Molte persone hanno sentito questa espressione, ma forse non tutti ne comprendono nemmeno il significato semplificato. Proviamo a capirlo senza complicate teorie e formule.
"Il gatto di Schrödinger" è il nome del famoso esperimento mentale del famoso fisico teorico austriaco Erwin Schrödinger, vincitore anche del Premio Nobel. Con questa esperienza immaginaria, lo scienziato ha voluto mostrare l'incompletezza della meccanica quantistica nella transizione dai sistemi subatomici ai sistemi macroscopici.
L'articolo originale di Erwin Schrödinger fu pubblicato nel 1935. Ecco una citazione:
Puoi anche costruire casi in cui il burlesque è sufficiente. Che qualche gatto sia rinchiuso in una camera d'acciaio insieme alla seguente macchina diabolica (che dovrebbe essere indipendente dall'intervento del gatto): all'interno del 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 la probabilità non può disintegrarsi; in tal caso si scarica il tubo di lettura e si innesca il relè rilasciando il martello che rompe il cono con acido cianidrico.
Se lasci l'intero sistema a se stesso per un'ora, allora possiamo dire che il gatto sarà vivo dopo questo tempo, a condizione che il decadimento dell'atomo non si verifichi. Il primissimo decadimento di un atomo avrebbe avvelenato il gatto. La funzione psi del sistema nel suo complesso esprimerà questo mescolando o imbrattando un gatto vivo e uno morto (scusate l'espressione) in parti uguali. Tipico in questi casi è che l'incertezza, inizialmente limitata al mondo atomico, si trasforma in incertezza macroscopica, che può essere eliminata con l'osservazione diretta. Questo ci impedisce di accettare ingenuamente il "modello sfocato" come riflesso della realtà. Di per sé, questo non significa nulla di poco chiaro o contraddittorio. C'è una differenza tra una foto sfocata o sfocata e una foto di 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 con un gas velenoso. I parametri dell'esperimento sono stati selezionati in modo che la probabilità di decadimento nucleare in 1 ora fosse del 50%. Se il nucleo si disintegra, si apre un contenitore di gas e il gatto muore. Se il nucleo non si decompone, il gatto rimane vivo e vegeto.
- Chiudiamo il gatto in una scatola, aspettiamo un'ora e ci chiediamo: il gatto è vivo o morto?
- La meccanica quantistica, per così dire, ci dice 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” è 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%. Si scopre che il gatto seduto nella scatola è sia vivo che 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 nucleare 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 rivelatore-osservatore del nucleo.
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Secondo la meccanica quantistica, se non viene fatta alcuna osservazione sul nucleo di un atomo, il suo stato è descritto dalla miscelazione di due stati: un nucleo disintegrato e un nucleo non risolto, quindi un gatto seduto in una scatola e personificando il nucleo di un atomo è sia vivo che morto allo stesso tempo. Se la scatola è aperta, lo sperimentatore può vedere solo uno stato specifico: "il nucleo è decaduto, il gatto è morto" o "il nucleo non si è decomposto, il gatto è vivo".
L'essenza del linguaggio umano: l'esperimento di Schrödinger ha dimostrato che, dal punto di vista della meccanica quantistica, un gatto è sia vivo che morto, il che non può essere. Quindi, la meccanica quantistica ha difetti significativi.
La domanda è: quando il sistema cessa di esistere come una miscela di due stati e ne sceglie uno specifico? Lo scopo dell'esperimento è mostrare che la meccanica quantistica è incompleta senza alcune regole che indichino in quali condizioni la funzione d'onda collassa e il gatto o diventa morto o rimane vivo, ma cessa di essere una miscela di entrambi. Poiché è chiaro che il gatto deve necessariamente essere vivo o morto (non esiste uno stato intermedio tra la vita e la morte), allora questo sarà lo stesso per il nucleo atomico. Deve essere disintegrato o non disintegrato (Wikipedia).
Un'altra interpretazione più recente dell'esperimento mentale di Schrödinger è la storia di Sheldon Cooper, l'eroe della serie Big Bang Theory, che ha recitato per il vicino meno istruito di Penny. L'essenza della storia di Sheldon è che il concetto di gatto di Schrödinger può essere applicato nelle relazioni tra le persone. Per capire cosa sta succedendo tra un uomo e una donna, che tipo di rapporto tra loro: buono o cattivo, basta aprire la scatola. Prima di allora, le relazioni sono sia buone che cattive.
Di seguito è riportato un video di questo dialogo sulla teoria del Big Bang tra Sheldon e Singing.
L'illustrazione di Schrödinger è il miglior esempio per descrivere il principale paradosso della fisica quantistica: secondo le sue leggi, particelle come elettroni, fotoni e persino atomi esistono in due stati contemporaneamente ("vivo" e "morto", se ricordi il gatto longanime). Questi stati sono chiamati sovrapposizioni.
Il fisico americano Art Hobson dell'Università dell'Arkansas (Arkansas State University) ha offerto la sua soluzione a questo paradosso.
