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Gatto quantistico del Cheshire. Il Gatto di Schrödinger: l'essenza in parole semplici La soluzione al paradosso del Gatto di Schrödinger: l'interpretazione di Copenhagen

Pagina corrente: 1 (il libro ha 20 pagine in totale) [passaggio di lettura disponibile: 14 pagine]

Giovanni Gribbin
Alla ricerca del gatto di Schrödinger. Fisica quantistica e realtà

Tutto questo non mi piace e mi rammarico di essere stato coinvolto in tutto questo.

Erwin Schrödinger 1887-1961

Niente è reale.

John Lennon 1940-1980

ALLA RICERCA DEL GATTO DI SCHRÖDINGER

Fisica Quantistica e Realtà

Traduzione dall'inglese di Z. A. Mamedyarova, E. A. Fomenko

Ringraziamenti

Il mio incontro con la teoria quantistica ebbe luogo più di vent'anni fa, ai tempi della scuola, quando scoprii che la teoria della struttura a guscio dell'atomo spiegava magicamente l'intero sistema periodico degli elementi e quasi tutta la chimica con la quale avevo lottato. molte lezioni noiose. Cominciai subito a scavare più a fondo, ricorrendo a libri di biblioteca ritenuti "troppo complessi" per la mia limitata formazione scientifica, e subito notai la bella semplicità della spiegazione dello spettro atomico dal punto di vista della teoria quantistica e scoprii per la prima volta che il meglio della scienza è allo stesso tempo bello e semplice, e questo è un fatto che troppi insegnanti, accidentalmente o di proposito, nascondono ai loro studenti. Mi sono sentito proprio come l'eroe del romanzo “La ricerca” di C. P. Snow (anche se l'ho letto molto più tardi), che ha scoperto la stessa cosa:

Ho notato come i fatti casuali e confusi improvvisamente andassero a posto... "Ma questa è la verità", mi sono detto. - Questo è meraviglioso. E questa è la verità." (Edizione UN, 1963, pag. 27.)

È stato in parte grazie a questa intuizione che ho deciso di studiare fisica all’università. A tempo debito, le mie ambizioni si realizzarono e diventai studente presso l'Università del Sussex a Brighton. Ma lì, la semplicità e la bellezza delle idee profonde furono eclissate dalla varietà di dettagli e metodi matematici per risolvere problemi specifici utilizzando le equazioni della meccanica quantistica. L'applicazione di queste idee al mondo della fisica moderna ha dato, forse, più o meno la stessa idea di profonda bellezza e verità che dà il pilotaggio Boeing 747 sul deltaplano. Sebbene il potere dell’intuizione originaria sia rimasto l’influenza più significativa sulla mia carriera, per molto tempo ho ignorato il mondo quantistico e ho scoperto altre delizie della scienza.

Le braci di quell’interesse iniziale furono riaccese da una combinazione di fattori. Tra la fine degli anni ’70 e l’inizio degli anni ’80 iniziarono ad apparire libri e articoli che tentavano, con vari gradi di successo, di spiegare lo strano mondo quantistico a un pubblico non scientifico. Alcuni dei cosiddetti “testi popolari” erano così mostruosamente lontani dalla verità che non potevo nemmeno immaginare che ci sarebbe stato un lettore che avrebbe capito la verità e la bellezza della scienza studiandoli, e quindi avrebbe voluto raccontarla così. È. Allo stesso tempo, sono emerse informazioni su una lunga serie di esperimenti scientifici che hanno dimostrato la realtà di alcuni degli aspetti più strani della teoria quantistica, e queste informazioni mi hanno costretto a tornare nelle biblioteche e rinfrescare la mia comprensione di queste cose sorprendenti. E infine, un Natale, la BBC mi invitò a comparire in un programma radiofonico come una sorta di avversario scientifico di Malcolm Muggeridge, che aveva appena annunciato la sua conversione al cattolicesimo ed era l'ospite principale delle festività natalizie. Dopo che questo grande uomo ebbe espresso il suo punto di vista, sottolineando il mistero del cristianesimo, si rivolse a me e disse: "Ma ecco qualcuno che conosce tutte le risposte, o afferma di conoscerle tutte". Il tempo era limitato e ho cercato di dare una risposta decente, sottolineando che la scienza non pretende di avere tutte le risposte, ed è la religione, non la scienza, che si basa interamente su una fede illimitata e sulla convinzione che la verità sia conosciuta. “Non credo a niente”, ho detto e ho cominciato a spiegare la mia posizione, ma in quel momento il programma è giunto al termine. Durante le vacanze di Natale, amici e conoscenti mi hanno ricordato queste parole, e ho passato ore a ripetere che la mia mancanza di fede illimitata in qualsiasi cosa non mi impediva di vivere una vita normale, partendo dall'ipotesi di lavoro del tutto ragionevole che difficilmente il sole sarebbe scomparso. durante la notte .

Tutto ciò mi ha aiutato a chiarire i miei pensieri sulla natura della scienza durante lunghe discussioni sulla realtà di base - o irrealtà - del mondo quantistico, ed è stato sufficiente per convincermi che avrei potuto scrivere il libro che ora hai tra le mani. Mentre ci lavoravo, ho testato molti degli argomenti più sottili durante le mie apparizioni regolari al programma radiofonico scientifico della British Forces Broadcasting Corporation, condotto da Tommy Vance. Le domande curiose di Tom hanno rivelato rapidamente le imperfezioni della mia presentazione e con il loro aiuto sono riuscito a organizzare le mie idee in un modo migliore. La principale fonte di materiale di riferimento che ho utilizzato per scrivere il libro è stata la biblioteca dell'Università del Sussex, che contiene forse una delle migliori collezioni di libri sulla teoria quantistica al mondo, e materiali più rari sono stati selezionati per me da Mandy Caplin dalla rivista Nuovo scienziato, che mi ha inviato con insistenza messaggi telescriventi mentre Christina Sutton correggeva le mie idee sbagliate sulla fisica delle particelle e sulla teoria dei campi. Mia moglie non solo mi ha fornito un aiuto inestimabile nella revisione della letteratura e nell'organizzazione del materiale, ma ha anche attenuato molti degli aspetti irregolari. Sono anche grato al professor Rudolf Pearls per avermi spiegato in dettaglio alcune delle complessità dell'esperimento dell'orologio in una scatola e del paradosso Einstein-Podolsky-Rosen.

Tutto ciò che c'è di buono in questo libro è dovuto a: testi di chimica "difficili", di cui non ricordo più i nomi, che ho scoperto nella Biblioteca della contea di Kent all'età di sedici anni; guai ai “divulgatori” delle idee quantistiche che mi convincevano che avrei potuto descriverle meglio; Malcolm Muggeridge e la BBC; Biblioteca dell'Università del Sussex; Tommy Vance e BFBS; Mandy Caplin e Christina Sutton e soprattutto Min. Qualsiasi lamentela riguardante le carenze che ancora rimangono in questo libro dovrebbe, ovviamente, essere indirizzata a me.

Giovanni Gribbin

Luglio 1983

introduzione

Se dovessimo sommare tutti i libri e gli articoli sulla teoria della relatività scritti per la gente comune, probabilmente la pila raggiungerebbe la luna. “Tutti sanno” che la teoria della relatività di Einstein è la più grande conquista scientifica del XX secolo, e tutti si sbagliano. Tuttavia, se sommi tutti i libri e gli articoli sulla teoria quantistica scritti per la gente comune, entreranno facilmente nella mia scrivania. Ciò non significa che la teoria quantistica non abbia avuto voce fuori dalle mura delle accademie. La meccanica quantistica divenne popolare anche in certi settori: con il suo aiuto tentarono di spiegare la telepatia e la piegatura dei cucchiai, e ne trassero ispirazione per molti racconti di fantascienza. Nella mitologia popolare, la meccanica quantistica è associata, se non del tutto, alla percezione occulta ed extrasensoriale, cioè a una strana branca esoterica della scienza che nessuno capisce e per la quale nessuno riesce a trovare un'applicazione pratica.

Questo libro è scritto in opposizione a questa percezione di quella che è essenzialmente l’area più fondamentale e importante della conoscenza scientifica. Questo libro deve la sua origine a diverse circostanze accadute nell’estate del 1982. Innanzitutto, ho appena finito di leggere un libro sulla teoria della relatività intitolato Le curvature dello spazio e ho deciso che era giunto il momento di assumermi il compito di demistificare l’altro grande ramo della scienza del ventesimo secolo. In secondo luogo, a quel tempo ero sempre più irritato dalle idee errate che esistevano sotto il nome di teoria quantistica tra persone lontane dalla scienza. L'eccellente libro di Fridtjof Capra Il Tao della fisica diede origine a molti imitatori che non capivano né la fisica né il Tao, ma ritenevano che si potesse guadagnare denaro collegando la scienza occidentale con la filosofia orientale. E finalmente, nell'agosto del 1982, arrivò da Parigi la notizia che un gruppo di scienziati aveva portato a termine con successo un esperimento cruciale che confermava - per coloro che ancora dubitavano - l'accuratezza della visione quantomeccanica dell'universo.

