» » » » » » Paradoxuri ale mecanicii cuantice: Pisica lui Schrödinger

Paradoxuri ale mecanicii cuantice: Pisica lui Schrödinger

Pisica lui Schrodinger
Sursa: https://en.wikipedia.org/wiki/File:Schrodingers_cat.svg 

(Pisica lui Schrödinger: o pisică, un vas cu otravă și o sursă radioactivă sunt plasate într-o cutie închisă. Dacă un monitor intern (de exemplu, un contor Geiger) detectează radioactivitatea (adica un singur atom deintegrat), vasul este spart, eliberând otrava care va omorî pisica. Interpretarea de la Copenhaga a mecanicii cuantice presupune că, după un timp, pisica este simultan vie și moartă. Dar, atunci când cineva se uită în cutie, vede pisica fie vie, fie moartă, nu și vie și moartă. Se pune întrebarea: când se termină exact suprapunerea cuantică și realitatea colapsează într-o posibilitate sau în cealaltă?)

Pisica lui Schrödinger este un experiment de gândire, uneori descris ca un paradox, conceput de fizicianul austriac Erwin Schrödinger în 1935. El ilustrează ceea ce el a văzut ca fiind problema interpretării de la Copenhaga a mecanicii cuantice aplicată obiectelor de zi cu zi. Scenariul prezintă o pisică care poate fi simultan atât vie cât și moartă, o stare cunoscută sub numele de suprapunere cuantică, ca urmare a faptului că este legată de un eveniment subatomic aleatoriu care poate sau nu să apară. Experimentul de gândire este adesea prezentat în discuțiile teoretice ale interpretărilor mecanicii cuantice. Schrödinger a inventat termenul Verschränkung (inseparabilitate) în cursul dezvoltării experimentului de gândire.

Origine și motivație

Pisica lui Schrödinger
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Schroedinger_cat.jpg

(Pisica din realitate în grădina din Huttenstrasse 9, Zurich, unde Erwin Schrödinger locuia între anii 1921-1926. În funcție de condițiile de lumină, pisica apare fie vie, fie moartă. )

Schrödinger și-a propus experimentul de gândire ca o discuție a articolului EPR-numit după autori Einstein, Podolsky și Rosen – din 1935. Articolul EPR a subliniat natura bizară a suprapunerilor cuantice, în care un sistem cuantic cum ar fi un atom sau un foton există ca o combinație de stări multiple care corespund diferitelor rezultate posibile. Teoria dominantă, numită interpretarea de la Copenhaga, a spus că un sistem cuantic rămâne în suprapunere până când intervine sau este observat de lumea exterioară. Când se întâmplă acest lucru, suprapunerea colapsează într-una sau alta dintre stările posibile. Experimentul EPR a arătat că un sistem cu particule multiple separate de distanțe mari ar putea fi într-o astfel de suprapunere. Schrödinger și Einstein au făcut schimb de scrisori despre articolul EPR al lui Einstein, pe parcursul căruia Einstein a subliniat că starea unui butoi instabil cu praf de pușcă va conține, după un timp, o suprapunere a stărilor explodat și neexplodat.

Pentru a ilustra în continuare, Schrödinger a descris modul în care ar putea, în principiu, să creeze o suprapunere într-un sistem de mari dimensiuni, făcându-l dependent de o particulă cuantică care se afla într-o suprapunere. El a propus un scenariu cu o pisică încuiată într-o cameră de oțel, în care starea vie sau moartă a pisicii depinde de starea unui atom radioactiv, indiferent dacă a fost dezintegrat și a emis radiații sau nu. Potrivit lui Schrödinger, interpretarea de la Copenhaga implică faptul că pisica rămâne atât vie cât și moartă până când starea sa a fost observată. Schrödinger nu a dorit să promoveze ideea unei pisici atât moartă cât și vie ca o posibilitate serioasă; dimpotrivă, el intenționa să dea exemplul pentru a ilustra absurditatea viziunii existente a mecanicii cuantice. Cu toate acestea, încă de pe vremea lui Schrödinger, alte interpretări ale matematicii mecanicii cuantice au fost avansate de fizicieni, dintre care unele privesc suprapunerea pisicii „vie și moartă” ca fiind reală. Considerată ca o critică a interpretării de la Copenhaga (ortodoxia dominantă în 1935), experimentul de gândire al pisicii lui Schrödinger rămâne o piatră de hotar definitorie pentru interpretările moderne ale mecanicii cuantice. Fizicienii folosesc adesea modul în care fiecare interpretare se referă la pisica lui Schrödinger ca pe o modalitate de a ilustra și de a compara caracteristicile, punctele forte și slăbiciunile fiecărei interpretări.

