Il gatto di Schrodinger (semplificato): cos'è e perché è importante?

Nel 1935 – due anni dopo aver vinto il Premio Nobel per i suoi contributi alla fisica quantistica – Austrian Il fisico Erwin Schrödinger ha proposto il famoso esperimento mentale noto come il paradosso del gatto di Schrödinger.

Il paradosso è una delle cose più note sulla meccanica quantistica nella cultura popolare, ma non è solo un surreale e divertente modo per descrivere come si comporta il mondo quantistico, colpisce in realtà una critica chiave dell'interpretazione dominante della quantistica meccanica.

Resiste perché propone l'idea assurda di un gatto vivo e morto contemporaneamente, ma ha qualcosa peso filosofico perché, in un certo senso, questo è davvero qualcosa che la meccanica quantistica potrebbe suggerire è possibile.

Schrödinger ha ideato l'esperimento mentale proprio per questo motivo. Come molti altri fisici, non era completamente soddisfatto dall'interpretazione di Copenaghen della meccanica quantistica e stava cercando un modo per trasmettere ciò che vedeva come il

L'interpretazione di Copenhagen della meccanica quantistica è ancora il tentativo più ampiamente accettato di dare un senso a cosa significhi effettivamente la fisica quantistica in senso fisico.

Dice essenzialmente che la funzione d'onda (che descrive lo stato di una particella) e lo Schrödinger l'equazione (che usi per determinare la funzione d'onda) ti dice tutto quello che puoi sapere su un quanto stato. All'inizio potrebbe sembrare ragionevole, ma questo implica molte cose sulla natura della realtà che non si adattano bene a molte persone.

Ad esempio, la funzione d'onda di una particella si diffonde nello spazio, quindi l'interpretazione di Copenaghen afferma che una particella non ha una posizione definitiva fino a quando non viene effettuata una misurazione.

Quando si effettua una misurazione, si provoca il collasso della funzione d'onda e la particella cade istantaneamente in uno dei tanti possibili stati, e questo può essere previsto solo in termini di probabilità.

L'interpretazione dice che le particelle quantistiche in realtà non hanno valori di osservabili come posizione, quantità di moto o spin fino a quando non viene fatta un'osservazione. Esistono in una gamma di stati potenziali, in quella che viene chiamata una "sovrapposizione" e possono essenzialmente essere pensato come tutti loro in una volta, anche se ponderato per riconoscere che alcuni stati sono più probabili di altri.

Alcuni prendono questa interpretazione in modo più rigoroso di altri: ad esempio, la funzione d'onda potrebbe essere semplicemente vista come una teoria costrutto che consente agli scienziati di prevedere i risultati degli esperimenti, ma questo è in generale il modo in cui l'interpretazione vede i quanti teoria.

Nell'esperimento mentale, Schrödinger ha proposto di mettere un gatto in una scatola, quindi è stato nascosto agli osservatori (puoi immaginare che anche questa sia una scatola insonorizzata) insieme a una fiala di veleno. La fiala di veleno è truccata per rompere e uccidere il gatto se si verifica un certo evento quantistico, che Schrödinger ha interpretato come il decadimento di un atomo radioattivo rilevabile con un contatore Geiger.

Come un processo quantistico, i tempi del decadimento radioattivo non possono essere previsti in nessun caso specifico, solo come media su molte misurazioni. Quindi, senza alcun modo per rilevare effettivamente il decadimento e la rottura della fiala del veleno, non c'è letteralmente modo di sapere se è successo nell'esperimento.

Allo stesso modo in cui le particelle non sono considerate in una posizione particolare prima della misurazione nella teoria dei quanti, ma a sovrapposizione quantistica di possibili stati, l'atomo radioattivo può essere considerato in una sovrapposizione di "decaduto" e "non decaduto."

