Se si imposta un sistema quantistico in cui il risultato determina quindi qualcosa di macroscopico, come il… vita o morte di un gatto in una scatola, si potrebbe intuire che questo significa, fino a quando si apre la scatola, il gatto è in una sovrapposizione di stati vivi e morti. La storia reale è molto, molto più ricca di quella.
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Una delle idee più bizzarre sull’Universo quantistico è la nozione di stati indeterminati., Nel nostro universo convenzionale e macroscopico, siamo abituati a cose che semplicemente esistono in un modo particolare e non controverso. Che guardiamo qualcosa o no, esiste semplicemente, indipendentemente dalle nostre osservazioni. Ma nell’Universo quantistico, i singoli sistemi mostrano un comportamento diverso a seconda che tu li misuri o meno. Forse la più famosa divulgazione di questa idea è sotto forma di gatto di Schrödinger, dove viene impostato un sistema in modo che se un atomo radioattivo decade, il gatto muore, ma se no, il gatto vive., Ma ci sono più miti che verità che circondano questo esperimento, e Dave Wagner vuole che li distrugga, suggerendo:
Stavo solo leggendo uno dei tuoi “Top n miti/incomprensioni su…”pezzi, e ho pensato che una buona idea per uno sarebbe” Top n miti / incomprensioni circa il gatto di Schrödinger.”
Diamo un’occhiata a ciò che sta realmente accadendo dietro questo famoso esperimento mentale.
Gli elettroni presentano proprietà d’onda e proprietà delle particelle e possono essere usati per costruire…, immagini o dimensioni delle particelle della sonda altrettanto bene come la luce può. Qui, puoi vedere i risultati di un esperimento in cui gli elettroni (o, con risultati equivalenti, i fotoni) vengono sparati uno alla volta attraverso una doppia fessura. Una volta che abbastanza elettroni sono sparati, il modello di interferenza può essere visto chiaramente.
Thierry Dugnolle/Public Domain
Prima di tutto, è importante riconoscere da dove proviene l’idea del gatto di Schrödinger: un vero esperimento fisico con risultati inequivocabili ma molto poco intuitivi., Tutto quello che dovete fare è brillare un po ‘ di luce verso due sottili, fessure ravvicinate, e osservare che tipo di modello visivo si presenta sullo schermo sul lato opposto. Finché la tua luce è tutta della stessa lunghezza d’onda e guardi solo lo schermo, otterrai uno schema di interferenza o un insieme alternativo di molte bande chiare e scure.
Ma se poi riconosci, “hey, la luce è fatta di fotoni, e ogni singolo fotone deve passare attraverso una fessura o l’altra”, inizi a vedere la stranezza in gioco. Anche l’invio di fotoni attraverso uno alla volta ti dà ancora il modello di interferenza., E poi hai la brillante idea di misurare quale fessura attraversa ogni fotone. Non appena lo fai — e hai successo, a proposito-il modello di interferenza scompare.
Se si misura quale fessura attraversa un elettrone quando si esegue un doppio di una particella alla volta… esperimento a fessura, non si ottiene un modello di interferenza sullo schermo dietro di esso. Invece, gli elettroni (o fotoni) si comportano non come onde, ma come particelle classiche.
Wikimedia Commons user Inductiveload
Come possiamo dare un senso a questo?, Questo esperimento è, in molti modi, l’illustrazione definitiva di come funziona la fisica quantistica, e anche perché è così strano. È come se i singoli quanti stessi si comportassero come onde e interferissero con se stessi, viaggiando attraverso entrambe le fessure simultaneamente e producendo il modello osservato. Ma se avete il coraggio di andare a misurarli — determinando quindi quale fessura attraversano — viaggiano solo attraverso una fessura o l’altra, e non producono più quell’interferenza.
Rende una cosa molto chiara: l’atto di osservare un sistema quantistico può, infatti, cambiare molto il risultato., Ma questo, come la maggior parte delle scoperte in fisica, porta solo più domande. In quali condizioni un’osservazione cambia il risultato? Cosa significa fare un’osservazione? E un essere umano deve essere un “osservatore”, o potrebbe essere sufficiente una misurazione inorganica e non vivente?
Queste sono tutte buone domande, ed è stato proprio pensando a questi tipi di problemi che ha portato Erwin Schrödinger a formulare il suo famoso paradosso felino. Va qualcosa del genere:
- si imposta un sistema chiuso, cioè, una casella
- dove all’interno del box è un sistema quantistico, come un singolo atomo radioattivo,
- e quando l’atomo decade, si apre una porta,
- dietro quella porta è avvelenato cibo per gatti,
- e anche in scatola è un gatto che si mangia il cibo, quando diventa disponibile,
- quindi si attende una mezza vita lunghezza di tempo,
- e poi si chiede la domanda chiave: il gatto è vivo o morto?