Non cercare qui il "misticismo orientale", la piegatura del cucchiaio o la percezione extrasensoriale. Cerca la vera storia della meccanica quantistica, la cui verità è più sorprendente di qualsiasi finzione. Questa è scienza: non ha bisogno degli abiti di un'altra filosofia, perché essa stessa è piena di bellezze, misteri e sorprese. Questo libro tenta di rispondere alla domanda specifica: “Cos’è la realtà?” E la risposta (o le risposte) potrebbe sorprenderti. Potresti non crederci. Ma capirai come guarda il mondo la scienza moderna.

Prologo
Niente è reale

Il gatto nel titolo è una creatura mitica, ma Schrödinger è esistito davvero. Erwin Schrödinger era uno scienziato austriaco che, a metà degli anni '20, giocò un ruolo importante nella creazione delle equazioni di una branca della scienza oggi chiamata meccanica quantistica. Tuttavia, dire che la meccanica quantistica è solo una branca della scienza non è affatto vero, perché è alla base di tutta la scienza moderna. Le sue equazioni descrivono il comportamento di oggetti molto piccoli - della dimensione degli atomi e più piccoli - e rappresentano l'unica cosa descrizione del mondo delle particelle più piccole. Senza queste equazioni, i fisici non sarebbero in grado di progettare centrali nucleari funzionanti (o bombe), creare laser o spiegare come fa la temperatura del Sole a non diminuire. Senza la meccanica quantistica, la chimica sarebbe ancora nel Medioevo e la biologia molecolare non sarebbe affatto apparsa: non ci sarebbe la conoscenza del DNA, nessuna ingegneria genetica, niente.

La teoria quantistica è la più grande conquista della scienza, molto più significativa e molto più applicabile in senso pratico e diretto rispetto alla teoria della relatività. Eppure fa delle strane previsioni. Il mondo della meccanica quantistica è infatti così insolito che perfino Albert Einstein lo trovò incomprensibile e rifiutò di accettare tutte le conseguenze della teoria derivata da Schrödinger e dai suoi colleghi. Come molti altri scienziati, Einstein decise che era più conveniente credere che le equazioni della meccanica quantistica fossero solo una sorta di trucco matematico che fornì accidentalmente una spiegazione ragionevole per il comportamento delle particelle atomiche e subatomiche, ma contenevano una verità più profonda che meglio riguarda il nostro senso ordinario della realtà. Dopotutto, la meccanica quantistica afferma che non esiste una cosa reale e non possiamo dire nulla sul comportamento delle cose quando non le osserviamo. Il mitico gatto di Schrödinger aveva lo scopo di chiarire le differenze tra il mondo quantistico e quello ordinario.

Nel mondo della meccanica quantistica, le leggi della fisica a noi familiari dal mondo ordinario cessano di funzionare. Invece, gli eventi sono governati dalle probabilità. Un atomo radioattivo, ad esempio, può decadere e, ad esempio, rilasciare un elettrone, oppure no. Puoi condurre un esperimento immaginando che ci sia esattamente una probabilità del cinquanta per cento che uno degli atomi di un mucchio di sostanza radioattiva decade in un certo momento e il rilevatore registrerà questo decadimento se ciò avviene. Schrödinger, sconvolto quanto Einstein dalle conclusioni della teoria quantistica, cercò di dimostrare la loro assurdità immaginando che un simile esperimento avesse luogo in una stanza chiusa o in una scatola contenente un gatto vivo e una bottiglia di veleno, e se si verificava la decomposizione, il contenitore con le conclusioni il veleno si rompe e il gatto muore. Nel mondo ordinario, la probabilità che un gatto muoia è del cinquanta per cento e, senza guardare nella scatola, possiamo tranquillamente dire solo una cosa: il gatto all'interno è vivo o morto. Ma è qui che si rivela la stranezza del mondo quantistico. Secondo la teoria nessuno Delle due possibilità che esistono per la sostanza radioattiva, e quindi per il gatto, non sembra realistica se non si osserva ciò che sta accadendo. Il decadimento atomico non è avvenuto e non è avvenuto, il gatto non è morto e non è morto, finché non guardiamo nella scatola per scoprire cosa è successo. I teorici che accettano una versione pura della meccanica quantistica sostengono che il gatto esiste in uno stato indeterminato, non essendo né vivo né morto, finché un osservatore non guarda nella scatola e vede come è andata a finire la situazione. Niente è reale se non si fa osservazione.

Questa idea era odiata da Einstein, così come da molti altri. “Dio non gioca a dadi”, ha detto, riferendosi alla teoria secondo cui il mondo è determinato dalla totalità dei risultati di una “selezione” essenzialmente casuale di possibilità a livello quantistico. Per quanto riguarda l'irrealtà dello stato del gatto di Schrödinger, Einstein non ne ha tenuto conto, suggerendo che deve esserci un “meccanismo” profondo che determina la realtà veramente fondamentale delle cose. Per molti anni ha cercato di sviluppare esperimenti che aiutassero a mostrare questa profonda realtà all'opera, ma è morto prima che diventasse possibile condurre un simile esperimento. Forse è stato meglio per lui non vivere abbastanza da vedere il risultato della catena di ragionamenti che aveva messo in moto.

Nell'estate del 1982, un gruppo di scienziati dell'Università di Parigi-Sud, guidati da Alain Aspé, completò una serie di esperimenti progettati per rivelare la realtà di fondo che definisce il mondo quantistico irreale. A questa realtà profonda – il meccanismo fondamentale – è stato dato il nome di “parametri nascosti”. L'essenza dell'esperimento era osservare il comportamento di due fotoni, o particelle di luce, che volano in direzioni opposte da una sorgente. L'esperimento è descritto per intero nel capitolo dieci, ma nel complesso può essere considerato una verifica della realtà. Due fotoni provenienti dalla stessa sorgente possono essere rilevati da due rilevatori, che misurano una proprietà chiamata polarizzazione. Secondo la teoria quantistica, questa proprietà non esiste finché non viene misurata. Secondo l'idea dei "parametri nascosti", ogni fotone possiede una polarizzazione "reale" dal momento della sua creazione. Poiché due fotoni vengono emessi contemporaneamente, i loro valori di polarizzazione dipendono l'uno dall'altro, ma la natura della dipendenza che viene effettivamente misurata è diversa a seconda delle due visioni della realtà.

I risultati di questo importante esperimento sono chiari. La dipendenza prevista dalla teoria dei parametri nascosti non è stata scoperta, ma lo è stata quella prevista dalla meccanica quantistica. Inoltre, come previsto dalla teoria quantistica, le misurazioni effettuate su un fotone avevano un effetto immediato sulla natura dell’altro fotone. Alcune interazioni legavano indissolubilmente i fotoni, sebbene si diffondessero in direzioni diverse alla velocità della luce, e la teoria della relatività afferma che nessun segnale può essere trasmesso più velocemente della luce. Gli esperimenti hanno dimostrato che non esiste una realtà profonda nel mondo. La “realtà” nel senso comune del termine non è adatta per pensare al comportamento delle particelle fondamentali che compongono l’Universo, e queste particelle allo stesso tempo sembrano essere inestricabilmente legate tra loro in un tutto indivisibile, dove ciascuna sa cosa succede alle altre. altri.

La ricerca del gatto di Schrödinger è la ricerca della realtà quantistica. Da questa breve rassegna può sembrare che questa ricerca non sia stata coronata da successo, poiché nel mondo quantistico la realtà nel senso comune del termine non esiste. Ma la storia non finisce qui, e la ricerca del gatto di Schrödinger potrebbe condurci a una nuova comprensione della realtà che trascende – e allo stesso tempo include – l’interpretazione convenzionale della meccanica quantistica. Tuttavia, la ricerca richiederà molto tempo e sarà necessario iniziare con uno scienziato che, forse, sarebbe più spaventato di Einstein se avesse la possibilità di scoprire le risposte che ora abbiamo dato alle domande che lo tormentavano. Studiando la natura della luce tre secoli fa, Isaac Newton probabilmente non aveva idea di aver già messo piede sul sentiero che conduce al gatto di Schrödinger.

Prima parte
Quantistico

Chi non è scioccato dalla teoria quantistica non l’ha capita.

Niels Bohr 1885-1962

Primo capitolo
Leggero

Isaac Newton ha inventato la fisica e il resto della scienza si basa su di essa. Anche se Newton si è certamente basato sul lavoro di altri, è stata la sua pubblicazione delle tre leggi del moto e della teoria della gravità, avvenuta più di tre secoli fa, a indirizzare la scienza sulla strada che alla fine ha portato all'esplorazione dello spazio, ai laser, all'energia atomica, all'ingegneria genetica, all'ingegneria genetica. la comprensione della chimica e tutto il resto. Per due secoli, la fisica newtoniana (quella che oggi viene chiamata “fisica classica”) ha governato il mondo della scienza. Nuove idee rivoluzionarie hanno fatto avanzare la fisica del XX secolo ben oltre Newton, ma senza quei due secoli di crescita scientifica, queste idee forse non sarebbero mai apparse. Questo libro non è la storia della scienza: parla della nuova fisica quantistica, e non di quelle idee classiche. Tuttavia, anche nell'opera di Newton di trecento anni fa, ci sono già segni che il cambiamento è inevitabile: non sono contenuti nelle sue opere sul movimento dei pianeti e sulle loro orbite, ma nei suoi studi sulla natura della luce.

