Nessuno in questo mondo capisce cosa sia la meccanica quantistica. Questa è forse la cosa più importante che devi sapere su di lei. Naturalmente, molti fisici hanno imparato a usare le leggi e persino a prevedere i fenomeni sulla base del calcolo quantistico. Ma non è ancora chiaro il motivo per cui l'osservatore dell'esperimento determina il comportamento del sistema e gli fa assumere uno dei due stati.
Ecco alcuni esempi di esperimenti con risultati che inevitabilmente cambieranno sotto l'influenza dell'osservatore. Mostrano che la meccanica quantistica si occupa praticamente dell'intervento del pensiero cosciente nella realtà materiale.
Ci sono molte interpretazioni della meccanica quantistica oggi, ma l'interpretazione di Copenhagen è forse la più famosa. Negli anni '20, i suoi postulati generali furono formulati da Niels Bohr e Werner Heisenberg.
L'interpretazione di Copenhagen si basa sulla funzione d'onda. È una funzione matematica che contiene informazioni su tutti i possibili stati di un sistema quantistico in cui esiste simultaneamente. Secondo l'interpretazione di Copenhagen, lo stato di un sistema e la sua posizione rispetto ad altri stati possono essere determinati solo mediante osservazione (la funzione d'onda viene utilizzata solo per calcolare matematicamente la probabilità di trovare un sistema in uno stato o in un altro).
Possiamo dire che dopo l'osservazione, il sistema quantistico diventa classico e cessa immediatamente di esistere in stati diversi da quello in cui è stato osservato. Questa conclusione trovò i suoi oppositori (ricordiamo il famoso "Dio non gioca a dadi" di Einstein), ma l'accuratezza dei calcoli e delle previsioni aveva ancora la loro.
Tuttavia, il numero di sostenitori dell'interpretazione di Copenhagen sta diminuendo e la ragione principale di ciò è il misterioso collasso istantaneo della funzione d'onda durante l'esperimento. Il famoso esperimento mentale di Erwin Schrödinger con un gatto povero dovrebbe dimostrare l'assurdità di questo fenomeno. Ricordiamo i dettagli.
All'interno della scatola nera si trova un gatto nero e con esso una bottiglia di veleno e un meccanismo che può rilasciare veleno in modo casuale. Ad esempio, un atomo radioattivo può rompere una bolla durante il decadimento. Il tempo esatto di decadimento dell'atomo è sconosciuto. Si conosce solo l'emivita, durante la quale si verifica il decadimento con una probabilità del 50%.
Ovviamente, per un osservatore esterno, il gatto all'interno della scatola si trova in due stati: o è vivo se tutto è andato bene, o morto se si è verificato il decadimento e la bottiglia si è rotta. Entrambi questi stati sono descritti dalla funzione d'onda del gatto, che cambia nel tempo.
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Più tempo è passato, più è probabile che si sia verificato un decadimento radioattivo. Ma non appena apriamo la scatola, la funzione d'onda collassa e vediamo immediatamente i risultati di questo esperimento disumano.
Infatti, fino a quando l'osservatore non apre la scatola, il gatto si equilibrerà all'infinito tra la vita e la morte, oppure sarà vivo e morto allo stesso tempo. Il suo destino può essere determinato solo dalle azioni di un osservatore. Questa assurdità è stata sottolineata da Schrödinger.
1. Diffrazione degli elettroni
Secondo un sondaggio di famosi fisici del New York Times, l'esperimento di diffrazione elettronica è uno degli studi più sorprendenti nella storia della scienza. Qual è la sua natura? C'è una sorgente che emette un fascio di elettroni su uno schermo sensibile alla luce. E c'è un ostacolo sulla via di questi elettroni, una piastra di rame con due fessure.
Che tipo di immagine puoi aspettarti su uno schermo se gli elettroni ci vengono solitamente presentati come piccole sfere cariche? Due strisce di fronte alle fessure nella piastra di rame. Ma in realtà, sullo schermo appare uno schema molto più complesso di strisce bianche e nere alternate. Ciò è dovuto al fatto che quando attraversano la fenditura, gli elettroni iniziano a comportarsi non solo come particelle, ma anche come onde (i fotoni o altre particelle di luce si comportano allo stesso modo, che può essere un'onda allo stesso tempo).