Questo è tutto. Questa è l’idea completa dell’esperimento di pensiero del gatto di Schrödinger.
Il gatto è vivo o morto?, Mentre potremmo pensare che il gatto stesso è in una sovrapposizione di… stati morti e vivi fino a quando non apriamo la scatola, questa è una linea di pensiero errata che è persistita per molti decenni, nonostante il fatto che lo stesso Schrodinger non abbia mai affermato una cosa del genere.
geralt /
Quindi, cosa succede quando apri la scatola?,
Aprire la scatola deve essere equivalente a fare un’osservazione, quindi o:
- troverai un gatto morto che ha mangiato il cibo che è stato rivelato dall’atomo radioattivo in decomposizione, o
- troverai un gatto vivo in cui non è stato rivelato alcun cibo e l’atomo radioattivo originale non è ancora decaduto.
Ma prima di aprire la scatola — perché è così che funzionano i sistemi quantistici — il sistema cat/food / atom deve essere in una sovrapposizione di entrambi gli stati., C’è solo una probabilità indeterminata che l’atomo sia decaduto, e quindi l’atomo deve essere in una sovrapposizione di stati decaduti e non decaduti contemporaneamente. Poiché il decadimento dell’atomo controlla la porta, la porta controlla il cibo, e il cibo determina se il gatto vive o muore, il gatto stesso, quindi, deve essere in una sovrapposizione di stati quantici. In qualche modo, il gatto è sia in parte morto che in parte vivo fino a quando non viene fatta un’osservazione.
In un esperimento tradizionale gatto di Schrodinger, non si sa se il risultato di un quantum…, il decadimento si è verificato, portando alla scomparsa del gatto o meno. All’interno della scatola, il gatto sarà vivo o morto, a seconda che una particella radioattiva sia decaduta o meno. Se il gatto fosse un vero sistema quantistico, il gatto non sarebbe né vivo né morto, ma in una sovrapposizione di entrambi gli stati fino all’osservazione. Tuttavia, non puoi mai osservare che il gatto sia contemporaneamente morto e vivo.
Utente Wikimedia Commons Dhatfield
E questo, in poche parole, è il più grande mito e malinteso associato al gatto di Schrödinger.,
In realtà, Erwin Schrödinger stesso non ha presentato la sua idea “gatto” come un esperimento proposto. Non l’ha ideato per porre domande profonde sul ruolo di un essere umano nel processo di osservazione. In realtà non ha affermato che il gatto stesso sarebbe in una sovrapposizione di stati quantici, dove è in parte morto e in parte vivo contemporaneamente, il modo in cui un fotone sembra passare in parte attraverso entrambe le fessure nell’esperimento a doppia fenditura.
Ogni idea in questo senso è di per sé un mito e un equivoco che va contro lo scopo originale di Schrödinger nel mettere avanti questo esperimento mentale., Il suo vero scopo? Per illustrare quanto sia facile arrivare a una previsione assurda — come una previsione di un gatto simultaneamente mezzo morto e mezzo vivo-se si interpreta male o si fraintende la meccanica quantistica.
Quando si esegue un esperimento su uno stato di qubit che inizia come/10100> e lo si passa attraverso… 10 impulsi accoppiatori (cioè operazioni quantistiche), non otterrai una distribuzione piatta con probabilità uguali per ciascuno dei 10 possibili risultati., Invece, alcuni risultati avranno probabilità anormalmente alte e alcuni avranno quelli molto bassi. Misurare il risultato di un computer quantistico può determinare se si sta mantenendo il comportamento quantistico previsto o perderlo nel vostro esperimento. Mantenerlo, anche solo per pochi qubit, per qualsiasi notevole quantità di tempo è una delle più grandi sfide che l’informatica quantistica deve affrontare oggi; buona fortuna farlo per qualcosa di complesso come un gatto.
C. Neill et al. (2017), arXiv: 1709.,06678v1, quant-ph
In altre parole, praticamente tutto quello che hai mai sentito parlare del gatto di Schrödinger è probabilmente un mito, con la sola eccezione del fatto che i sistemi quantistici in realtà sono ben descritto da un probabilisticamente ponderato sovrapposizione di tutti i possibili, ammissibile stati, e che un’osservazione o misurazione si rivelano sempre uno e solo uno stato definitivo.
Questo non è solo vero, ma è vero indipendentemente dall’interpretazione quantistica scelta., Non importa se stai selezionando un risultato dall’insieme di tutti i possibili risultati; non importa se stai collassando una funzione d’onda indeterminata in uno stato determinato; non importa se stai cadendo in un particolare Universo da una suite infinita di Universi paralleli.