Le idee di Newton sulla luce erano in gran parte legate alle sue idee sul comportamento degli oggetti solidi e sulle orbite dei pianeti. Si rese conto che la nostra percezione quotidiana del comportamento degli oggetti può essere errata e che un oggetto o una particella libera da qualsiasi influenza esterna dovrebbe comportarsi in modo completamente diverso dalla stessa particella situata sulla superficie della terra. Pertanto, la nostra esperienza quotidiana indica che le cose tendono a rimanere nello stesso posto finché non le spingi, e se smetti di spingerle, smettono di muoversi. Allora perché corpi come i pianeti o la Luna non smettono di muoversi nelle loro orbite? C'è qualcosa che li spinge? Affatto. I pianeti sono in uno stato naturale, liberi da influenze esterne, e l'interazione avviene con i corpi sulla superficie della terra. Se provo a far scivolare una penna su un tavolo, la mia spinta sarà contrastata dalla forza di attrito della penna sul tavolo, e questo è ciò che farà fermare la penna quando smetto di spingere. Questa è la prima legge di Newton: ogni corpo rimane fermo o si muove a velocità costante finché non viene colpito da una forza esterna. La seconda legge mostra quanto è grande l'impatto della forza - spinta - sul corpo. Tale forza cambia la velocità di un corpo e la variazione di velocità è chiamata accelerazione. Se si divide la forza che agisce su un corpo per la sua massa, il risultato è l'accelerazione impressa al corpo da questa forza. Questa seconda legge viene solitamente descritta in modo leggermente diverso: la forza è uguale alla massa per l'accelerazione. E la terza legge di Newton mostra come il corpo reagisce alle influenze esterne: per ogni azione c'è una reazione uguale in forza e opposta in direzione. Se colpisci una pallina da tennis con una racchetta, la forza esercitata dalla racchetta sulla pallina da tennis sarà esattamente uguale alla forza che agisce sulla racchetta. Una penna appoggiata su un tavolo è soggetta ad una forza gravitazionale che la tira verso il basso, ma allo stesso tempo il tavolo esercita su di essa un'eguale forza in senso opposto. La forza dell'esplosione che spinge i gas fuori dalla camera di combustione del razzo crea una forza di reazione uguale e contraria che agisce sul razzo stesso spingendolo nella direzione opposta.

Insieme alla legge di gravità di Newton, queste leggi spiegavano la rotazione dei pianeti attorno al Sole e della Luna attorno alla Terra. Tenendo adeguatamente conto dell'attrito, essi spiegarono anche il comportamento dei corpi sulla superficie della Terra e gettarono le basi della meccanica. Ma avevano anche un profondo significato filosofico. Secondo le leggi di Newton, il comportamento di una particella può essere previsto con precisione in base alle sue interazioni con altre particelle e alle forze che agiscono su di essa. Se fosse possibile conoscere la posizione e la velocità di ogni particella nell'Universo, allora sarebbe possibile predire con grande precisione il futuro di ciascuna particella, e quindi il futuro dell'Universo. Ciò significherebbe che l’Universo funziona come una macchina progettata e messa in moto da un Creatore lungo un percorso completamente prevedibile? La meccanica classica di Newton fornì un forte sostegno a questa visione deterministica della natura dell'universo, creando un quadro in cui c'era poco spazio per la casualità o il libero arbitrio umano. Siamo tutti solo burattini che si muovono nella vita lungo direzioni predeterminate senza alcuna vera scelta? Alla maggior parte degli scienziati non dispiaceva lasciare questa domanda ai filosofi. Ma essa ritornò con tutta la sua forza al cuore della nuova fisica del XX secolo.

Onde o particelle?

Avendo ottenuto un tale successo nella fisica delle particelle, Newton, non a caso, cercò di spiegare il comportamento della luce utilizzando le particelle. Qualunque cosa tu dica, i raggi di luce provenienti dalla posizione dell'osservatore viaggiano in linea retta e la luce viene riflessa dallo specchio in un modo molto simile al modo in cui una palla rimbalza su un muro solido. Newton costruì il primo telescopio riflettente, definì il bianco come la sovrapposizione di tutti i colori dell'arcobaleno, e fece molto di più nel campo dell'ottica, ma le sue teorie si basarono sempre sul presupposto che la luce fosse un flusso di minuscole particelle, che chiamò corpuscoli. I raggi luminosi si rifrangono mentre attraversano l'interfaccia tra due mezzi, come l'aria e l'acqua o il vetro (motivo per cui la cannuccia in un bicchiere di gin tonic appare rotta), e questa rifrazione è proprio spiegata dalla teoria corpuscolare, che suggerisce che i corpuscoli si muovono più velocemente in un ambiente otticamente “denso”. Tuttavia, già ai tempi di Newton esisteva una spiegazione alternativa a tutto ciò.

Riso. 1.1. Onde d'acqua parallele passano attraverso un piccolo foro nell'ostacolo e divergono circolarmente da esso, senza lasciare “ombra”.

Il fisico olandese Christiaan Huygens nacque nel 1629, tredici anni prima di Newton, ed era suo contemporaneo. Ha sviluppato l’idea che la luce non è un flusso di particelle, ma un’onda e si propaga come onde sulla superficie di un mare o di un lago, ma attraverso un mezzo invisibile chiamato “etere luminifero”. Come le increspature create da un sasso gettato in uno stagno, le onde luminose nell'etere, secondo le idee di Huygens, dovrebbero diffondersi in tutte le direzioni a partire dalla sorgente. La teoria ondulatoria, come la teoria corpuscolare, spiegava la riflessione e la rifrazione. Tuttavia, ha sostenuto che le onde luminose non dovrebbero essere accelerate, ma piuttosto rallentate in un mezzo otticamente più denso. Poiché nel XVII secolo non esisteva alcun modo per misurare la velocità della luce, questa distinzione non poteva risolvere il conflitto tra le due teorie. Tuttavia, sotto un aspetto fondamentale, i due punti di vista differivano nell'osservazione. Quando la luce passa accanto a un bordo tagliente, lascia dietro di sé un'ombra, anch'essa dotata di un bordo tagliente. Questo è esattamente il modo in cui dovrebbero comportarsi i flussi di particelle che si muovono in linea retta. L'onda tende a piegarsi attorno agli ostacoli, o a diffrangersi, andando leggermente all'interno dell'ombra (pensa alle increspature su uno stagno che si piegano attorno a una roccia). Trecento anni fa ciò divenne una chiara prova a favore della teoria corpuscolare, e la teoria ondulatoria, sebbene non dimenticata, fu respinta. Tuttavia, all’inizio del XIX secolo, lo status delle due teorie si era praticamente invertito.

Riso. 1.2. Le perturbazioni circolari, come quelle create da un sasso lanciato in uno stagno, si propagano come onde circolari centrate nel punto in cui passano attraverso un'apertura stretta (e, ovviamente, le onde che colpiscono un ostacolo vengono riflesse indietro).

Nel XVIII secolo, pochissime persone prendevano sul serio la teoria ondulatoria della luce. Uno di coloro che non solo lo presero sul serio, ma scrisse anche opere a suo sostegno, fu lo svizzero Leonhard Euler, un importante matematico del suo tempo che diede un contributo significativo allo sviluppo della geometria, dell'analisi matematica e della trigonometria. La matematica e la fisica moderne sono scritte nel linguaggio dell'aritmetica utilizzando equazioni. I metodi su cui si basa in gran parte questa descrizione aritmetica furono sviluppati da Eulero e, mentre lavorava su di essi, introdusse diversi metodi di notazione convenienti che sono sopravvissuti fino ad oggi: il numero "pi" per il rapporto tra la circonferenza di un cerchio al suo diametro, il simbolo ί per la radice quadrata di meno uno (incontreremo questo, così come il pi greco, poco dopo), così come i simboli usati dai matematici per rappresentare l'operazione di integrazione. È divertente, ma l'articolo su Eulero nell'Encyclopædia Britannica non menziona le sue opinioni sulla teoria ondulatoria della luce, che, secondo i contemporanei, non erano sostenute da "nessun grande fisico" 1
Citazione dalla seconda pagina di Meccanica Quantistica di Ernest Ikenberry.

L'unico contemporaneo significativo di Eulero che condivideva queste opinioni fu Benjamin Franklin. Tuttavia, i fisici riuscirono facilmente ad ignorarli finché non furono condotti nuovi importanti esperimenti all'inizio del XIX secolo dall'inglese Thomas Young e poco dopo dal francese Augustin Fresnel.

Nel 1935, il grande fisico, premio Nobel e fondatore della meccanica quantistica Erwin Schrödinger formulò il suo famoso paradosso.

Lo scienziato ha suggerito che se prendi un certo gatto e lo metti in una scatola di acciaio opaco con una "macchina infernale", dopo un'ora sarà vivo e morto allo stesso tempo. Il meccanismo della scatola si presenta così: all'interno del contatore Geiger c'è una quantità microscopica di una sostanza radioattiva che può decadere in un solo atomo in un'ora; allo stesso tempo, con la stessa probabilità potrebbe non decadere. Se si verifica la decomposizione, il meccanismo a leva funzionerà e il martello romperà il vaso con acido cianidrico e il gatto morirà; se non c'è decomposizione, la nave rimarrà intatta e il gatto sarà vivo e vegeto.