La probabilità di ciascuno potrebbe essere prevista a un livello che sarebbe accurato su molte misurazioni ma non per un caso specifico. Quindi se l'atomo radioattivo è in sovrapposizione e la vita del gatto dipende interamente da questo stato, significa che anche lo stato del gatto è in sovrapposizione di stati? In altre parole, il gatto è in una sovrapposizione quantistica di vivo e morto?

La sovrapposizione degli stati avviene solo a livello quantistico o l'esperimento mentale mostra che dovrebbe applicarsi logicamente anche agli oggetti macroscopici? Se non può essere applicato a oggetti macroscopici, perché no? E soprattutto: non è tutto un po' ridicolo?

L'esperimento mentale arriva al cuore filosofico della meccanica quantistica. In uno scenario di facile comprensione, i potenziali problemi con l'interpretazione di Copenaghen sono messi a nudo e i sostenitori della spiegazione sono lasciati con alcune spiegazioni da fare. Uno dei motivi per cui è durato nella cultura popolare è senza dubbio che mostra vividamente la differenza tra il modo in cui la meccanica quantistica descrive lo stato delle particelle quantistiche e il modo in cui descrivi macroscopico oggetti.

Tuttavia, affronta anche la nozione di cosa si intende per "misura" nella meccanica quantistica. Questo è un concetto importante, perché il processo di collasso della funzione d'onda dipende fondamentalmente dal fatto che qualcosa sia stato osservato.

Le persone hanno bisogno di? osservare fisicamente l'esito di un evento quantistico (ad esempio, la lettura del contatore Geiger), o ha semplicemente bisogno di interagire con qualcosa di macroscopico? In altre parole, il gatto è un "dispositivo di misurazione" in questo scenario: è così che si risolve il paradosso?

Non c'è davvero una risposta a queste domande che sia ampiamente accettata. Il paradosso cattura perfettamente di cosa si tratta nella meccanica quantistica che è difficile da digerire per gli umani abituati a sperimentare il mondo macroscopico, e in effetti, il cui cervello alla fine si è evoluto per comprendere il mondo in cui vivi e non il mondo subatomico particelle.

Il paradosso EPR è un altro esperimento mentale inteso a mostrare problemi con la meccanica quantistica, e prende il nome da Albert Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen, che hanno ideato il paradosso. Questo si riferisce a entanglement quantistico, che Einstein definì notoriamente "azione spettrale a distanza".

In meccanica quantistica, due particelle possono essere "entangled", in modo che una qualsiasi delle coppie non possa essere descritta senza riferimento al altro - i loro stati quantistici sono descritti da una funzione d'onda condivisa che non può essere separata in una per una particella e una per un altro.

Ad esempio, due particelle in uno specifico stato entangled possono avere il loro "spin" misurato, e se ne viene misurata una come avendo spin "up", l'altro deve avere spin "down" e viceversa, anche se questo non è determinato in anticipo.

Questo è comunque un po' difficile da accettare, ma cosa accadrebbe se, propone il paradosso EPR, le due particelle fossero separate da un'enorme distanza. La prima misurazione viene effettuata e rivela "spin down", ma poi molto poco dopo (così veloce che anche una luce segnale non avrebbe potuto viaggiare da una posizione all'altra nel tempo) viene effettuata una misurazione sul secondo particella.

Come fa la seconda particella a "conoscere" il risultato della prima misurazione se è impossibile che un segnale abbia viaggiato tra le due?

Einstein credeva che questa fosse la prova che la meccanica quantistica era "incompleta" e che c'erano "variabili nascoste" in gioco che avrebbero spiegato risultati apparentemente illogici come questi. Tuttavia, nel 1964, John Bell trovò un modo per verificare la presenza delle variabili nascoste proposte da Einstein e trovato una disuguaglianza che, se rotta, dimostrerebbe che il risultato non può essere ottenuto con una variabile nascosta teoria.

Esperimenti eseguiti sulla base di questo hanno scoperto che la disuguaglianza di Bell è rotta, e quindi il paradosso è solo un altro aspetto della meccanica quantistica che sembra strano, ma è semplicemente il modo in cui funziona la meccanica quantistica.