Queste onde interagiscono nello spazio, entrando in collisione e rafforzandosi a vicenda e, di conseguenza, sullo schermo viene visualizzato un modello complesso di strisce chiare e scure alternate. Allo stesso tempo, il risultato di questo esperimento non cambia, anche se gli elettroni passano uno per uno - anche una particella può essere un'onda e passare simultaneamente attraverso due fenditure. Questo postulato è stato uno dei principali nell'interpretazione di Copenhagen della meccanica quantistica, quando le particelle possono dimostrare simultaneamente le loro proprietà fisiche "ordinarie" e proprietà esotiche come un'onda.
Ma per quanto riguarda l'osservatore? È lui che rende questa storia intricata ancora più confusa. Quando i fisici durante tali esperimenti cercarono di determinare, con l'aiuto di strumenti, attraverso la quale passa effettivamente l'elettrone, l'immagine sullo schermo cambiò radicalmente e divenne "classica": con due sezioni illuminate rigorosamente opposte alle fenditure, senza strisce alternate.
Gli elettroni sembravano riluttanti a rivelare la loro natura ondulatoria all'occhio vigile degli osservatori. Sembra un mistero avvolto nell'oscurità. Ma c'è anche una spiegazione più semplice: il monitoraggio del sistema non può essere effettuato senza influenzarlo fisicamente. Ne parleremo più tardi.
2. Fullereni riscaldati
Gli esperimenti di diffrazione delle particelle sono stati condotti non solo con gli elettroni, ma anche con altri oggetti molto più grandi. Ad esempio, hanno utilizzato i fullereni, molecole grandi e chiuse costituite da diverse decine di atomi di carbonio. Recentemente, un gruppo di scienziati dell'Università di Vienna, guidato dal professor Zeilinger, ha cercato di incorporare un elemento di osservazione in questi esperimenti. Per fare questo, hanno irradiato le molecole di fullerene in movimento con raggi laser. Quindi, riscaldate da una fonte esterna, le molecole hanno iniziato a brillare e inevitabilmente a mostrare la loro presenza per l'osservatore.
Insieme a questa innovazione, è cambiato anche il comportamento delle molecole. Prima che iniziasse un'osservazione così completa, i fullereni erano riusciti a evitare l'ostacolo (esibendo proprietà ondulatorie), simile all'esempio precedente con gli elettroni che colpivano lo schermo. Ma con la presenza di un osservatore, i fullereni hanno cominciato a comportarsi come particelle fisiche completamente rispettose della legge.
3. Dimensione di raffreddamento
Una delle leggi più famose nel mondo della fisica quantistica è il principio di indeterminazione di Heisenberg, secondo il quale è impossibile determinare la velocità e la posizione di un oggetto quantistico allo stesso tempo. Quanto più accuratamente misuriamo la quantità di moto di una particella, tanto meno accuratamente possiamo misurare la sua posizione. Tuttavia, nel nostro mondo reale macroscopico, la validità delle leggi quantistiche che agiscono su minuscole particelle di solito passa inosservata.
I recenti esperimenti del professor Schwab dagli USA danno un contributo molto prezioso a quest'area. Gli effetti quantistici in questi esperimenti sono stati dimostrati non a livello di elettroni o molecole di fullerene (con un diametro approssimativo di 1 nm), ma su oggetti più grandi, un minuscolo nastro di alluminio. Questo nastro era fissato su entrambi i lati in modo che la parte centrale fosse in uno stato sospeso e potesse vibrare sotto l'influenza esterna. Inoltre, nelle vicinanze è stato posizionato un dispositivo in grado di registrare con precisione la posizione del nastro. L'esperimento ha rivelato diverse cose interessanti. In primo luogo, qualsiasi misurazione relativa alla posizione dell'oggetto e all'osservazione del nastro lo ha influenzato, dopo ogni misurazione la posizione del nastro è cambiata.
Gli sperimentatori hanno determinato le coordinate del nastro con alta precisione e quindi, secondo il principio di Heisenberg, hanno cambiato la sua velocità e quindi la posizione successiva. In secondo luogo, del tutto inaspettatamente, alcune misurazioni hanno portato a un raffreddamento del nastro. Pertanto, l'osservatore può modificare le caratteristiche fisiche degli oggetti con la sua semplice presenza.