“Le misurazioni in fisica quantistica si basano sul funzionamento di alcuni dispositivi macroscopici, come il contatore Geiger, che determinano lo stato quantistico dei sistemi microscopici: atomi, fotoni ed elettroni. La teoria quantistica implica che se colleghi un sistema microscopico (particella) a un certo dispositivo macroscopico che distingue tra due diversi stati del sistema, allora il dispositivo (contatore Geiger, per esempio) entrerà in uno stato di entanglement quantistico e sarà anche in due sovrapposizioni simultaneamente. Tuttavia, è impossibile osservare direttamente questo fenomeno, il che lo rende inaccettabile”, afferma il fisico.
Hobson dice che nel paradosso di Schrödinger, il gatto interpreta il ruolo di uno strumento macroscopico, un contatore Geiger attaccato 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 è un indicatore di decadimento. Ma secondo la teoria quantistica, il gatto, come il nucleo, deve trovarsi in due sovrapposizioni di vita e morte.
Invece, secondo il fisico, lo stato quantistico del gatto dovrebbe essere impigliato con lo stato dell'atomo, il che significa che sono in "connessione non locale" tra loro. Cioè, se lo stato di uno degli oggetti aggrovigliati cambia improvvisamente nell'opposto, lo stato della sua coppia cambierà esattamente nello stesso modo, non importa quanto siano distanti l'uno dall'altro. In tal modo, Hobson fa riferimento alla conferma sperimentale di questa teoria quantistica.
“La cosa più interessante nella 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 trasferire le informazioni da un sistema all'altro. Quindi, possiamo dire che questo è un oggetto, diviso in due parti dallo spazio, non importa quanto sia grande la distanza tra loro”, spiega Hobson.
Il gatto di Schrödinger non è più vivo e morto allo stesso tempo. È morto se si verifica la decomposizione e vivo se la decomposizione non si verifica mai.
Aggiungiamo che opzioni simili per risolvere 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 in ampi circoli scientifici. Hobson osserva che risolvere i paradossi della meccanica quantistica, anche quelli teorici, è assolutamente necessario per la sua profonda comprensione.
Puoi leggere di più sul lavoro del fisico nel suo articolo, pubblicato sulla rivista Physical Review A.
Schrödinger.
Ma più recentemente, LA TEORICA HA SPIEGATO COME LA GRAVITÀ UCCIDE IL GATTO DI SCHRODINGER, ma questo è già più difficile …
Di regola, i fisici spiegano il fenomeno che la sovrapposizione è possibile nel mondo delle particelle, ma non possibile con gatti o altri macrooggetti, interferenza dall'ambiente. Quando un oggetto quantistico passa attraverso un campo o interagisce con particelle casuali, assume immediatamente un solo stato, come se fosse misurato. È così che la sovrapposizione viene distrutta, come credevano gli scienziati.
Ma anche se in qualche modo fosse possibile isolare un macrooggetto in stato di sovrapposizione dalle interazioni con altre particelle e campi, allora prima o poi esso assumerebbe comunque uno stato unico. Almeno questo è vero per i processi che si verificano 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 questo è estremamente improbabile. E il motivo è la gravità , spiega l'autore principale del nuovo studio, Igor Pikovski dell'Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.
Pikovsky ei suoi colleghi dell'Università di Vienna sostengono che la gravità ha un effetto distruttivo sulle sovrapposizioni quantistiche di macrooggetti, e quindi non osserviamo tali fenomeni nel macrocosmo. Il concetto di base della nuova ipotesi, tra l'altro, è riassunto nel lungometraggio Interstellar.
La teoria della relatività generale di Einstein afferma che un oggetto estremamente massiccio piegherà lo spaziotempo vicino ad esso. Considerando la situazione a un livello inferiore, possiamo dire che per una molecola posta vicino alla superficie della Terra, il tempo andrà un po 'più lentamente rispetto a quella nell'orbita del nostro pianeta.
A causa dell'influenza della gravità sullo spazio-tempo, una molecola che ha subito questa influenza subirà una deviazione nella sua posizione. E questo, a sua volta, dovrebbe influenzare la sua energia interna - le vibrazioni delle particelle in una molecola, che cambiano nel tempo. Se una molecola fosse 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, poiché altre fonti di decoerenza, come i campi magnetici, la radiazione termica e le vibrazioni, sono solitamente molto più forti e causano la distruzione dei sistemi quantistici molto prima che lo faccia la gravità. Ma gli sperimentatori stanno cercando di verificare l'ipotesi dichiarata.
Markus Arndt, un fisico sperimentale presso l'Università di Vienna, sta conducendo esperimenti per osservare la sovrapposizione quantistica in oggetti macroscopici. Invia piccole molecole all'interferometro, dando effettivamente alla particella una "scelta" quale percorso prendere. Dal punto di vista della meccanica classica, una molecola può andare solo in una direzione, ma una molecola quantistica può percorrere due percorsi contemporaneamente, interferendo con se stessa e creando un caratteristico motivo ondulato.
Una configurazione simile può essere utilizzata anche per testare la capacità della gravità di distruggere i sistemi quantistici. Per fare ciò sarà necessario confrontare gli interferometri verticale e orizzontale: nel primo la sovrapposizione scomparirà presto per dilatazione del tempo a differenti "altezze" del percorso, mentre nel secondo la sovrapposizione quantistica potrebbe persistere.
