Em 1935 - dois anos após ganhar o Prêmio Nobel por suas contribuições à física quântica - austríaco O físico Erwin Schrödinger propôs o famoso experimento mental conhecido como paradoxo do gato de Schrödinger.
O que é o paradoxo do gato de Schrödinger?
O paradoxo é uma das coisas mais conhecidas sobre a mecânica quântica na cultura popular, mas não é meramente surreal e engraçado maneira de descrever como o mundo quântico se comporta, ele realmente atinge uma crítica fundamental da interpretação dominante do quantum mecânica.
Permanece porque propõe a ideia absurda de um gato simultaneamente vivo e morto, mas tem algum peso filosófico porque, em certo sentido, isso realmente é algo que a mecânica quântica pode sugerir que é possível.
Schrödinger criou o experimento mental precisamente por esse motivo. Como muitos outros físicos, ele não estava completamente satisfeito com a interpretação de Copenhague da mecânica quântica e estava procurando uma maneira de transmitir o que considerava o falha central nele como uma forma de descrever a realidade.
A Interpretação de Copenhagen da Mecânica Quântica
A interpretação de Copenhague da mecânica quântica ainda é a tentativa mais amplamente aceita de dar sentido ao que a física quântica realmente significa no sentido físico.
Essencialmente, diz que a função de onda (que descreve o estado de uma partícula) e a função de Schrödinger equação (que você usa para determinar a função de onda) diz tudo o que você pode saber sobre um quantum Estado. Isso pode parecer razoável à primeira vista, mas implica em muitas coisas sobre a natureza da realidade que não combinam com muitas pessoas.
Por exemplo, a função de onda de uma partícula se espalha pelo espaço e, portanto, a interpretação de Copenhagen afirma que uma partícula não tem uma localização definitiva até que uma medição seja feita.
Quando você faz uma medição, causa o colapso da função de onda e a partícula cai em um dos vários estados possíveis instantaneamente, e isso só pode ser previsto em termos de probabilidade.
A interpretação diz que as partículas quânticas, na verdade, não têm valores de observáveis, como posição, momento ou spin até que uma observação seja feita. Eles existem em uma gama de estados potenciais, no que é chamado de "superposição" e podem ser essencialmente pensado como todos eles ao mesmo tempo, embora ponderado para reconhecer que alguns estados são mais prováveis do que outras.
Alguns levam esta interpretação mais estritamente do que outros - por exemplo, a função de onda poderia simplesmente ser vista como um construção que permite aos cientistas prever os resultados dos experimentos - mas é assim que a interpretação vê o quantum teoria.
Gato de Schrodinger
No experimento mental, Schrödinger propôs colocar um gato em uma caixa, para que ficasse escondido dos observadores (você pode imaginar que seja uma caixa à prova de som também) junto com um frasco de veneno. O frasco de veneno é armado para quebrar e matar o gato se um certo evento quântico ocorrer, que Schrödinger considerou ser a decomposição de um átomo radioativo detectável com um contador Geiger.
Como um processo quântico, o tempo de decaimento radioativo não pode ser previsto em nenhum caso específico, apenas como uma média de muitas medições. Portanto, sem nenhuma maneira de realmente detectar a decomposição e o frasco da quebra do veneno, não há literalmente nenhuma maneira de saber se isso aconteceu no experimento.
Da mesma forma que as partículas não são consideradas como estando em um determinado local antes da medição na teoria quântica, mas um superposição quântica de possíveis estados, o átomo radioativo pode ser considerado em uma superposição de "decaído" e "não deteriorado. ”
A probabilidade de cada um poderia ser prevista em um nível que seria preciso em muitas medições, mas não em um caso específico. Então, se o átomo radioativo está em uma superposição, e a vida do gato depende inteiramente desse estado, isso significa que o estado do gato também está em superposição de estados? Em outras palavras, o gato está em uma superposição quântica de vivos e mortos?
A superposição de estados ocorre apenas no nível quântico ou o experimento de pensamento mostra que ela deveria se aplicar logicamente a objetos macroscópicos também? Se não pode se aplicar a objetos macroscópicos, por que não? E acima de tudo: isso não é um pouco ridículo?
Por que isso é importante?
O experimento mental atinge o cerne filosófico da mecânica quântica. Em um cenário fácil de entender, as questões potenciais com a interpretação de Copenhague são expostas e os proponentes da explicação ficam com algumas explicações a fazer. Uma das razões pelas quais é duradouro na cultura popular é, sem dúvida, que mostra vividamente a diferença entre como a mecânica quântica descreve o estado das partículas quânticas e a maneira como você descreve objetos.
No entanto, também aborda a noção do que você entende por "medição" na mecânica quântica. Este é um conceito importante, porque o processo de colapso da função de onda depende fundamentalmente se algo foi observado.
As pessoas precisam observar fisicamente o resultado de um evento quântico (por exemplo, leitura do contador Geiger) ou ele simplesmente precisa interagir com algo macroscópico? Em outras palavras, o gato é um “instrumento de medição” neste cenário - é assim que o paradoxo é resolvido?
Não há realmente uma resposta para essas perguntas que seja amplamente aceita. O paradoxo captura perfeitamente o que há na mecânica quântica que é difícil de engolir para os humanos acostumados a experimentar o mundo macroscópico e, na verdade, cujos cérebros evoluíram para entender o mundo em que você vive e não o mundo do subatômico partículas.
O Paradoxo EPR
O paradoxo EPR é outro experimento mental destinado a mostrar problemas com a mecânica quântica, e foi nomeado em homenagem a Albert Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen, que criaram o paradoxo. Isso se relaciona com emaranhamento quântico, que Einstein ficou conhecido como "ação assustadora à distância".
Na mecânica quântica, duas partículas podem ser "emaranhadas", de modo que qualquer uma do par não pode ser descrita sem referência ao outro - seus estados quânticos são descritos por uma função de onda compartilhada que não pode ser separada em uma para uma partícula e outra para outro.
Por exemplo, duas partículas em um estado específico emaranhado podem ter seu "spin" medido e, se um for medido como tendo spin “para cima”, o outro deve ter spin “para baixo” e vice-versa, embora isso não seja determinado de antemão.
De qualquer forma, isso é um pouco difícil de aceitar, mas e se, propõe o paradoxo EPR, as duas partículas estivessem separadas por uma grande distância. A primeira medição é feita e revela "rotação para baixo", mas logo em seguida (tão rápido que até mesmo uma luz sinal não poderia ter viajado de um local para outro no tempo) uma medição é feita no segundo partícula.
Como a segunda partícula "sabe" o resultado da primeira medição se é impossível que um sinal tenha viajado entre as duas?
Einstein acreditava que isso era a prova de que a mecânica quântica estava "incompleta" e que havia "variáveis ocultas" em jogo que explicariam resultados aparentemente ilógicos como esses. No entanto, em 1964, John Bell encontrou uma maneira de testar a presença das variáveis ocultas que Einstein propôs e encontrou uma desigualdade que, se quebrada, provaria que o resultado não poderia ser obtido com uma variável oculta teoria.
Experimentos realizados com base nisso descobriram que a desigualdade de Bell foi quebrada e, portanto, o paradoxo é apenas outro aspecto da mecânica quântica que parece estranho, mas é simplesmente o modo como a mecânica quântica funciona.