Se non stessimo parlando di un gatto e di una scatola, ma del mondo delle particelle subatomiche, allora gli scienziati direbbero che il gatto è vivo e morto allo stesso tempo, ma nel macrocosmo tale conclusione non è corretta. Allora perché operiamo con tali concetti quando parliamo di particelle di materia più piccole?

L'illustrazione di Schrödinger è l'esempio migliore per descrivere il principale paradosso della fisica quantistica: secondo le sue leggi, particelle come elettroni, fotoni e persino atomi esistono in due stati contemporaneamente ("vivi" e "morti", se ricordate il gatto longanime). Questi stati sono chiamati sovrapposizioni.

Il fisico americano Art Hobson dell'Università dell'Arkansas (Arkansas State University) ha proposto la sua soluzione a questo paradosso.

“Le misurazioni nella fisica quantistica si basano sul funzionamento di alcuni dispositivi macroscopici, come un contatore Geiger, con l'aiuto del quale viene determinato lo stato quantistico dei sistemi microscopici: atomi, fotoni ed elettroni. La teoria quantistica implica che se si collega un microscopico sistema (particella) a qualche dispositivo macroscopico, distinguendo due diversi stati del sistema, quindi il dispositivo (contatore Geiger, per esempio) entrerà in uno stato di entanglement quantistico e si troverà anche in due sovrapposizioni contemporaneamente è impossibile osservare direttamente questo fenomeno, il che lo rende inaccettabile”, afferma il fisico.

Hobson dice che nel paradosso di Schrödinger, il gatto svolge il ruolo di un dispositivo macroscopico, un contatore Geiger, collegato a un nucleo radioattivo per determinare lo stato di decadimento o "non decadimento" di quel nucleo. In questo caso, un gatto vivo sarà un indicatore di "non decomposizione" e un gatto morto sarà un indicatore di decomposizione. Ma secondo la teoria quantistica, il gatto, come il nucleo, deve esistere in due sovrapposizioni di vita e di morte.

Invece, secondo il fisico, lo stato quantistico del gatto dovrebbe essere intrecciato con lo stato dell'atomo, il che significa che sono in una "connessione non locale" tra loro. Cioè, se lo stato di uno degli oggetti intrecciati cambia improvvisamente nell'opposto, allora cambierà anche lo stato della sua coppia, non importa quanto siano lontani l'uno dall'altro. In tal modo, Hobson si riferisce a questa teoria quantistica.

“La cosa più interessante della teoria dell’entanglement quantistico è che il cambiamento di stato di entrambe le particelle avviene istantaneamente: nessuna luce o segnale elettromagnetico avrebbe il tempo di trasmettere informazioni da un sistema all’altro. Quindi, possiamo dire che si tratta di un unico oggetto diviso in due parti dello spazio, non importa quanto grande sia la distanza tra loro”, spiega Hobson.

Il gatto di Schrödinger non è più vivo e morto allo stesso tempo. È morto se avviene la disintegrazione, e vivo se la disintegrazione non avviene mai.

Aggiungiamo che soluzioni simili a questo paradosso sono state proposte da altri tre gruppi di scienziati negli ultimi trent'anni, ma non sono state prese sul serio e sono rimaste inosservate negli ampi circoli scientifici. Hobson osserva che risolvere i paradossi della meccanica quantistica, almeno teoricamente, è assolutamente necessario per la sua comprensione profonda.

24 giugno 2015

Con mia vergogna, devo ammettere che ho sentito questa espressione, ma non sapevo cosa significasse e nemmeno su quale argomento fosse usata. Lascia che ti dica cosa ho letto su Internet su questo gatto...

« Il gatto di Shroedinger“- questo è il nome del famoso esperimento mentale del famoso fisico teorico austriaco Erwin Schrödinger, che è anche premio Nobel. Con l'aiuto di questo esperimento fittizio, lo scienziato ha voluto mostrare l'incompletezza della meccanica quantistica nel passaggio dai sistemi subatomici ai sistemi macroscopici.

L'articolo originale di Erwin Schrödinger fu pubblicato nel 1935. Ecco la citazione:

Puoi anche costruire casi in cui c'è del burlesque. Facciamo sì che qualche gatto venga rinchiuso in una camera d'acciaio con la seguente macchina diabolica (che dovrebbe avvenire indipendentemente dall'intervento del gatto): all'interno di un contatore Geiger c'è una minuscola quantità di sostanza radioattiva, così piccola che solo un atomo può decadere in un'ora, ma con la stessa probabilità potrebbero non disintegrarsi; se ciò accade, il tubo di lettura si scarica e il relè si attiva, liberando il martello, che rompe il pallone con acido cianidrico.

Se lasciamo l'intero sistema a se stesso per un'ora, allora possiamo dire che dopo questo tempo il gatto sarà vivo, purché l'atomo non si disintegri. La primissima disintegrazione dell'atomo avvelenerebbe il gatto. La funzione psi del sistema nel suo insieme lo esprimerà mescolando o imbrattando un gatto vivo e uno morto (scusate l'espressione) in parti uguali. Ciò che è tipico in questi casi è che l'incertezza originariamente limitata al mondo atomico si trasforma in incertezza macroscopica, che può essere eliminata mediante l'osservazione diretta. Ciò ci impedisce di accettare ingenuamente il “modello sfocato” come riflesso della realtà. Ciò di per sé non significa nulla di poco chiaro o di contraddittorio. C'è differenza tra una foto sfocata o fuori fuoco e una foto con nuvole o nebbia.

In altre parole:

C'è una scatola e un gatto. La scatola contiene un meccanismo contenente un nucleo atomico radioattivo e un contenitore di gas velenoso. I parametri sperimentali sono stati selezionati in modo tale che la probabilità di decadimento nucleare in 1 ora sia del 50%. Se il nucleo si disintegra, si apre un contenitore di gas e il gatto muore. Se il nucleo non decade, il gatto rimane vivo e vegeto.
Chiudiamo il gatto in una scatola, aspettiamo un'ora e poniamo la domanda: il gatto è vivo o morto?
La meccanica quantistica sembra dirci che il nucleo atomico (e quindi il gatto) si trova simultaneamente in tutti gli stati possibili (vedi sovrapposizione quantistica). Prima di aprire la scatola, il sistema cat-core si trova nello stato “il nucleo è decaduto, il gatto è morto” con una probabilità del 50% e nello stato “il nucleo non è decaduto, il gatto è vivo” con una probabilità del 50% probabilità del 50%. Si scopre che il gatto seduto nella scatola è vivo e morto allo stesso tempo.
Secondo la moderna interpretazione di Copenaghen, il gatto è vivo/morto senza stati intermedi. E la scelta dello stato di decadimento del nucleo avviene non al momento dell'apertura della scatola, ma anche quando il nucleo entra nel rivelatore. Perché la riduzione della funzione d'onda del sistema “gatto-rivelatore-nucleo” non è associata all'osservatore umano della scatola, ma è associata al rilevatore-osservatore del nucleo.

Secondo la meccanica quantistica, se non si osserva il nucleo di un atomo, il suo stato è descritto da una miscela di due stati: un nucleo decaduto e un nucleo non decaduto, quindi un gatto seduto in una scatola e personifica il nucleo di un atomo è vivo e morto allo stesso tempo. Se la scatola viene aperta, lo sperimentatore può vedere solo uno stato specifico: "il nucleo è decaduto, il gatto è morto" o "il nucleo non è decaduto, il gatto è vivo".

L'essenza nel linguaggio umano: L'esperimento di Schrödinger ha dimostrato che, dal punto di vista della meccanica quantistica, il gatto è sia vivo che morto, il che non può essere. Pertanto, la meccanica quantistica presenta difetti significativi.

La domanda è: quando un sistema cessa di esistere come miscela di due stati e ne sceglie uno specifico? Lo scopo dell'esperimento è dimostrare che la meccanica quantistica è incompleta senza alcune regole che indichino in quali condizioni la funzione d'onda collassa e il gatto diventa morto o rimane vivo, ma cessa di essere un misto di entrambi. Poiché è chiaro che un gatto deve essere vivo o morto (non esiste uno stato intermedio tra la vita e la morte), ciò sarà simile per il nucleo atomico. Deve essere decaduto o non decaduto (Wikipedia).

Un'altra interpretazione più recente dell'esperimento mentale di Schrödinger è una storia che Sheldon Cooper, l'eroe della teoria del Big Bang, raccontò alla sua vicina meno istruita Penny. Il punto della storia di Sheldon è che il concetto del gatto di Schrödinger può essere applicato alle relazioni umane. Per capire cosa sta succedendo tra un uomo e una donna, che tipo di rapporto c'è tra loro: buono o cattivo, basta aprire la scatola. Fino ad allora, la relazione è sia buona che cattiva.

Di seguito è riportato un video clip di questo scambio di teoria del Big Bang tra Sheldon e Penia.

L'illustrazione di Schrödinger è l'esempio migliore per descrivere il principale paradosso della fisica quantistica: secondo le sue leggi, particelle come elettroni, fotoni e persino atomi esistono in due stati contemporaneamente (“vivi” e “morti”, se ricordate il gatto longanime). Questi stati sono chiamati sovrapposizioni.