Experimentul de gândire

Schrödinger a scris:

”Pot apare chiar cazuri ridicole. O pisică este introdusă într-o cameră de oțel, împreună cu următorul dispozitiv (care trebuie asigurat împotriva interferenței directe a pisicii): într-un contor Geiger există o mică cantitate de substanță radioactivă, atât de mică încât este posibil ca în decursul unei ore unul din atomi să se dezintegreze, dar, de asemenea, există o probabilitate egală ca niciun atom să nu se dezintegreze; dacă se întâmplă, tubul dcontorului se descarcă și, printr-un releu, eliberează un ciocan care sfărâmă un vas mic cu acid cianhidric. Dacă cineva a părăsit întregul sistem timp de o oră, ar putea spune că pisica mai trăiește dacă între timp niciun atom nu s-a deteriorat. Prima dezintegrare atomică ar fi otrăvit-o. Funcția psi a întregului sistem ar exprima acest lucru prin faptul că are în ea pisica atât vie cât și moartă (să se ierte expresia) amestecate în părți egale.

”Este tipic pentru aceste cazuri ca o nedeterminare inițial limitată la domeniul atomic devine transformată într-o indeterminare macroscopică, care poate fi apoi rezolvată prin observație directă. Asta ne împiedică să acceptăm atât de naiv ca valid un „model neclar” pentru a reprezenta realitatea. În sine, nu ar însemna nimic neclar sau contradictoriu. Există o diferență între o fotografie neclară sau defocalizată și o imagine obturată de nori și ceață.”

Experiența de gândire celebră a lui Schrödinger pune întrebarea: „Când se termină un sistem cuantic ca suprapunere a stărilor și ajunge în una sau alta?” (Mai tehnic spus, când starea cuantică reală încetează să mai fie o combinație liniară non-trivială de stări, fiecare dintre acestea semănând cu diferite stări clasice, și în schimb începe să aibă o descriere clasică unică?) Dacă pisica supraviețuiește, își amintește doar că este vie. Dar explicațiile experimentelor EPR care sunt în concordanță cu mecanica cuantică microscopică standard necesită ca obiectele macroscopice, cum ar fi pisicile și notebook-urile, să nu aibă întotdeauna descrieri clasice unice. Experimentul gândirii ilustrează acest paradox aparent. Intuiția noastră spune că niciun observator nu poate fi într-un amestec de stări – totuși, pisica, pare din experimentul de gândire, poate fi un astfel de amestec. Este oare necesar ca pisica să fie un observator, sau existența sa într-o singură stare clasică bine definită necesită un alt observator extern? Fiecare alternativă părea absurdă pentru Einstein, care a fost impresionat de capacitatea experimentului de gândire de a evidenția aceste probleme. Într-o scrisoare adresată lui Schrödinger din 1950, el a scris:

”Sunteți singurul fizician contemporan, pe lângă Laue, care vede că nu se poate ajunge la considerarea realității, dacă se judecă cinstit. Mulți dintre ei pur și simplu nu văd ât de riscant se joacă cu realitatea – realitatea ca ceva independent de ceea ce este stabilit experimental. Interpretarea lor este, totuși, refutată cel mai elegant de sistemul dvs. cu atomul radioactiv + amplificator + încărcătura de praf de pușcă + pisica într-o cutie, în care funcția psi a sistemului conține atât pisica vie cât și făcută bucăți. Nimeni nu se îndoiește că prezența sau absența pisicii este ceva independent de actul de observare.”

Rețineți că încărcătura de praf de pușcă nu este menționată în configurația lui Schrödinger, care folosește un contor Geiger ca amplificator și otravă hidrocianică în locul prafului de pușcă. Ideea prafului de pușcă a fost menționat în sugestia inițială a lui Einstein adresată lui Schrödinger cu 15 ani în urmă, iar Einstein a promovat-o în discuția prezentată.