Tutto ciò che conta è che si è verificata un’osservazione quantistica.
L’interpretazione di molti mondi della meccanica quantistica sostiene che ci sono un numero infinito di…, universi paralleli che esistono, che contengono tutti i possibili risultati di un sistema meccanico quantistico, e che facendo un’osservazione sceglie semplicemente un percorso. Questa interpretazione è filosoficamente interessante, ma il nostro gatto sarà vivo o morto, non una sovrapposizione di entrambi, indipendentemente dal comportamento di un osservatore esterno.
Christian Schirm
In realtà, il gatto stesso è un osservatore perfettamente valido. Il fatto che la porta o il cancello si aprano e che il meccanismo che lo controlla venga attivato, è un’osservazione perfettamente valida., Lanciare un contatore Geiger in là, uno strumento che è sensibile ai decadimenti radioattivi, conterebbe come osservazione. E, in effetti, qualsiasi interazione non reversibile che si verifica all’interno di quel sistema, anche se è completamente sigillata dal mondo esterno in quella scatola, rivelerà uno e un solo stato definitivo: o l’atomo è decaduto o non l’ha fatto.
La ragione alla base di questo è semplicemente che ogni interazione tra due particelle quantistiche ha il potenziale per determinare lo stato quantistico, collassando efficacemente la funzione d’onda quantistica nell’interpretazione più comune., In realtà, il decadimento (o non decadimento) dell’atomo attiverà (o non attiverà) il meccanismo della porta, e solo lì, è dove si verifica la transizione da questo bizzarro comportamento quantistico al nostro familiare comportamento classico.
Questo grafico mostra (in rosa) la quantità di un campione radioattivo che rimane dopo diverse emivite… sono passati. Dopo un’emivita, metà del campione è lasciato; dopo due emivita, una metà del resto (o un quarto) è lasciato; e dopo tre emivita, una metà di quella (o un ottavo) è lasciato., Se quel decadimento serve come innesco per qualcosa che si verifichi o non si verifichi, tuttavia, ciò è di per sé sufficiente a costituire un’osservazione.
Andrew Fraknoi, David Morrison, e Sidney Wolff / Rice University, in c.c.un.-4.0
Schrödinger stesso è stato molto chiaro su questo punto, affermando:
e ‘ tipico di questi casi che un’indeterminatezza originariamente limitato al atomica di dominio, si trasforma in macroscopico vago, che può quindi essere risolto dall’osservazione diretta., Ciò ci impedisce di accettare così ingenuamente come valido un “modello sfocato” per rappresentare la realtà. Di per sé, non incarnerebbe nulla di poco chiaro o contraddittorio. C’è una differenza tra una fotografia traballante o fuori fuoco e un’istantanea di nuvole e banchi di nebbia.
In altre parole, Schrödinger sapeva che il gatto doveva essere vivo o morto. Il gatto stesso non sarà mai in una sovrapposizione di stati quantici, ma sarà definitivamente morto o definitivamente vivo in qualsiasi momento nel tempo., Solo perché la tua fotocamera è fuori fuoco, sostiene, non significa che la realtà sia fondamentalmente sfocata.
Questo pannello 2 mostra le osservazioni del Centro Galattico con e senza Ottica adattiva,… illustrando il guadagno di risoluzione. Le posizioni effettive delle stelle (a destra) non sono intrinsecamente incerte a causa dei limiti della nostra attrezzatura (a sinistra), e allo stesso modo, un gatto non è incerto nella sua morte o nello stato di vita a causa della scatola in cui lo inseriamo.
UCLA Galactic Center Group-W. M., Keck Observatory Laser Team
Quando Einstein parlava di “Dio non gioca a dadi con l’Universo”, questo era ciò a cui si riferiva. Infatti, Einstein scrisse quanto segue a Schrödinger stesso, chiedendo retoricamente: “Lo stato del gatto deve essere creato solo quando un fisico indaga la situazione in un determinato momento?”
La risposta, forse sfortunatamente, è “certo che no.”Questo comportamento quantistico indeterminato è in realtà tremendamente difficile da mantenere; questa è una delle principali sfide nella costruzione di sistemi quantistici su larga scala., Entangling solo poche migliaia di atomi per un breve periodo di tempo è un risultato molto recente, e uno dei motivi per cui l’informatica quantistica è così difficile è perché i qubit entangled possono essere mantenuti solo in uno stato indeterminato per intervalli di tempo così brevi.
L’Universo quantico è sicuramente un luogo sconosciuto a quasi tutti noi, e il gatto di Schrödinger è principalmente un’illustrazione di quanto sia facile per noi interpretarlo male. Forse il mito principale del gatto di Schrödinger è che ha qualcosa a che fare con la stranezza quantistica.
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