Il fisico americano Art Hobson dell'Università dell'Arkansas (Arkansas State University) ha proposto la sua soluzione a questo paradosso.

“Le misurazioni nella fisica quantistica si basano sul funzionamento di alcuni dispositivi macroscopici, come un contatore Geiger, con l'aiuto del quale viene determinato lo stato quantistico dei sistemi microscopici: atomi, fotoni ed elettroni. La teoria quantistica implica che se si collega un sistema microscopico (particella) a qualche dispositivo macroscopico che distingue due diversi stati del sistema, allora il dispositivo (il contatore Geiger, per esempio) entrerà in uno stato di entanglement quantistico e si troverà anche in due stati diversi. sovrapposizioni contemporaneamente. Tuttavia, è impossibile osservare direttamente questo fenomeno, il che lo rende inaccettabile”, afferma il fisico.

Invece, dice il fisico, lo stato quantico del gatto dovrebbe essere intrecciato con lo stato dell’atomo, nel senso che sono in una “relazione non locale” tra loro. Cioè, se lo stato di uno degli oggetti intrecciati cambia improvvisamente nell'opposto, allora cambierà anche lo stato della sua coppia, non importa quanto siano lontani l'uno dall'altro. Allo stesso tempo, Hobson si riferisce alla conferma sperimentale di questa teoria quantistica.

“La cosa più interessante della teoria dell’entanglement quantistico è che il cambiamento di stato di entrambe le particelle avviene istantaneamente: nessuna luce o segnale elettromagnetico avrebbe il tempo di trasmettere informazioni da un sistema all’altro. Quindi si può dire che si tratta di un oggetto diviso in due parti dallo spazio, non importa quanto grande sia la distanza tra loro", spiega Hobson.

Il gatto di Schrödinger non è più vivo e morto allo stesso tempo. È morto se avviene la disintegrazione, e vivo se la disintegrazione non avviene mai.

Schrödinger

Ma proprio di recente, I TEORISTI HANNO SPIEGATO COME LA GRAVITÀ UCCIDE IL GATTO DI SchRODINGER, ma questo è più complicato...

Di norma, i fisici spiegano il fenomeno che la sovrapposizione è possibile nel mondo delle particelle, ma impossibile con gatti o altri macrooggetti, interferenze dall'ambiente. Quando un oggetto quantistico passa attraverso un campo o interagisce con particelle casuali, assume immediatamente un solo stato, come se fosse misurato. Questo è esattamente il modo in cui viene distrutta la sovrapposizione, come credevano gli scienziati.

Ma anche se in qualche modo diventasse possibile isolare un macrooggetto in uno stato di sovrapposizione dalle interazioni con altre particelle e campi, prima o poi assumerebbe comunque un unico stato. Almeno questo è vero per i processi che avvengono sulla superficie della Terra.

“Da qualche parte nello spazio interstellare, forse un gatto avrebbe la possibilità di mantenere la coerenza quantistica, ma sulla Terra o vicino a qualsiasi pianeta ciò è estremamente improbabile. E la ragione di ciò è la gravità”, spiega l’autore principale del nuovo studio, Igor Pikovski dell’Harvard-Smithsonian Center for Astrofisica.

Pikovsky e i suoi colleghi dell'Università di Vienna sostengono che la gravità ha un effetto distruttivo sulle sovrapposizioni quantistiche dei macrooggetti, e quindi non osserviamo fenomeni simili nel macrocosmo. Il concetto di base della nuova ipotesi, tra l'altro, è brevemente delineato nel film “Interstellar”.

La teoria della relatività generale di Einstein afferma che un oggetto estremamente massiccio piegherà lo spaziotempo attorno a sé. Considerando la situazione a un livello più piccolo, possiamo dire che per una molecola posizionata vicino alla superficie della Terra, il tempo passerà un po' più lentamente che per una molecola situata nell'orbita del nostro pianeta.

A causa dell'influenza della gravità sullo spazio-tempo, una molecola colpita da questa influenza subirà una deviazione nella sua posizione. E questo, a sua volta, dovrebbe influenzare la sua energia interna: vibrazioni delle particelle in una molecola che cambiano nel tempo. Se una molecola venisse introdotta in uno stato di sovrapposizione quantistica di due posizioni, allora la relazione tra posizione ed energia interna costringerebbe presto la molecola a “scegliere” solo una delle due posizioni nello spazio.

"Nella maggior parte dei casi, il fenomeno della decoerenza è associato a influenze esterne, ma in questo caso la vibrazione interna delle particelle interagisce con il movimento della molecola stessa", spiega Pikovsky.

Questo effetto non è stato ancora osservato perché altre fonti di decoerenza, come i campi magnetici, la radiazione termica e le vibrazioni, sono in genere molto più forti e causano la distruzione dei sistemi quantistici molto prima che lo faccia la gravità. Ma gli sperimentatori si sforzano di verificare l’ipotesi.

Una configurazione simile potrebbe essere utilizzata anche per testare la capacità della gravità di distruggere i sistemi quantistici. Per fare ciò bisognerà confrontare interferometri verticali e orizzontali: nel primo la sovrapposizione dovrebbe presto scomparire a causa della dilatazione del tempo alle diverse “altezze” del percorso, mentre nel secondo la sovrapposizione quantistica potrebbe permanere.

fonti

http://4brain.ru/blog/%D0%BA%D0%BE%D1%82-%D1%88%D1%80%D0%B5%D0%B4%D0%B8%D0%BD%D0% B3%D0%B5%D1%80%D0%B0-%D1%81%D1%83%D1%82%D1%8C-%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%81%D1% 82%D1%8B%D0%BC%D0%B8-%D1%81%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BC%D0%B8/

http://www.vesti.ru/doc.html?id=2632838

Ecco un po' più pseudo-scientifico: per esempio, e qui. Se non lo sai ancora, leggi di cosa si tratta. E scopriremo cosa L'articolo originale è sul sito InfoGlaz.rf Link all'articolo da cui è stata realizzata questa copia -

C’era una sorta di qualità “secondaria”. Lui stesso raramente si occupava di un problema scientifico specifico. Il suo genere di lavoro preferito era la risposta alla ricerca scientifica di qualcun altro, allo sviluppo di questo lavoro o alla critica dello stesso. Nonostante il fatto che Schrödinger stesso fosse un individualista per natura, aveva sempre bisogno del pensiero di qualcun altro, del sostegno per ulteriori lavori. Nonostante questo approccio peculiare, Schrödinger riuscì a fare molte scoperte.

Informazioni biografiche

La teoria di Schrödinger è ormai nota non solo agli studenti dei dipartimenti di fisica e matematica. Interesserà chiunque sia interessato alla scienza popolare. Questa teoria è stata creata dal famoso fisico E. Schrödinger, passato alla storia come uno dei creatori della meccanica quantistica. Lo scienziato nacque il 12 agosto 1887 nella famiglia del proprietario di una fabbrica di tela cerata. Il futuro scienziato, famoso in tutto il mondo per il suo enigma, da bambino amava la botanica e il disegno. Il suo primo mentore fu suo padre. Nel 1906 Schrödinger iniziò i suoi studi all'Università di Vienna, durante i quali iniziò ad ammirare la fisica. Quando scoppiò la prima guerra mondiale, lo scienziato andò a prestare servizio come artigliere. Nel tempo libero studiava le teorie di Albert Einstein.

All'inizio del 1927 nella scienza si era sviluppata una situazione drammatica. E. Schrödinger credeva che la base della teoria dei processi quantistici dovesse essere l'idea della continuità delle onde. Heisenberg, al contrario, credeva che il fondamento di questo campo della conoscenza dovesse essere il concetto di discrezionalità delle onde, così come l'idea dei salti quantici. Niels Bohr non accettò nessuna delle due posizioni.

Progressi nella scienza

Per la sua creazione del concetto di meccanica ondulatoria, Schrödinger ricevette il Premio Nobel nel 1933. Tuttavia, cresciuto nelle tradizioni della fisica classica, lo scienziato non poteva pensare in altre categorie e non considerava la meccanica quantistica un ramo della conoscenza a tutti gli effetti. Non poteva accontentarsi del comportamento duale delle particelle e cercò di ridurlo esclusivamente al comportamento ondulatorio. Nella sua discussione con N. Bohr, Schrödinger si espresse in questo modo: "Se intendiamo preservare questi progressi quantici nella scienza, allora generalmente mi pento di aver collegato la mia vita con la fisica atomica".

Ulteriore lavoro del ricercatore

Inoltre, Schrödinger non fu solo uno dei creatori della moderna meccanica quantistica. Fu lui lo scienziato a introdurre nell’uso scientifico il termine “oggettività della descrizione”. Questa è la capacità delle teorie scientifiche di descrivere la realtà senza la partecipazione di un osservatore. Le sue ulteriori ricerche furono dedicate alla teoria della relatività, ai processi termodinamici e all'elettrodinamica Born non lineare. Gli scienziati hanno anche fatto diversi tentativi per creare una teoria del campo unificata. Inoltre, E. Schrödinger parlava sei lingue.

