Кошка Шрёдингера имеет макроскопичность 57.
Schrödinger's cat has a macroscopicity of 57.
Насколько толстоножка у Шрёдингера кошка?
В последние годы физики обнаруживают все более и более крупные объекты в состояниях квантовой суперпозиции - курьезное состояние «кошка Шрёдингера» относится к таким состояниям. Теперь, исследователи в Германии придумали способ количественной оценки того, насколько макроскопические эти объекты и насколько далеки кошки и подобные им предметы от двух или более квантовых состояний в одно и то же время.
Знаменитый мысленный эксперимент Эрвина Шрёдингера описывает кошку в коробке, которая одновременно живая и мертвая, пока наблюдатель не посмотрит на нее. Это крайний пример квантового эффекта, называемого суперпозицией, в котором физическая система, такая как атом или фотон может существовать в двух или более квантовых состояниях, пока на ней не производится измерение. В то время как суперпозиция является обычным свойством микроскопического мира, оно никогда не наблюдалось в нашей повседневной жизни. Некоторые физики считают, что эта загадка решается квантовой механикой просто как разрушение этого эффекта выше определенного масштаба [размера]. Другие считают, что напротив, этот переход является более постепенным, и для больших квантовых объектов становится все труднее остаться в суперпозиции. Происходит это из-за влияния шума окружающей среды на квантовое состояние, в сущности, такому же, как и процесс проведения измерений.
Насколько велико большое?
Чтобы выяснить, как именно и где заканчивается квантовый мир и начинается классический, физики помещают все большие и большие объекты в состояние квантовой суперпозиции. К ним относятся группы атомов достигающих различных высот в атомном «фонтане», и большие молекулы, интерферирующие сами с собой в экспериментах, подобных двух щелевому. Наблюдались токи величиной в микроампер, текущие одновременно в противоположных направлениях в сверхпроводящей цепи.
Однако, не было однозначного показателя, чтобы физики могли сравнивать размеры или характеризовать «макроскопичность» различных экспериментов. Ранее исследователи определяли эту величину с точки зрения конкретных состояний системы, но этот подход не совсем объективен. Например, подсчет частиц в молекуле,- неясно, является ли критерием число атомов в молекуле или надо брать сумму всех протонов, нейтронов и электронов в ней.
Минимальная модификация
Недавно Стефан Нимрихтер (Stefan Nimmrichter) и Клаус Хорнбергер (Klaus Hornberger) из университета Дуйсбург-Эссен определили макроскопичность эксперимента, используя реализацию определенного квантового состояния, а не свойство самого состояния. Они придумали общее математическое выражение для описания минимальной модификации, необходимой, чтобы динамическое уравнение Шрёдингера уничтожило определенное квантовое состояние. Макроскопичность данного экспериментального результата затем определяется количеством таких модификаций, исключающих сам результат,- чем более макроскопичен результат, тем больше исключающих модификаций.
Эта схема основана главным образом на знании продолжительности, или «времени когерентности» суперпозиции, о которой идет речь, так как более длительная суперпозиция исключает большее число модификаций - как больших, связанных с более коротким временем когерентности, так и тех, что слабее их. Но масса объекта также важна - с более массивными молекулами, например, исключается более широкий класс модификаций, чем с более легкими для данного времени когерентности. Эти два параметра, вместе с третьим, связанным с масштабом суперпозиции, дают одно число, μ, в логарифмической шкале. Например, суперпозиция состояния объекта имеет такую же макроскопичность, что и одиночный электрон, существующий в суперпозиции в течение 10
μ
секунд.
Огромные молекулы
Нимрихтер и Хорнбергер нашли, что наиболее макроскопические суперпозиции на сегодняшний день были сделаны с использованием молекулы из 356 атомов. Проведенный в 2010 году в Венском университете этот эксперимент соответствует значению параметра μ равному 12. Исследователи также показывают, что атомные интерферометры дают высокие значения μ, но сверхпроводящие квантовые интерферометры (СКВИД), создавая многоэлектронные токи, получают более низкие значения, потому что их тонкие квантовые состояния длятся всего несколько наносекунд и потому, что электроны имеют малую массу по сравнению с атомами и молекулами.
Заглядывая в будущее, исследователи подсчитали, что с кластерами из около полумиллиона атомов золота можно достичь значения параметра μ до приблизительно 23. Но они подсчитали, что самоинтерференция наносфер из двуокиси кремния может привести к почти такой же высокой макроскопичности. Для исполнения эксперимента в этом случае используется двух щелевой интерферометр, концептуально более простой, чем в Венской группе, где требуется три отдельные дифракционные решетки. Однако, по словам Нимрихтера, это технически сложно, потому что предполагает уменьшение теплового движения наносферы до его нижнего квантового состояния, которое никто не смог еще сделать.
Сферическая кошка
Даже если такие препятствия смогут преодолеть, физикам все равно придется пройти не простой путь, прежде чем реализовать кошку Шрёдингера. Моделируя кошку 4 кг сферой воды и предполагая существование ее в течение одной секунды в суперпозиции одновременно сидящей в двух местах расположенных в 10 см друг от друга, Нимрихтер и Хорнбергер подсчитали, что этому соответствует значение параметра μ около 57. Нимрихтер отмечает, что это эквивалентно электрону, существующему в суперпозиции в течение 10
57
с, а это в 10
39
раз больше возраста Вселенной. «Никогда не следует говорить никогда», добавляет он, «но мы, вероятно, никогда не будем в состоянии поместить кошку в квантовую суперпозицию».
На самом деле, по словам Тони Леггета (Tony Leggett) из Университета штата Иллинойс в Урбана-Шампейн, эта пропасть между свойствами квантовых объектов, изучаемых в лаборатории и кошко-Шрёдинегеро-подобными объектами должна стать основой для любого определения макроскопичности. «Моя реакция такова, что в то время как идея этой статьи мудрая, но она не в том направлении», говорит он. «Вместо того, чтобы ссылаться на квантовую механику в формулировке макроскопичности, необходимо осознавать наше интуитивное различение от 'здравого смысла' электрона, находящегося в неопределенном состоянии и кошки, находящейся в неопределенном состоянии».
ENGLISH VERSION
НА ГЛАВНУЮ
