Чему может научить нас кот Шрёдингера в связи с квантовой механикой? — Джош Самани

Смотреть урок полностью: http://ed.ted.com/lessons/what-can-schrodinger-s-cat-teach-us-about-quantum-mechanics-josh-samani

Классическая физика, с которой мы сталкиваемся в повседневном макроскопическом мире, сильно отличается от квантовой физики, которой подчиняются системы гораздо меньшего размера (вроде атомов). Странность квантовой физики может быть продемонстрирована на замечательном примере мысленного эксперимента с котом Шрёдингера. Джош Самани через этот эксперимент подводит нас к понятию квантовой запутанности.

Урок — Джош Самани, анимация — Дан Пинто.

Представьте себе,
что вы бросили мяч в воздух.

Вы можете предсказать движение мяча,

после того как он
отделится от вашей руки?

Конечно, это легко.

Мяч будет подниматься до тех пор,

пока не достигнет наивысшей точки,

после чего он начнёт падать,
пока не окажется снова в вашей руке.

Конечно, именно это и случится,

и вы знаете это, так как встречали
такие явления множество раз.

Вы наблюдали физику
каждодневных явлений всю вашу жизнь.

Но представим себе,
что мы изучаем вопрос,

касающийся физики атомов:

как будет выглядеть
движение электрона

вокруг ядра атома водорода?

Можем ли мы ответить на этот вопрос

на основании наблюдений
каждодневной физики?

Конечно же нет. Почему?

Потому что физика,

управляющая поведением систем
настолько маленького размера

сильно отличается
от физики макроскопических объектов,

которые вы видите
постоянно вокруг вас.

Повседневный мир,
который вы любите и знаете,

подчиняется законам
классической механики.

Но системы атомной величины

подчиняются законам
квантовой механики.

Этот квантовый мир
оказывается очень странным местом.

Странность квантового мира

демонстрируется известным
мысленным экспериментом:

это кот Шрёдингера.

Физик, которому не особо нравятся кошки,
помещает кота в коробку

вместе с бомбой,
которая взрывается с вероятностью 50%,

после того как закрыли крышку.

До того, как мы откроем коробку,
нет способа узнать,

взорвалась ли бомба,

и, как следствие, мы не знаем,
жив кот или мёртв.

В квантовой физике мы можем сказать,
что до нашего наблюдения

кот находился
в состоянии суперпозиции.

Он был ни жив, ни мёртв,

а, скорее, находился в состоянии,
сочетавшем обе возможности,

с 50% шансом для каждой.

Нечто подобное случается

с физическими системами
квантовых размеров,

вроде электрона, вращающегося
вокруг атома водорода.

Электрон не совсем вращается.

Он как-бы находится
во всём пространстве одновременно,

с большей вероятностью
находиться в некоторых местах,

и только после того, как мы
определяем его местоположение,

мы можем точно указать,
где он находится в этот момент.

Так же, как мы не знали,
был ли кот жив или мёртв,

до того как мы открыли коробку.

Это подводит нас
к странному и красивому феномену

квантовой запутанности.

Представим себе, что вместо
одного кота в одной коробке

у нас было бы два кота
в двух разных коробках.

Если мы повторим
эксперимент с котом Шрёдингера

с парой этих котов,

в результате эксперимента
могут быть четыре возможности:

либо оба кота будут живы,
либо оба мертвы,

или один будет жив,
другой мёртв, и наоборот.

Система из двух котов также находится
в состоянии суперпозиции,

с вероятностью каждого результата
25%, а не 50%.

Но вот в чём изюминка:

квантовая механика
даёт нам возможность

отбросить из состояния суперпозиции
результаты,

при которых оба кота мертвы
или оба кота живы.

Другими словами, возможна
такая система из двух котов,

в которой в итоге всегда
один из котов будет мёртв, а другой жив.

Пользуясь техническими терминами,

можно сказать, что состояния
этих двух котов запутаны.

Но в квантовой запутанности

есть кое-что
поистине сногсшибательное.

Если вы создадите
систему из двух котов в коробках

в этом состоянии запутанности,

а затем поместите коробки
на противоположных концах вселенной,

результат эксперимента
будет таким же.

Один из котов, в любом случае,
будет жив, а другой – мёртв,

хотя какой конкретно кот будет жив,
а какой мёртв,

совершенно непредсказуемо

до того, как мы выясним результат.

Как такое возможно,

что состояния котов
на противоположных концах вселенной

могут быть так запутаны?

Они находятся
слишком далеко друг от друга,

чтобы успеть
связаться друг с другом.

Как же получается,
что две бомбы взаимодействуют так,

чтобы одна взорвалась,
а другая — нет?

Вы можете подумать:

«Это очередная
теоретическая белиберда.

Такого рода вещи не могут
происходить в настоящем мире».

Но оказывается,
что квантовая запутанность

была подтверждена
в настоящих лабораторных экспериментах.

Две субатомные частицы
запутаны в состоянии суперпозиции так,

что если одна вращается в одну сторону,
то другая — в другую.

Они будут себя вести так,
даже если нет никакого способа

передать информацию
от одной частицы к другой

о том, в какую сторону вращаться,
подчиняясь правилам запутанности.

Неудивительно,
что запутанность находится в центре

квантовой информатики,

развивающейся области науки,

изучающей, как использовать
законы странного квантового мира

в макроскопическом мире,

как, скажем, в квантовой криптографии,
позволяющей шпионам

надёжно посылать друг другу информацию,

или в квантовом программировании,
чтобы взламывать секретные коды.

Каждодневная физика может стать

более похожей на странный мир
квантовой механики.

Квантовая телепортация
сможет достигнуть такого прогресса,

что однажды ваш кот сможет сбежать
в более безопасную вселенную,

где нет физиков и коробок.