L'enigma più famoso

La teoria di Schrödinger, in cui appare lo stesso gatto, è nata dalla critica dello scienziato alla teoria quantistica. Uno dei suoi postulati principali afferma che, pur non essendo osservato, il sistema è in uno stato di sovrapposizione. Vale a dire, in due o più stati che si escludono a vicenda. Lo stato di sovrapposizione in scienza ha la seguente definizione: è la capacità di un quanto, che può essere anche un elettrone, un fotone o, ad esempio, il nucleo di un atomo, di trovarsi contemporaneamente in due stati o anche in due punti nello spazio in un momento in cui nessuno lo osserva.

Oggetti in mondi diversi

È molto difficile per una persona comune comprendere una simile definizione. Dopotutto, ogni oggetto del mondo materiale può trovarsi in un punto dello spazio o in un altro. Questo fenomeno può essere illustrato come segue. L'osservatore prende due scatole e mette in una una pallina da tennis. Sarà chiaro che si trova in una scatola e non nell'altra. Ma se metti un elettrone in uno dei contenitori, allora la seguente affermazione sarà vera: questa particella si trova contemporaneamente in due scatole, non importa quanto possa sembrare paradossale. Allo stesso modo, un elettrone in un atomo non si trova prima o poi in un punto strettamente definito. Ruota attorno al nucleo, situato simultaneamente in tutti i punti dell'orbita. Nella scienza, questo fenomeno è chiamato “nuvola di elettroni”.

Cosa voleva dimostrare lo scienziato?

Pertanto, il comportamento di oggetti piccoli e grandi viene implementato secondo regole completamente diverse. Nel mondo quantistico ci sono alcune leggi e nel macromondo ci sono leggi completamente diverse. Tuttavia, non esiste alcun concetto che spieghi il passaggio dal mondo degli oggetti materiali familiari alle persone al micromondo. La teoria di Schrödinger è stata creata per dimostrare l'inadeguatezza della ricerca nel campo della fisica. Lo scienziato voleva dimostrare che esiste una scienza il cui obiettivo è descrivere piccoli oggetti, e esiste un campo della conoscenza che studia gli oggetti ordinari. In gran parte grazie al lavoro dello scienziato, la fisica è stata divisa in due aree: quantistica e classica.

La teoria di Schrödinger: descrizione

Lo scienziato descrisse il suo famoso esperimento mentale nel 1935. Nella sua realizzazione Schrödinger si basò sul principio di sovrapposizione. Schrödinger sottolineava che finché non osserviamo il fotone, esso può essere sia una particella che un'onda; sia rosso che verde; sia tondi che quadrati. Questo principio di indeterminazione, che deriva direttamente dal concetto di dualismo quantistico, fu utilizzato da Schrödinger nel suo famoso indovinello sul gatto. Il significato dell’esperimento in breve è il seguente:

Un gatto viene posto in una scatola chiusa, così come in un contenitore contenente acido cianidrico e una sostanza radioattiva.
Il nucleo può disintegrarsi entro un'ora. La probabilità che ciò accada è del 50%.
Se un nucleo atomico decade, verrà registrato da un contatore Geiger. Il meccanismo funzionerà e la scatola del veleno verrà rotta. Il gatto morirà.
Se la decomposizione non avviene, il gatto di Schrödinger sarà vivo.

Secondo questa teoria, finché non viene osservato, il gatto si trova contemporaneamente in due stati (morto e vivo), proprio come il nucleo di un atomo (decaduto o non decaduto). Naturalmente, questo è possibile solo secondo le leggi del mondo quantistico. Nel macrocosmo un gatto non può essere vivo e morto allo stesso tempo.

Il paradosso dell'osservatore

Per comprendere l'essenza della teoria di Schrödinger è necessario comprendere anche il paradosso dell'osservatore. Il suo significato è che gli oggetti del micromondo possono trovarsi in due stati contemporaneamente solo quando non vengono osservati. Ad esempio, nella scienza è noto il cosiddetto “Esperimento con 2 fenditure e un osservatore”. Gli scienziati hanno diretto un fascio di elettroni su una piastra opaca nella quale sono state praticate due fessure verticali. Sullo schermo dietro la piastra, gli elettroni disegnavano un modello d'onda. In altre parole, hanno lasciato strisce bianche e nere. Quando i ricercatori hanno voluto osservare come gli elettroni volavano attraverso le fenditure, le particelle mostravano sullo schermo solo due strisce verticali. Si comportavano come particelle, non come onde.

Spiegazione di Copenaghen

La spiegazione moderna della teoria di Schrödinger è chiamata quella di Copenhagen. Basandosi sul paradosso dell'osservatore, suona così: finché nessuno osserva il nucleo di un atomo nel sistema, si trova contemporaneamente in due stati: decaduto e non decaduto. Tuttavia, l’affermazione secondo cui un gatto è vivo e morto allo stesso tempo è estremamente errata. Dopotutto, nel macrocosmo non si osservano mai gli stessi fenomeni che nel microcosmo.

Pertanto, non stiamo parlando del sistema "nucleo-gatto", ma del fatto che il contatore Geiger e il nucleo atomico sono interconnessi. Il kernel può scegliere uno stato o un altro nel momento in cui vengono effettuate le misurazioni. Questa scelta però non avviene nel momento in cui lo sperimentatore apre la scatola con il gatto di Schrödinger. L'apertura della scatola, infatti, avviene nel macrocosmo. In altre parole, in un sistema molto lontano dal mondo atomico. Pertanto, il nucleo seleziona il suo stato proprio nel momento in cui colpisce il rilevatore del contatore Geiger. Pertanto Erwin Schrödinger non ha descritto il sistema in modo sufficientemente completo nel suo esperimento mentale.

Conclusioni generali

Pertanto non è del tutto corretto collegare il macrosistema con il mondo microscopico. Nel macrocosmo le leggi quantistiche perdono la loro forza. Il nucleo di un atomo può trovarsi in due stati contemporaneamente solo nel microcosmo. Lo stesso non si può dire del gatto, poiché è un oggetto del macrocosmo. Quindi solo a prima vista sembra che il gatto passi da una sovrapposizione ad uno degli stati nel momento in cui viene aperta la scatola. In realtà, il suo destino è determinato nel momento in cui il nucleo atomico interagisce con il rilevatore. La conclusione può essere la seguente: lo stato del sistema nell’enigma di Erwin Schrödinger non ha nulla a che fare con la persona. Dipende non dallo sperimentatore, ma dal rivelatore, l'oggetto che “osserva” il nucleo.

Continuazione del concetto

La teoria di Schrödinger è descritta in parole semplici come segue: mentre l'osservatore non guarda il sistema, questo può trovarsi in due stati contemporaneamente. Tuttavia, un altro scienziato, Eugene Wigner, andò oltre e decise di portare il concetto di Schrödinger al punto di completa assurdità. "Mi scusi!" disse Wigner, "E se il suo collega fosse in piedi accanto allo sperimentatore a guardare il gatto?" Il partner non sa cosa abbia visto esattamente lo sperimentatore stesso nel momento in cui ha aperto la scatola con il gatto. Il gatto di Schrödinger emerge dalla sovrapposizione. Tuttavia, non per un collega osservatore. Solo nel momento in cui quest'ultimo conosce la sorte del gatto, l'animale può essere finalmente definito vivo o morto. Inoltre, miliardi di persone vivono sul pianeta Terra. E il verdetto finale potrà essere emesso solo quando il risultato dell'esperimento diventerà proprietà di tutti gli esseri viventi. Naturalmente si può raccontare brevemente a tutti il destino del gatto e la teoria di Schrödinger, ma questo è un processo molto lungo e laborioso.

I principi del dualismo quantistico in fisica non furono mai confutati dall'esperimento mentale di Schrödinger. In un certo senso, ogni essere può dirsi né vivo né morto (in sovrapposizione) finché c'è almeno una persona che non lo osserva.

"Chiunque non sia scioccato dalla teoria quantistica, non lo capisce”, ha detto Niels Bohr, il fondatore della teoria quantistica.
La base della fisica classica è la programmazione inequivocabile del mondo, altrimenti il determinismo laplaceano, con l'avvento della meccanica quantistica è stato sostituito dall'invasione di un mondo di incertezze ed eventi probabilistici. E qui gli esperimenti mentali sono tornati utili per i fisici teorici. Queste sono state le pietre di paragone su cui sono state testate le ultime idee.

"Il gatto di Schròdinger" è un esperimento mentale, proposto da Erwin Schrödinger, con il quale voleva mostrare l'incompletezza della meccanica quantistica nel passaggio dai sistemi subatomici ai sistemi macroscopici.

Un gatto viene messo in una scatola chiusa. La scatola contiene un meccanismo contenente un nucleo radioattivo e un contenitore di gas velenoso. La probabilità che il nucleo decada in 1 ora è 1/2. Se il nucleo si disintegra, si attiva il meccanismo, si apre un contenitore di gas e il gatto muore. Secondo la meccanica quantistica, se non viene fatta alcuna osservazione del nucleo, il suo stato è descritto da una sovrapposizione (miscelazione) di due stati: un nucleo decaduto e un nucleo non decaduto, quindi un gatto seduto in una scatola è sia vivo che morto allo stesso tempo. Se la scatola viene aperta, lo sperimentatore può vedere solo uno stato specifico: "il nucleo è decaduto, il gatto è morto" o "il nucleo non è decaduto, il gatto è vivo".

