем мысленном эксперименте он представил условную ситуацию, когда в закрытую коробку помещены один радиоактивный атом, ампула с ядом, некий механизм, разбивающий эту ампулу, как только атом распадётся и излучит радиацию, и... обычный кот. Причем радиоактивный атом подобран такой, что время его полураспада, скажем, составляет час. Это означает, что если бы у нас было много таких атомов, то через час половина из них испустила бы радиацию, а вторая половина осталась бы в исходном состоянии.

В случае одного атома в ящике с кошкой, согласно законам квантовой механики, через час атом будет одновременно находиться с равной вероятностью в своём первоначальном не распавшемся состоянии и в конечном распавшемся состоянии. Поскольку смертельный механизм в коробке срабатывает со стопроцентной вероятностью при излучении атомом радиации, то и кот будет находиться в весьма странном с точки зрения состоянии мёртвый-и-живой одновременно. Такое состояние кота противоречит всем нашим представлениям об окружающем мире с его не квантовыми кошками и котами. Этот парадокс получил название кота Шредингера и стал знаменит не только в ученом мире, но и среди широкой публики. В США, например, знакомство с ним входит даже в школьную программу, где физику особо не жалуют».

Тем не менее три четверти века споров вокруг кота Шредин­гера в физике оставило много темных пятен в его биографии. Самое трудное было в том, чтобы все-таки выяснить, как он ведет себя при переходе из микроскопического мира в наш, макроскопический. Одна из существующих теорий приписывает ответственность за отсутствие квантовых свойств у макроскопических объектов так называемому явлению декогерентности, которое происходит благодаря неизбежной утечке информа­ции об исследуемой системе в окружающую её среду. Если мы, к примеру, будем непрерывно подглядывать за котом в коробке, то всегда с полной уверенностью будем знать, жив он или нет, и, таким образом, будет устранена всякая неопределённость, навязываемая нам квантовым миром. Более того, оказывается, что нам необязательно лично наблюдать за объектом, ведь окружающая его среда прекрасно справляется с этим и без нас. Так, электромагнитное излучение исследуемого объекта, его гравитационное поле, даже просто взаимодействие с молекулами воздуха непрерывно приводят к утечке информации о его текущем состоянии, не оставляя нам ни единого шанса наблюдать окружающие нас вещи в квантовых состояниях.

Из сказки в науку и обратно…

Ради справедливости следует отметить, что впервые котов для объяснения всяких научных хохм использовал известный английский математик, автор «Алисы в стране чудес» Льюис Кэрролл. Это он придумал Чеширского кота, который умел исчезать так, что от него оставалась только одна улыбка. Вряд ли знал великий выдумщик, что этим котом он обрисовал контуры квантовой механики, о которой к тому времени еще никто и не подозревал, так как она будет создана только полвека спустя.

Тем не менее лиха беда начало — с тех пор коты начали гулять по научным книгам, помогая ученым разобраться в том, в чем они еще не до конца разобрались сами. Надо ли говорить, что котам несказанно обрадовались научные фантасты.

Фантастика и наука — соединяющиеся сосуды. Так, в романе Лукьяненко «Последний дозор» у главного героя на шею накинута удавка под символическим названием «кот Шредингера». Эта загадочная тварь рьяно реагирует на сверхъестественные способности, и ей удается усмирять конвоируемого мага.

Роберт Хайнлайн в книге «Кот, проходящий сквозь стены» вводит кота Пикселя и без всякого стеснения называет котом Шредингера. На­до ли после этого удивляться, что он легко проходит сквозь стены?

Чтобы оценить прелесть такой фантастики, нужно быть, по крайней мере, p.h.d. по современной физике. Иначе кто поймет роман Фредерика Пола, сюжет которого построен на идее взаимодействия соседних Вселенных, основанной на… коллапсе волновой функции.

Американские авторы телевизионных серий смело включают кота Шредингера в качестве героя даже в массовые боевики. Видимо, они считают, что рассказа о нем в школьной программе достаточно, чтобы можно было разобраться в тонкостях квантовой физики. Например, в одной из серий телевизионной эпопеи «Место преступления: Лас-Вегас» сыщики находят могилу… кота Шредингера рядом с трупами престарелых хозяев.

Кот продолжает свое шествие по страницам романов, киносериалов, а в последнее время и по страницам газет. Сегодня на воору­жение его взяли политические жур­налисты. Таким своеобразным котом они называют Ким Чен Ира, о котором не известно, жив он или нет. Наиболее известных и засекреченных террористов теперь нередко нарекают «тер­рористами Шредингера», ведь, как правило, никто не может поручиться, живы они в настоящий момент или нет. Наверное, более всего эта метафора подходит Усаме бин Ладену.

