What can Schrödinger's cat teach us about quantum mechanics? - Josh Samani

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

Переводчик: Marina Cuzminschi Редактор: Natalia Savvidi

Consider throwing a ball straight into the air.

Представьте себе, что вы бросили мяч в воздух.

Вы можете предсказать движение мяча,

Can you predict the motion of the ball after it leaves your hand?

после того как он отделится от вашей руки?

Sure, that's easy.

Конечно, это легко.

The ball will move upward until it gets to some highest point,

Мяч будет подниматься до тех пор,

пока не достигнет наивысшей точки,

then it will come back down and land in your hand again.

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

Of course, that's what happens,

Конечно, именно это и случится,

and you know this because you have witnessed events like this countless times.

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

You've been observing the physics of everyday phenomena your entire life.

Вы наблюдали физику каждодневных явлений всю вашу жизнь.

But suppose we explore a question about the physics of atoms,

Но представим себе, что мы изучаем вопрос,

касающийся физики атомов:

like what does the motion of an electron

как будет выглядеть движение электрона

around the nucleus of a hydrogen atom look like?

вокруг ядра атома водорода?

Could we answer that question based on our experience with everyday physics?

Можем ли мы ответить на этот вопрос

на основании наблюдений каждодневной физики?

Конечно же нет. Почему?

Definietly not. Why?

Because the physics that governs the behavior of systems at such small scales

Потому что физика,

управляющая поведением систем настолько маленького размера

is much different than the physics of the macroscopic objects

сильно отличается от физики макроскопических объектов,

you see around you all the time.

которые вы видите постоянно вокруг вас.

The everyday world you know and love

Повседневный мир, который вы любите и знаете,

behaves according to the laws of classical mechanics.

подчиняется законам классической механики.

But systems on the scale of atoms

Но системы атомной величины

behave according to the laws of quantum mechanics.

подчиняются законам квантовой механики.

This quantum world turns out to be a very strange place.

Этот квантовый мир оказывается очень странным местом.

Странность квантового мира

An illustration of quantum strangeness is given by a famous thought experiment:

демонстрируется известным мысленным экспериментом:

Schrödinger's cat.

это кот Шрёдингера.

A physicist, who doesn't particularly like cats, puts a cat in a box,

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

along with a bomb that has a 50% chance of blowing up after the lid is closed.

вместе с бомбой, которая взрывается с вероятностью 50%,

после того как закрыли крышку.

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

Until we reopen the lid, there is no way of knowing

whether the bomb exploded or not,

взорвалась ли бомба,

and thus, no way of knowing if the cat is alive or dead.

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

In quantum physics, we could say that before our observation

В квантовой физике мы можем сказать, что до нашего наблюдения

the cat was in a superposition state.

кот находился в состоянии суперпозиции.

It was neither alive nor dead but rather in a mixture of both possibilities,

Он был ни жив, ни мёртв,

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

with a 50% chance for each.

с 50% шансом для каждой.

The same sort of thing happens to physical systems at quantum scales,

Нечто подобное случается

с физическими системами квантовых размеров,

like an electron orbiting in a hydrogen atom.

вроде электрона, вращающегося вокруг атома водорода.

The electron isn't really orbiting at all.

Электрон не совсем вращается.

It's sort of everywhere in space, all at once,

Он как-бы находится во всём пространстве одновременно,

with more of a probability of being at some places than others,

с большей вероятностью находиться в некоторых местах,

and it's only after we measure its position

и только после того, как мы определяем его местоположение,

that we can pinpoint where it is at that moment.

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

A lot like how we didn't know whether the cat was alive or dead

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

until we opened the box.

до того как мы открыли коробку.

This brings us to the strange and beautiful phenomenon

Это подводит нас к странному и красивому феномену

of quantum entanglement.

квантовой запутанности.

Suppose that instead of one cat in a box, we have two cats in two different boxes.

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

If we repeat the Schrödinger's cat experiment with this pair of cats,

с парой этих котов,

the outcome of the experiment can be one of four possibilities.