Quando cesserà di esistere il sistema? Come si possono mescolare due stati e sceglierne uno specifico?

Scopo dell'esperimento- mostrare che la meccanica quantistica è incompleta senza alcune regole che indichino in quali condizioni la funzione d'onda collassa (un cambiamento istantaneo nello stato quantistico di un oggetto che si verifica quando misurato), e il gatto diventa morto o rimane vivo, ma cessa di essere un miscela di entrambi.

Poiché è chiaro che un gatto deve essere o vivo o morto (non esiste uno stato intermedio tra la vita e la morte), ciò significa che ciò vale anche per il nucleo atomico. Sarà necessariamente decaduto o non decaduto.

L'articolo di Schrödinger "The Current Situation in Quantum Mechanics", che presentava un esperimento mentale con un gatto, apparve sulla rivista tedesca Natural Sciences nel 1935 per discutere il paradosso EPR.

Gli articoli di Einstein-Podolsky-Rosen e Schrödinger hanno delineato la strana natura dell’“entanglement quantistico” (termine coniato da Schrödinger), caratteristico degli stati quantistici che sono una sovrapposizione degli stati di due sistemi (ad esempio, due particelle subatomiche).

Interpretazioni della meccanica quantistica

Durante l'esistenza della meccanica quantistica, gli scienziati ne hanno proposto diverse interpretazioni, ma oggi le più supportate sono quelle di "Copenaghen" e dei "molti mondi".

"Interpretazione di Copenaghen"- questa interpretazione della meccanica quantistica fu formulata da Niels Bohr e Werner Heisenberg durante il loro lavoro congiunto a Copenaghen (1927). Gli scienziati hanno cercato di rispondere alle domande derivanti dalla dualità onda-particella inerente alla meccanica quantistica, in particolare alla questione della misurazione.

Nell'interpretazione di Copenhagen, il sistema cessa di essere una miscela di stati e ne sceglie uno nel momento in cui avviene l'osservazione. L'esperimento con il gatto mostra che in questa interpretazione la natura stessa di questa osservazione - la misurazione - non è sufficientemente definita. Alcuni credono che l’esperienza suggerisca che finché la scatola è chiusa, il sistema si trova simultaneamente in entrambi gli stati, in una sovrapposizione degli stati “nucleo decomposto, gatto morto” e “nucleo non decaduto, gatto vivo”, e quando la scatola viene aperta , solo allora la funzione d'onda collassa in una delle opzioni. Altri ipotizzano che l'"osservazione" avvenga quando una particella del nucleo colpisce il rivelatore; tuttavia (e questo è il punto chiave dell’esperimento mentale) nell’interpretazione di Copenhagen non esiste una regola chiara che dica quando ciò accade, e quindi l’interpretazione è incompleta finché tale regola non viene introdotta al suo interno, o non viene detto come può essere introdotto. La regola esatta è che la casualità appare nel punto in cui viene utilizzata per la prima volta l'approssimazione classica.

Possiamo quindi basarci sul seguente approccio: nei sistemi macroscopici non osserviamo fenomeni quantistici (ad eccezione del fenomeno della superfluidità e della superconduttività); pertanto, se imponiamo una funzione d'onda macroscopica a uno stato quantistico, dobbiamo concludere per esperienza che la sovrapposizione viene meno. E anche se non è del tutto chiaro cosa significhi per qualcosa essere “macroscopico” in generale, quello che è certo riguardo a un gatto è che si tratta di un oggetto macroscopico. Pertanto, l’interpretazione di Copenaghen non considera che il gatto si trovi in uno stato di confusione tra vivo e morto prima che la scatola venga aperta.

Nella "interpretazione dei molti mondi" meccanica quantistica, che non considera il processo di misurazione come qualcosa di speciale, esistono entrambi gli stati del gatto, ma decoeriscono, cioè si verifica un processo in cui un sistema quantomeccanico interagisce con il suo ambiente e acquisisce informazioni disponibili nell'ambiente, o altrimenti rimane “intrecciato” con l'ambiente. E quando l'osservatore apre la scatola, rimane impigliato con il gatto e da questo si formano due stati dell'osservatore, corrispondenti a un gatto vivo e a uno morto, e questi stati non interagiscono tra loro. Lo stesso meccanismo di decoerenza quantistica è importante per le storie “congiunte”. In questa interpretazione, solo un “gatto morto” o un “gatto vivo” può far parte di una “storia condivisa”.

In altre parole, quando la scatola viene aperta, l'universo si divide in due universi diversi, uno in cui l'osservatore guarda una scatola con un gatto morto, e nell'altro l'osservatore guarda un gatto vivo.

Il paradosso dell'"amico di Wigner"

Il paradosso dell'amico di Wigner è un complicato esperimento del paradosso del gatto di Schrödinger. Il premio Nobel, il fisico americano Eugene Wigner, ha introdotto la categoria degli “amici”. Dopo aver completato l'esperimento, lo sperimentatore apre la scatola e vede un gatto vivo. Lo stato del gatto al momento dell'apertura della scatola passa allo stato "il nucleo non è decaduto, il gatto è vivo". Così, in laboratorio, il gatto è stato riconosciuto come vivo. C'è un "amico" fuori dal laboratorio. L'amico non sa ancora se il gatto è vivo o morto. L'amico riconosce il gatto come vivo solo quando lo sperimentatore gli comunica l'esito dell'esperimento. Ma tutti gli altri “amici” non hanno ancora riconosciuto il gatto come vivo, e lo riconosceranno solo quando verrà loro comunicato il risultato dell’esperimento. Pertanto, il gatto può essere riconosciuto come pienamente vivo solo quando tutte le persone nell'Universo conoscono il risultato dell'esperimento. Fino a questo momento, sulla scala del Grande Universo, il gatto rimane mezzo vivo e mezzo morto allo stesso tempo.

Quanto sopra viene utilizzato nella pratica: nell'informatica quantistica e nella crittografia quantistica. Un segnale luminoso in una sovrapposizione di due stati viene inviato attraverso un cavo in fibra ottica. Se gli aggressori si collegano al cavo da qualche parte nel mezzo e in quel punto intercettano il segnale per intercettare le informazioni trasmesse, ciò farà collassare la funzione d'onda (dal punto di vista dell'interpretazione di Copenaghen verrà fatta un'osservazione) e la luce andrà in uno degli stati. Effettuando test statistici sulla luce all'estremità ricevente del cavo, sarà possibile rilevare se la luce si trova in una sovrapposizione di stati oppure è già stata osservata e trasmessa ad un altro punto. Ciò rende possibile creare mezzi di comunicazione che escludono l'intercettazione e l'intercettazione del segnale non rilevabile.

L’esperimento (che in linea di principio può essere effettuato, anche se non sono ancora stati creati sistemi di crittografia quantistica funzionanti in grado di trasmettere grandi quantità di informazioni) mostra anche che “l’osservazione” nell’interpretazione di Copenhagen non ha nulla a che fare con la coscienza dell’osservatore, poiché in questo caso la variazione delle statistiche all'estremità del cavo porta ad un ramo del filo completamente inanimato.

E nell’informatica quantistica, lo stato del gatto di Schrödinger è uno speciale stato entangled di qubit in cui sono tutti nella stessa sovrapposizione di tutti zeri o uno.

("Qubit"è l'elemento più piccolo per memorizzare informazioni in un computer quantistico. Ammette due autostati, ma può anche trovarsi nella loro sovrapposizione. Ogni volta che viene misurato lo stato di un qubit, passa casualmente a uno dei suoi stati.)

In realtà! Fratellino del "gatto di Schròdinger"

Sono passati 75 anni da quando è apparso il gatto di Schrödinger, ma alcune conseguenze della fisica quantistica sembrano ancora in contrasto con le nostre idee quotidiane sulla materia e sulle sue proprietà. Secondo le leggi della meccanica quantistica, dovrebbe essere possibile creare uno stato di “gatto” in cui è sia vivo che morto, cioè sarà in uno stato di sovrapposizione quantistica di due stati. Tuttavia, in pratica, la creazione di una sovrapposizione quantistica di un numero così elevato di atomi non è stata ancora possibile. La difficoltà è che più atomi ci sono in sovrapposizione, meno stabile è questo stato, poiché le influenze esterne tendono a distruggerlo.

Ai fisici dell'Università di Vienna (pubblicazione sulla rivista Comunicazioni sulla natura", 2011) per la prima volta al mondo, è stato possibile dimostrare il comportamento quantistico di una molecola organica composta da 430 atomi e in stato di sovrapposizione quantistica. La molecola ottenuta dagli sperimentatori assomiglia più a un polipo. La dimensione delle molecole è di circa 60 angstrom e la lunghezza d'onda di De Broglie per la molecola era di solo 1 picometro. Questo “polpo molecolare” è stato in grado di dimostrare le proprietà inerenti al gatto di Schrödinger.