4. Congelamento di particelle
Come sapete, le particelle radioattive instabili decadono non solo negli esperimenti con i gatti, ma anche da sole. Ogni particella ha una durata di vita media che, a quanto pare, può aumentare sotto l'occhio vigile di un osservatore. Questo effetto quantistico è stato previsto già negli anni '60 e la sua brillante prova sperimentale è apparsa in un documento pubblicato da un gruppo guidato dal fisico vincitore del premio Nobel Wolfgang Ketterle del MIT.
In questo lavoro, è stato studiato il decadimento di atomi di rubidio eccitati instabili. Immediatamente dopo la preparazione del sistema, gli atomi sono stati eccitati utilizzando un raggio laser. L'osservazione avveniva in due modalità: continua (il sistema era costantemente esposto a piccoli impulsi luminosi) e pulsata (il sistema veniva irradiato di volta in volta con impulsi più potenti).
I risultati ottenuti erano in pieno accordo con le previsioni teoriche. Gli effetti di luce esterna rallentano il decadimento delle particelle, riportandole al loro stato originale, che è lontano dallo stato di decadimento. Anche l'entità di questo effetto è stata in linea con le previsioni. La durata massima degli atomi di rubidio eccitati instabili è aumentata di 30 volte.
5. Meccanica quantistica e coscienza
Elettroni e fullereni smettono di mostrare le loro proprietà ondulatorie, le piastre di alluminio si raffreddano e le particelle instabili rallentano il loro decadimento. L'occhio vigile di chi guarda cambia letteralmente il mondo. Perché questo non può essere una prova del coinvolgimento delle nostre menti nel funzionamento del mondo? Forse Carl Jung e Wolfgang Pauli (fisico austriaco, premio Nobel, pioniere della meccanica quantistica) avevano ragione dopo tutto quando affermavano che le leggi della fisica e della coscienza dovrebbero essere viste come complementari l'una all'altra?
Siamo a un passo dal riconoscere che il mondo che ci circonda è solo un prodotto illusorio della nostra mente. L'idea è spaventosa e allettante. Proviamo di nuovo a rivolgerci ai fisici. Soprattutto negli ultimi anni, quando sempre meno persone credono all'interpretazione di Copenhagen della meccanica quantistica, con la sua criptica funzione d'onda collassa, riferendosi a una decoerenza più banale e affidabile.
Il punto è che in tutti questi esperimenti con le osservazioni, gli sperimentatori hanno inevitabilmente influenzato il sistema. L'hanno acceso con un laser e installato dispositivi di misurazione. Erano uniti da un principio importante: non è possibile osservare un sistema o misurarne le proprietà senza interagire con esso. Qualsiasi interazione è un processo di modifica delle proprietà. Soprattutto quando un minuscolo sistema quantistico è esposto a colossali oggetti quantistici. Qualche osservatore buddista eternamente neutrale è impossibile in linea di principio. E qui entra in gioco il termine “decoerenza”, irreversibile dal punto di vista termodinamico: le proprietà quantistiche di un sistema cambiano quando interagisce con un altro grande sistema.
Durante questa interazione, il sistema quantistico perde le sue proprietà originali e diventa classico, come se "obbedisse" a un grande sistema. Questo spiega anche il paradosso del gatto di Schrödinger: il gatto è un sistema troppo grande, quindi non può essere isolato dal resto del mondo. Il design stesso di questo esperimento mentale non è del tutto corretto.
In ogni caso, se assumiamo la realtà dell'atto di creazione da parte della coscienza, la decoerenza sembra essere un approccio molto più conveniente. Forse anche troppo conveniente. Con questo approccio, l'intero mondo classico diventa una grande conseguenza della decoerenza. E come ha affermato l'autore di uno dei libri più famosi del settore, questo approccio porta logicamente a affermazioni come "non ci sono particelle nel mondo" o "non c'è tempo a livello fondamentale".
È vero in un creatore-osservatore o in una potente decoerenza? Dobbiamo scegliere tra due mali. Tuttavia, gli scienziati sono sempre più convinti che gli effetti quantistici siano una manifestazione dei nostri processi mentali. E dove finisce l'osservazione e inizia la realtà dipende da ciascuno di noi.
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