Коты помогут… кибернетикам

— У Игоря великолепная база для занятий фундаментальной наукой, — рассказал Леонид Яценко. — Он сделал прекрасную диссертацию по манипулированию одиночными атомами в университете Бонна. После окончания аспирантуры и защиты перешел на работу в очень хорошую лабораторию Ecole Normale Superieur во Фран­ции. Эту школу основал еще Напо­леон. Она знаменита — здесь работали восемь лауреатов Нобе­лев­ской премии! Эта физическая лаборатория считается одной из самых передовых в мире.

Группа физиков во Франции, в которую попал Игорь, занимается фундаментальными исследованиями. Фактически здесь проверяют самые запутанные положения квантовой механики. Заду­мали они и этот эксперимент по проверке кота Шредингера.

Если честно, считает Леонид Яценко, чисто внешне установка французских физиков, задуманная еще в 90-х годах, не производит особого впечатления. Однако она позво­ляет проверять тонкие положения квантовой теории. Еще до приезда Игоря во Франции провели эксперимент, который наглядно показал, как… фотон живет в резонаторе. Уста­новка позволяет наблюдать за путешествиями одного фотона в камере и даже регистрировать в деталях момент его смерти, когда он поглоща­ется сверхпроводящим зеркалом.

Для того чтобы экспериментально воссоздать кота Шредин­гера и про­следить за его поведением, нуж­но выполнить два условия: выбрать под­ходящий объект с классичес­кими свойствами и идеальным образом изолировать его от окружающего мира. Исследовательской группе в Париже, в состав которой входил Игорь До­цен­ко, недавно уда­лось запереть свет в фотонной коробке, представляющей собой микро­волно­вый резонатор из двух зеркал с очень высоким коэффициентом отражения, между которыми, мно­гократно отражаясь, может быть удержан свет. Посылая через световое поле атом в определённом квантовом состоянии, учёным уда­лось пригото­вить свет в состоянии кота Шрединге­ра, представляющем в данном случае суперпо­зицию двух классических полей с различными фазами (аналогичных двум различным состояниям кошки: «живая» и «мёртвая»).

Для визуализации состояния света была использована так называемая функция Вигнера, которая является одним из основополагающих понятий квантовой механики. Для поля в резонаторе она представляет собой нечто похожее на трёхмерную географическую карту местности с вершинами, равнинами и впадинами. Для классических полей, одним из примеров которых является лазер­ное излучение, на карте имеется только одна вершина в точке, соответствующей наиболее вероятным значениям амплитуды и фаз поля.

Для квантовых полей карта состояния является менее тривиальной — наряду с вершинами на ней также появляются области быстро чередующихся пиков и впадин. В случае светового кота Шредингера, приготовленного в парижском эксперименте, на карте обнаружены две вершины, указывающие на две классические составляющие этого состояния, отличающиеся фазами. Кроме того, между ними была обнаружена область с квантовыми осцил­ляциями, доказывающая наличие состояния «живой-и-мёртвый» исследуемого светового поля.

Как и ожидалось, наблюдение за эволюцией этого квантового состояния показывает: осцилляции со временем быстро угасают, и на карте остаются только две классические вершины. Таким образом, от квантового состояния «живой-и-мёртвый» система перешла в классическое состояние «живой-или-мёртвый». Эта метаморфоза происходит за время, необходимое для потери хотя бы одного фотона светового поля из фотонной коробки. Конечно же, чем больше размер нашего «кота», тем короче время потери хотя бы одного фотона. В случае же настоящего кота это время можно смело считать равным нулю.

Полученные результаты нашли отражение не только в первом полном «фотографическом» изображении шре­дингерского кота в фотонной коробке, но и в отснятом фильме о его плавной эволюции от квантовой суперпозиции к классической смеси двух состояний.

Кроме попыток ответить на фундаментальные вопросы, проведённые исследования могут помочь решить и целый ряд прикладных проблем. В относительно молодой области науки, известной как теория квантовой информации, учёные рассматривают возможность использования квантовых битов, или кубитов, для выполнения ряда сложных вычислительных задач. В отличие от обычных компьютерных битов с двумя возможными значениями «0» и «1», кубиты могут также находиться в суперпозиции этих двух состояний.

В настоящее время идёт поиск эффективных механизмов квантовой обратной связи, которые позволят поддерживать в реальном времени неклассические свойства материи, крайне необходимые для осуществления операций с квантовой информацией.

Оставайтесь в курсе последних событий! Подписывайтесь на наш канал в Telegram
Заметили ошибку?
Пожалуйста, выделите ее мышкой и нажмите Ctrl+Enter
Добавить комментарий
Осталось символов: 2000
Авторизуйтесь, чтобы иметь возможность комментировать материалы
Всего комментариев: 0
Выпуск №15, 21 апреля-27 апреля Архив номеров | Содержание номера < >
Вам также будет интересно