в результате эксперимента могут быть четыре возможности:

Either both cats will be alive, or both will be dead,

либо оба кота будут живы, либо оба мертвы,

or one will be alive and the other dead, or vice versa.

или один будет жив, другой мёртв, и наоборот.

The system of both cats is again in a superposition state,

Система из двух котов также находится в состоянии суперпозиции,

with each outcome having a 25% chance rather than 50%.

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

But here's the cool thing:

Но вот в чём изюминка:

quantum mechanics tells us it's possible to erase

квантовая механика даёт нам возможность

the both cats alive and both cats dead outcomes from the superposition state.

отбросить из состояния суперпозиции результаты,

при которых оба кота мертвы или оба кота живы.

In other words, there can be a two cat system,

Другими словами, возможна такая система из двух котов,

such that the outcome will always be one cat alive and the other cat dead.

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

The technical term for this is that the states of the cats are entangled.

Пользуясь техническими терминами,

можно сказать, что состояния этих двух котов запутаны.

But there's something truly mindblowing about quantum entanglement.

Но в квантовой запутанности

есть кое-что поистине сногсшибательное.

If you prepare the system of two cats in boxes in this entangled state,

Если вы создадите систему из двух котов в коробках

в этом состоянии запутанности,

then move the boxes to opposite ends of the universe,

а затем поместите коробки на противоположных концах вселенной,

the outcome of the experiment will still always be the same.

результат эксперимента будет таким же.

One cat will always come out alive, and the other cat will always end up dead,

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

хотя какой конкретно кот будет жив, а какой мёртв,

even though which particular cat lives or dies is completely undetermined

совершенно непредсказуемо

before we measure the outcome.

до того, как мы выясним результат.

How is this possible?

Как такое возможно,

How is it that the states of cats on opposite sides of the universe

что состояния котов на противоположных концах вселенной

can be entangled in this way?

могут быть так запутаны?

They're too far away to communicate with each other in time,

Они находятся слишком далеко друг от друга,

чтобы успеть связаться друг с другом.

so how do the two bombs always conspire such that

Как же получается, что две бомбы взаимодействуют так,

one blows up and the other doesn't?

чтобы одна взорвалась, а другая — нет?

You might be thinking,

Вы можете подумать:

"This is just some theoretical mumbo jumbo.

«Это очередная теоретическая белиберда.

This sort of thing can't happen in the real world."

Такого рода вещи не могут происходить в настоящем мире».

But it turns out that quantum entanglement

Но оказывается, что квантовая запутанность

has been confirmed in real world lab experiments.

была подтверждена в настоящих лабораторных экспериментах.

Two subatomic particles entangled in a superposition state,

Две субатомные частицы запутаны в состоянии суперпозиции так,

where if one spins one way then the other must spin the other way,

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

will do just that, even when there's no way

Они будут себя вести так, даже если нет никакого способа

for information to pass from one particle to the other

передать информацию от одной частицы к другой

indicating which way to spin to obey the rules of entanglement.

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

It's not surprising then that entanglement is at the core

Неудивительно, что запутанность находится в центре

of quantum information science,

квантовой информатики,

a growing field studying how to use the laws of the strange quantum world

развивающейся области науки,

изучающей, как использовать законы странного квантового мира

in our macroscopic world,

в макроскопическом мире,

like in quantum cryptography, so spies can send secure messages to each other,

как, скажем, в квантовой криптографии, позволяющей шпионам

надёжно посылать друг другу информацию,

or quantum computing, for cracking secret codes.

или в квантовом программировании, чтобы взламывать секретные коды.

Everyday physics may start to look a bit more like the strange quantum world.

Каждодневная физика может стать

более похожей на странный мир квантовой механики.

Quantum teleportation may even progress so far,

Квантовая телепортация сможет достигнуть такого прогресса,

that one day your cat will escape to a safer galaxy,

что однажды ваш кот сможет сбежать в более безопасную вселенную,

where there are no physicists and no boxes.

где нет физиков и коробок.