Исследуя зависимость энергии от частоты этих волн и температуры излучающего их тела, два английских физика, Джон Рэлей и Джеймс Джинс, в 1900 году пришли к парадоксальным результатам. Их выводы, получившие название «ультрафиолетовой катастрофы», гласили, что количество энергии, излучаемой телом с определенной площадью поверхности, должно равномерно расти с ростом частоты волны (или, что то же самое, — с уменьшением длины волны). А поскольку согласно известным на тот момент физическим законам горячее тело должно излучать электромагнитные волны всех возможных частот, от нуля до бесконечности, то и количество излучаемой энергии должно быть бесконечно большим.
В декабре того же года, чтобы избавиться от абсурдных выводов Рэлея и Джинса, немецкий физик Макс Планк предположил, что свет и другие волны не могут испускаться с произвольной интенсивностью — только в виде отдельных порций-квантов. Каждый квант излучения должен нести определенное количество энергии: чем короче волна, тем энергии больше. Позже оказалось, что гипотеза Планка блестяще согласуется со всеми известными экспериментальными данными.
В 1905 году Альберт Эйнштейн в предложенной им квантовой теории фотоэффекта развил гипотезу Планка и показал, что свет в виде квантов не только испускается, но и распространяется в пространстве и поглощается веществом. Эта идея Эйнштейна была экспериментально подтверждена в 1922 году опытами советских физиков А.Ф. Иоффе и Н.И. Добронравова.
В 1926 году немецкий физик Вернер Гейзенберг формулирует свой «принцип неопределенности», согласно которому для частицы невозможно одновременно точно измерить и координату, и скорость. Для этого нужно направить на нее свет, однако точность такого определения будет ограничена длиной световой волны. Чтобы повысить точность измерения, длина световой волны должна быть как можно короче. Но самая маленькая порция света — это как раз квант. Который, будучи поглощен частицей, передаст ей свою энергию и непредсказуемо изменит ее скорость. И чем короче будет длина световых волн, тем больше будет энергия кванта, а значит, скорость частицы будет изменяться сильнее. Получается, чем измерение точнее, тем оно менее точное.
Гейзенберг показал, что неопределенность положения частицы, умноженная на неопределенность ее скорости (и на массу частицы), не может быть меньше некоторого числа, которое называется постоянной Планка. Это соотношение выполняется для всех без исключения частиц и является фундаментальным свойством нашего мира. Поэтому, взяв его за основу, Вернер Гейзенберг вместе с австрийским физиком Эрвином Шредингером и английским физиком Полем Дираком создали новую теорию — квантовую механику. В ней частицы характеризуются не положением в пространстве и скоростью (недоступными для наблюдения), а некоторой комбинацией их неопределенностей, которая называется квантовым состоянием.
Классическая механика может заранее определенно предсказать, в каком состоянии будет находиться система в момент времени, если известно ее состояние в любой другой момент времени. Без этого не имели бы решений задачки из школьного учебника физики.
Квантовая механика вносит в науку неизбежный элемент непредсказуемости. Если мы проведем одно и то же измерение для большого числа систем, начальные состояния которых совпадают, то увидим, что в каком-то количестве случаев результат один, в каком-то — другой. Все, что мы можем, — предположить, с какой вероятностью система находится в том или ином состоянии, но что-то утверждать определенно можем только после проведения измерений.
В квантовой механике принято считать, что, пока над системой не проводится наблюдение, она существует как смешение всех возможных состояний (так называемое состояние суперпозиции), мгновенно переходя в одно из них в тот момент, когда мы начинаем за ней наблюдать. Это следует из копенгагенской интерпретации квантовой механики, которую сформулировали в 1927 году Вернер Гейзенберг и датский физик Нильс Бор. При этом четкого правила, когда именно происходит наблюдение, копенгагенская интерпретация не давала. Это очень беспокоило Шредингера, поэтому он предложил свой знаменитый мысленный эксперимент.
Возьмем ящик, который содержит радиоактивное ядро и емкость с ядовитым газом, и посадим в него кота. С вероятностью 1:2 ядро в течение часа может распасться, тогда емкость с газом откроется и кот погибнет. Если же распада ядра не произойдет, кот останется жив. Подождем час и зададимся вопросом: что стало с котом? Пока мы не заглянем внутрь, ядро должно будет находиться одновременно в двух состояниях — «распалось» и «не распалось», а значит, кот — и жив и мертв одновременно. Система перейдет в какое-нибудь одно конкретное состояние — либо «ядро распалось, кот мертв», либо «ядро не распалось, кот жив» — только после того, как мы откроем ящик.
Современная копенгагенская интерпретация утверждает, что когда мы заглянем в ящик, кот Шредингера будет однозначно жив (или мертв), потому что наблюдение, а следовательно, и выбор системой конкретного состояния, происходит тогда, когда частица распавшегося ядра попадает в детектор, открывающий колбу с газом, а не когда мы открываем крышку ящика.
Существуют и другие предположения, высказываемые в рамках других интерпретаций (ведь копенгагенская — отнюдь не единственная). Например, что когда ящик открывается, Вселенная расщепляется на две разные Вселенные, в одной из которых в ящике будет живой кот, а в другой — мертвый.
К сожалению ни одна интерпретация не может дать ответ на вопрос: почему кот? Ведь, описывая опыт в своей статье, вышедшей в 1935 году, Шредингер говорил о кошке.
Увидеть кота
Способность квантов существовать одновременно в нескольких состояниях теоретически делает возможным создание квантовых суперкомпьютеров, которые могут проводить вычисления с кубитами — такими единицами информации, которые одновременно равны 0 и 1.
4 октября стало известно об эксперименте ученых из американского университета Беркли, которые, собрав небольшую полупроводниковую цепочку, зациклили ее между значениями 1 и 0, а затем измерили частоту колебаний. При этом исследователи не знали (в этом суть эксперимента), какое именно значение принимал их «кубит» в тот или иной определенный момент времени. Они словно приоткрыли крышку ящика и взглянули на кота, который был одновременно и жив и мертв.