Suicidio quantistico

Il suicidio quantistico è un esperimento mentale di meccanica quantistica proposto indipendentemente da G. Moravec e B. Marshall, ed è stato ampliato nel 1998 dal cosmologo Max Tegmark. Questo esperimento mentale, una modifica dell'esperimento mentale del gatto di Schrödinger, mostra chiaramente la differenza tra due interpretazioni della meccanica quantistica: l'interpretazione di Copenhagen e l'interpretazione dei molti mondi di Everett.

L'esperimento è in realtà un esperimento con il gatto di Schrödinger dal punto di vista del gatto.

Nell'esperimento proposto, viene puntata contro il partecipante una pistola, che spara o non spara a seconda del decadimento di qualche atomo radioattivo. C'è una probabilità del 50% che la pistola spari e il partecipante muoia. Se l'interpretazione di Copenaghen è corretta, la pistola alla fine esploderà e il partecipante morirà.
Se l'interpretazione dei molti mondi di Everett è corretta, come risultato di ogni esperimento eseguito, l'universo si divide in due universi, in uno dei quali il partecipante rimane in vita e nell'altro muore. Nei mondi in cui un partecipante muore, cessa di esistere. Al contrario, dal punto di vista del partecipante non morto, l’esperimento continuerà senza far scomparire il partecipante. Ciò accade perché in qualunque ramo il partecipante può osservare il risultato dell'esperimento solo nel mondo in cui sopravvive. E se l'interpretazione dei molti mondi è corretta, il partecipante potrebbe notare che non morirà mai durante l'esperimento.

Il partecipante non potrà mai parlare di questi risultati, poiché dal punto di vista di un osservatore esterno, la probabilità del risultato dell'esperimento sarà la stessa sia nell'interpretazione a molti mondi che in quella di Copenhagen.

Immortalità quantistica

L'immortalità quantistica è un esperimento mentale che deriva dall'esperimento mentale del suicidio quantistico e afferma che, secondo l'interpretazione a molti mondi della meccanica quantistica, gli esseri che hanno la capacità di autocoscienza sono immortali.

Immaginiamo che un partecipante a un esperimento faccia esplodere una bomba nucleare vicino a lui. In quasi tutti gli universi paralleli, un'esplosione nucleare distruggerà il partecipante. Ma nonostante ciò, deve esserci un piccolo numero di Universi alternativi in cui il partecipante in qualche modo sopravvive (cioè Universi in cui è possibile un potenziale scenario di salvataggio). L'idea dell'immortalità quantistica è che il partecipante rimanga vivo, e quindi sia in grado di percepire la realtà circostante, in almeno uno degli Universi dell'insieme, anche se il numero di tali universi è estremamente piccolo rispetto al numero di tutti gli Universi possibili. Così, col tempo, il partecipante scoprirà che potrà vivere per sempre. Alcuni parallelismi con questa conclusione possono essere trovati nel concetto di principio antropico.

Un altro esempio nasce dall’idea del suicidio quantistico. In questo esperimento mentale, il partecipante punta contro se stesso una pistola, che può sparare o meno a seconda dell'esito del decadimento di un atomo radioattivo. C'è una probabilità del 50% che la pistola spari e il partecipante muoia. Se l'interpretazione di Copenaghen è corretta, la pistola alla fine esploderà e il partecipante morirà.

Se l'interpretazione dei molti mondi di Everett è corretta, come risultato di ogni esperimento condotto, l'universo si divide in due universi, in uno dei quali il partecipante rimane in vita e nell'altro muore. Nei mondi in cui un partecipante muore, cessa di esistere. Al contrario, dal punto di vista del partecipante non morto, l'esperimento continuerà senza far scomparire il partecipante, poiché dopo ogni divisione dell'universo, potrà essere consapevole di se stesso solo negli universi in cui è sopravvissuto. Pertanto, se l'interpretazione dei molti mondi di Everett è corretta, il partecipante potrebbe notare che non morirà mai nell'esperimento, "dimostrando" così la sua immortalità, almeno dal suo punto di vista.

I sostenitori dell'immortalità quantistica sottolineano che questa teoria non contraddice alcuna legge fisica conosciuta (questa posizione è lungi dall'essere accettata all'unanimità nel mondo scientifico). Nel loro ragionamento si basano sui seguenti due presupposti controversi:
- È corretta l’interpretazione dei molti mondi di Everett, non quella di Copenhagen, poiché quest’ultima nega l’esistenza di universi paralleli;
- tutti i possibili scenari in cui un partecipante può morire durante l'esperimento contengono almeno un piccolo sottoinsieme di scenari in cui il partecipante rimane in vita.

Un possibile argomento contro la teoria dell'immortalità quantistica è che il secondo presupposto non deriva necessariamente dall'interpretazione dei molti mondi di Everett e potrebbe entrare in conflitto con le leggi della fisica, che si ritiene si applichino a tutte le realtà possibili. L’interpretazione a molti mondi della fisica quantistica non implica necessariamente che “tutto sia possibile”. Indica solo che a un certo punto nel tempo l'universo può essere diviso in tanti altri, ognuno dei quali corrisponderà a uno dei tanti risultati possibili. Ad esempio, si ritiene che la seconda legge della termodinamica si applichi a tutti gli universi probabili. Ciò significa che, teoricamente, l'esistenza di questa legge impedisce la formazione di universi paralleli dove verrebbe violata. La conseguenza di ciò potrebbe essere il raggiungimento, dal punto di vista dello sperimentatore, di uno stato di realtà in cui la sua ulteriore sopravvivenza diventa impossibile, poiché ciò richiederebbe una violazione della legge della fisica, che, secondo il presupposto precedentemente affermato , vale per tutte le realtà possibili.

Ad esempio, nell'esplosione di una bomba nucleare sopra descritta, è abbastanza difficile descrivere uno scenario plausibile che non violi i principi biologici fondamentali in cui il partecipante sopravviverà. Le cellule viventi semplicemente non possono esistere alle temperature raggiunte al centro di un’esplosione nucleare. Affinché la teoria dell'immortalità quantistica rimanga valida, è necessario che si verifichi una mancata accensione (e quindi eviti un'esplosione nucleare), oppure si verifichi qualche evento basato su leggi della fisica non ancora scoperte o non dimostrate. Un altro argomento contro la teoria in discussione può essere la presenza della morte biologica naturale in tutte le creature, che non può essere evitata in nessuno degli universi paralleli (almeno in questa fase dello sviluppo della scienza).

D'altra parte, la seconda legge della termodinamica è una legge statistica, e nulla è contraddetto dal verificarsi di fluttuazioni (ad esempio, la comparsa di una regione con condizioni adatte alla vita di un osservatore in un universo che ha generalmente raggiunto un stato di morte termica; o, in linea di principio, il possibile movimento di tutte le particelle derivanti dall'esplosione nucleare, in modo tale che ciascuna di esse voli oltre l'osservatore), sebbene tale fluttuazione si verifichi solo in una parte estremamente piccola di tutte. possibili risultati. L'argomentazione relativa all'inevitabilità della morte biologica può essere confutata anche sulla base di considerazioni probabilistiche. Per ogni organismo vivente in un dato momento esiste una probabilità diversa da zero che rimanga in vita nel secondo successivo. Pertanto, anche la probabilità che rimanga in vita per il prossimo miliardo di anni è diversa da zero (poiché è il prodotto di un gran numero di fattori diversi da zero), sebbene molto piccola.

Ciò che è problematico riguardo all’idea dell’immortalità quantistica è che secondo essa un essere autocosciente sarà “costretto” a sperimentare eventi estremamente improbabili che si verificheranno in situazioni in cui il partecipante sembrerebbe morire. Anche se in molti universi paralleli il partecipante muore, i pochi universi che il partecipante è in grado di percepire soggettivamente si svilupperanno in uno scenario estremamente improbabile. Ciò, a sua volta, potrebbe in qualche modo causare una violazione del principio di causalità, la cui natura in fisica quantistica non è ancora sufficientemente chiara.

Sebbene l’idea dell’immortalità quantistica derivi in gran parte dall’esperimento del “suicidio quantistico”, Tegmark sostiene che in qualsiasi condizione normale, ogni essere pensante prima della morte attraversa uno stadio (da pochi secondi a diversi anni) di diminuzione del livello di auto-consapevolezza. consapevolezza, che non ha nulla a che fare con la meccanica quantistica e il partecipante non ha alcuna possibilità di continuare a esistere spostandosi da un mondo all'altro, il che gli dà l'opportunità di sopravvivere.

Qui un osservatore razionale e autocosciente continua a rimanere, per così dire, in un “corpo sano” solo in un numero relativamente piccolo di stati possibili in cui conserva l’autocoscienza. La possibilità che l'osservatore, pur conservando la coscienza, rimanga paralizzato è molto maggiore che se rimanesse illeso. Qualsiasi sistema (incluso un organismo vivente) ha molte più possibilità di funzionare in modo errato che di rimanere nella forma ideale. L'ipotesi ergodica di Boltzmann richiede che l'osservatore immortale prima o poi attraversi tutti gli stati compatibili con la conservazione della coscienza, compresi quelli in cui sentirà una sofferenza insopportabile - e tali stati saranno significativamente più numerosi degli stati di funzionamento ottimale dell'organismo. Pertanto, come suggerisce il filosofo David Lewis, dovremmo sperare che l’interpretazione dei molti mondi sia sbagliata.

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