Interpretarea de la Copenhaga

O interpretare frecventă a mecanicii cuantice este interpretarea de la Copenhaga. În interpretarea de la Copenhaga, un sistem nu mai este o suprapunere a stărilor și devine una sau alta când are loc o observare. Acest experiment de gândire evidențiază faptul că natura măsurării sau observării nu este bine definită în această interpretare. Experimentul poate fi interpretat în sensul că, în timp ce cutia este închisă, sistemul există simultan într-o suprapunere a stărilor „nucleu dezintegrat/pisica mortă” și „nucleul nedezintegrat/pisică vie”, și că doar atunci când cutia este deschisă și observarea este efectuată funcția de val colapsează într-una din cele două stări.

Cu toate acestea, unul dintre principalii oameni de știință asociați cu interpretarea de la Copenhaga, Niels Bohr, nu a avut niciodată în minte colapsarea funcției de undă a observatorului, deoarece nu a considerat funcția de undă ca fiind fizic reală, ci un instrument statistic; astfel, pisica lui Schrödinger nu era nicio enigmă. Pisica ar fi fie moartă, fie în viață, cu mult înainte ca să fie deschisă cutia de un observator conștient. Analiza unui experiment real a constatat că măsurarea singură (de exemplu, printr-un contor Geiger) este suficientă pentru a colapsa o funcție de undă cuantică înainte de a observa măsurarea conștientă, deși validitatea designului este contestată. Viziunea că „observația” este luată în considerație atunci când o particulă din nucleu lovește detectorul poate fi dezvoltată în teoriile colapsului obiectiv. Experimentul de gândire necesită o „observație inconștientă” de către detector pentru a se produce colapsul formei de undă. Dimpotrivă, abordarea multor lumi neagă că se produce vreodată colapsarea.

Aplicații și teste

(Superpoziția cuantică pentru pisica lui Schrödinger a stărilor și efectul mediului prin decoerență.)

Experimentul descris este unul pur teoretic, iar mașinăria propusă nu este cunoscută ca fiind construită. Cu toate acestea, au fost realizate experimentele de succes care implică principii similare de ex. suprapuneri de obiecte relativ mari (prin standardele fizicii cuantice). Aceste experimente nu arată că un obiect cu dimensiunile unei pisici poate fi suprapus, dar limita superioară cunoscută asupra „stărilor pisicii” a fost împinsă în sus de ele. În multe cazuri, starea este de scurtă durată, chiar și atunci când este răcită până aproape de absolut zero.

  • O „stare de pisică” a fost realizată cu fotoni.
  • Un ion de beriliu a fost prins într-o stare superioară.
  • Un experiment care implică un dispozitiv cu interferențe cuantice superconductoare („SQUID”) a fost legat de tema experimentului gândirii: „Starea suprapunerii nu corespunde la un miliard de electroni care curg într-o direcție și un miliard de alți electroni care curg invers. Electronii superconductori se mișcă în masă. Toți electronii superconductori din SQUID curg în ambele sensuri în jurul buclei, imediat ce se află în starea de pisică a lui Schrödinger.”
  • A fost construită o „furcă de tuning” piezoelectrică, care poate fi plasată într-o suprapunere de stări vibrante și care nu vibrează. Rezonatorul cuprinde aproximativ 10 trilioane de atomi.
  • S-a propus un experiment care implică un virus al gripei.
  • S-a propus un experiment care implică o bacterie și un oscilator electromecanic.

În calculul cuantic, expresia „starea pisicii” se referă adesea la inseparabilitatea specială al qubiților în care qubiții sunt într-o suprapunere egală toate fiind 0 și toate fiind 1; de exemplu,

|ψ› = 1/√2·(|00 … 0› + |11 … 1›).

Extensii

Prietenul lui Wigner este o variantă a experimentului cu doi observatori umani: primul face o observație cu privire la apariția unui fulger de lumină și apoi comunică observația lui unui al doilea observator. Întrebarea este, funcția de undă „colapsează” atunci când primul observator se uită la experiment sau numai când cel de-al doilea observator este informat despre observațiile primului observator?

Într-o altă extensie, fizicienii proeminenți au mers atât de departe încât să sugereze că astronomii care au observat energia întunecată din univers în 1998 ar fi „redus speranța acestuia de viață” printr-un pseudo-scenariu al pisicii lui Schrödinger, deși acesta este un punct de vedere controversat.

  1. […] (Pisica lui Schrödinger: o pisică, un vas cu otravă și o sursă radioactivă sunt plasate într-o cutie închisă. Dacă un monitor intern (de exemplu, un contor Geiger) detectează radioactivitatea (adica un singur atom deintegrat), vasul este spart, eliberând otrava care … Citeşte mai mult […]

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *