Pisica lui Schrodinger este un experiment de gândire conceput în 1935 de fizicianul Erwin Schrödinger pentru a evidenția presupusele deficiențe ale interpretării de la Copenhaga a fizicii cuantice , și de a evidenția în special problema de măsurare .
În mecanica cuantică este relativ dificil de proiectare , deoarece descrierea lumii se bazează pe amplitudine de probabilitate ( val funcții ). Aceste funcții de undă pot fi în combinație liniară, dând naștere la „ stări suprapuse ”. Cu toate acestea, în timpul unei așa-numite operațiuni de „măsurare”, obiectul cuantic va fi găsit într-o stare determinată; funcția de undă oferă probabilitățile de a găsi obiectul într-o astfel de stare.
Este măsurarea care deranjează sistemul și îl determină să se ramifice dintr-o stare cuantică suprapusă (atom atât intact, cât și dezintegrat, de exemplu ... dar cu o probabilitate de dezintegrare într-un anumit interval de timp, care este perfect determinat) la o stare măsurată. . Această stare nu preexistă măsura: este măsura care o face să se întâmple.
Cu toate acestea, noțiunea de măsură sau bifurcație nu apare în mod explicit sau chiar indirect în formalismul cuantic, iar încercările de a realiza această noțiune vin cu dificultăți extreme. Drept urmare, unii fizicieni nu acordă nicio realitate fizică conceptului de măsurare sau observare. Pentru ei, stările suprapuse nu se prăbușesc sau nu se „ramifică”, iar starea măsurată nu există de fapt (vezi de exemplu: Hugh Everett ).
Pentru a scoate în evidență natura paradoxală a acestei poziții și a pune problema într-o manieră izbitoare, Schrödinger și-a imaginat acest experiment de gândire , cunoscut și sub denumirea de „paradoxul Schrödinger”.
Erwin Schrödinger și -a imaginat un experiment de gândire în care o pisică este blocată într-o cutie cu un dispozitiv care ucide animalul imediat ce detectează dezintegrarea unui atom într-un corp radioactiv; de exemplu: un detector de radioactivitate de tip Geiger , conectat la un întrerupător care provoacă căderea unui ciocan care sparge o fiolă de otravă - Schrödinger a propus acid cianhidric , care poate fi blocat sub formă lichidă într-un flacon presurizat și vaporizat, devenind un gaz letal, odată flaconul este rupt.
Dacă probabilitățile indică faptul că o decădere are o șansă una din două de a avea loc după un minut, mecanica cuantică indică faptul că, până la efectuarea observației (sau mai exact că nu, nu a existat o reducere a pachetului de unde ), atomul se află într-o suprapunere a două stări: intactă și dezintegrată. Cu toate acestea, mecanismul imaginat de Erwin Schrödinger leagă starea pisicii (moartă sau vie) de starea particulelor radioactive, astfel încât pisica ar fi, de asemenea, într-o suprapunere de stări (starea moartă și starea vie ), până la deschiderea cutiei (observație) declanșează alegerea între cele două stări. Prin urmare, este imposibil să se spună dacă pisica este moartă sau nu după un minut.
Prin urmare, principala dificultate constă în faptul că, dacă cineva este în general gata să accepte acest tip de situație pentru o particulă, mintea refuză să accepte cu ușurință o situație care pare atât de nefirească atunci când vine vorba de un subiect.
Acest experiment nu a fost realizat niciodată, deoarece:
De fapt, scopul este mai presus de toate de a marca spiritele: dacă teoria cuantică permite unei pisici să fie în același timp moarte și vie, este fie că este greșită, fie că toate prejudecățile vor trebui reconsiderate.
Într-o scrisoare datată 8 august 1935și adresat lui Schrödinger , Einstein propune un experiment de gândire în care un butoi de praf de pușcă ar fi într-o suprapunere de state , butoiul a explodat și butoiul nu a explodat încă . Schrödinger răspunde mai departe19 augustprin înlocuirea butoiului cu o pisică pe care un dispozitiv o plasează într-o suprapunere a stărilor moarte și vii . De atunci Einstein a folosit un butoi cu pulbere cu o pisică în apropiere. Schrödinger și Einstein credeau că posibilitatea pisicii strigoi a demonstrat că interpretarea lui Max Born a funcției de undă era incompletă. „ Ce soluție ?” Arată că această situație subliniază în mod clar ciudățenia mecanicii cuantice, dar nu o respinge.
Este evident că faptul că interpretarea ortodoxă a fizicii cuantice duce la o pisică atât moartă, cât și vie, arată că mecanica cuantică se supune legilor adesea contrare intuiției noastre. Mai rău, ne dăm seama că întrebarea nu este „cum este posibil acest lucru în lumea cuantică?” „Dar” cum este acest lucru imposibil în lumea macroscopică? ".
Anecdotic, ne putem întreba și noi (așa face Étienne Klein în „ A fost de șapte ori revoluția ) de unde vine alegerea pisicii pentru acest experiment de gândire. Sciences et Avenir , într-un număr special dedicat pisicii lui Schrödinger, sugerează ipoteza unei referințe de la Schrödinger la pisica Cheshire .
Afirmația „Pisica este moartă și vie” este într-adevăr confuză, iar intuiția noastră ne spune că expresiile „pisica este moartă” și „pisica este vie” sunt fiecare negație a celeilalte. De fapt, există o a treia posibilitate: pisica poate fi într-o stare de suprapunere, în care acumulează mai multe stări clasice incompatibile. Nu există nicio problemă logică ( principiul terțului exclus nu este pus la îndoială), doar că un obiect cuantic poate avea proprietăți care contravin experienței noastre de zi cu zi.
Pentru a evita abuzurile de limbaj pe „pisica strigoiului ”, putem prefera să spunem că pisica se află într-o stare în care clasificările obișnuite (aici viață sau moarte) își pierd sensul.
Dar se poate, ca Einstein, să refuze să admită că pisica nu are o stare definită până când nu operează o observație și să presupunem că, dacă se vede pisica vie, a fost de la închiderea sa. Einstein a anticipat obiecția lui Niels Bohr „Misticul pozitivist va replica că nu se poate specula despre starea pisicii atâta timp cât nu se uită sub pretextul că nu ar fi științific”.
Admiterea chiar că starea pisicii rezultă direct din cea a particulei, din punct de vedere semantic, pentru a spune că pisica este moartă și vie nu este în întregime legitimă: este mai precis , dacă folosim notația bra-ket a lui Paul Dirac . Și din nou, coeficienții din fața vectorilor „mort” și „viu” ar putea fi numere complexe. „Și” ale limbajului de zi cu zi nu prea au sens în această situație, „și” logic ar trebui redefinite. Problema nu este exclusivă fizicii cuantice: dacă coeficientul , dacă pisica este în viață sau dacă este moartă este echivalent cu întrebarea dacă, la 13 h 30 , mâna orelor unui ceas este orizontală sau verticală.
Tocmai ecuația Schrödinger autorizează aceste suprapuneri: această ecuație, care guvernează stările posibile ale unei particule studiate în cadrul fizicii cuantice , este liniară , ceea ce implică faptul că pentru două stări posibile ale unei particule, combinația acestor două stări este de asemenea, o stare posibilă. Observarea, pe de altă parte, forțează tranziția către una dintre aceste două state.
Presupunând o dependență directă între starea unei particule și viața pisicii - sugerată de liniaritatea ecuației Schrödinger - pisica ar trebui să fie într-o stare suprapusă, moartă și vie, până la observare, ceea ce o va reduce la o singură stat.
Diferite opțiuni propun rezolvarea acestui paradox:
O serie de teoreticieni cuantici susțin că starea de suprapunere poate fi menținută numai în absența interacțiunilor cu mediul care „declanșează” alegerea dintre cele două stări (moarte sau vii). Aceasta este teoria decoerenței . Ruptura nu este cauzată de o acțiune „conștientă”, pe care o interpretăm ca o „măsură”, ci de interacțiunile fizice cu mediul, astfel încât coerența este ruptă cu atât mai repede cu cât există mai multe interacțiuni. La o scară macroscopică, cea a miliarde de miliarde de particule, ruptura are loc deci aproape instantaneu. Cu alte cuvinte, starea de suprapunere poate fi menținută numai pentru obiecte foarte mici (câteva particule). Decoerența are loc indiferent de prezența unui observator, sau chiar a unei măsurători. Prin urmare, nu există paradox : pisica se află într-o stare determinată cu mult înainte de deschiderea cutiei. Această teorie este apărată în special de fizicienii Roland Omnès și Jean-Marc Lévy-Leblond , de premiile Nobel Murray Gell-Mann și Serge Haroche (lumina dezvăluită, Odile Jacob 2020).
O variantă a teoriei decoerenței este apărată în special de fizicienii Roger Penrose , Rimini, Ghirardi și Weber. Pleacă de la observația că decoerența este demonstrată din legile cuantice numai în cazuri specifice și prin simplificarea presupunerilor și având un conținut arbitrar (povești cu „grosime”). Mai mult, legile cuantice fiind fundamental liniare, iar decoerența fiind neliniară în esență, obținerea celei de-a doua din prima pare extrem de suspectă în ochii acestor fizicieni. Prin urmare, legile cuantice nu ar fi singure capabile să explice decoerența. Prin urmare, acești autori introduc parametri fizici suplimentari în legile cuantice (acțiunea gravitației de exemplu pentru Penrose) pentru a explica decoerența, care apare întotdeauna independent de prezența unui observator, sau chiar a unei măsurători.
Această teorie are avantajul față de cea anterioară de a oferi un răspuns clar și obiectiv la întrebarea „ce se întâmplă între nivelul microscopic și nivelul macroscopic care explică decoerența”. Dezavantajul este că acești parametri suplimentari, deși sunt compatibili cu experimentele cunoscute, nu corespund niciunei teorii complete și bine stabilite până în prezent.
Mulți fizicieni pozitivisti , bine reprezentați de Werner Heisenberg sau Stephen Hawking , cred că funcția undelor nu descrie realitatea în sine, ci doar ceea ce știm despre aceasta (această abordare coincide cu filosofia lui Immanuel Kant , noumenonul , cu alte cuvinte lucru în sine , opus fenomenului , lucru așa cum îl percepem noi). Cu alte cuvinte, legile cuantice sunt utile numai pentru calcularea și prezicerea rezultatului unui experiment, dar nu și pentru descrierea realității. În această ipoteză, starea suprapusă a pisicii nu este o stare „reală” și nu este nevoie să filosofăm despre aceasta (de aici faimoasa frază a lui Stephen Hawking „Când aud„ pisica lui Schrödinger ”, îmi scot arma” ). La fel, „prăbușirea funcției de undă” nu are nicio realitate și descrie pur și simplu schimbarea cunoștințelor noastre despre sistem. În această abordare, care este încă destul de răspândită în rândul fizicienilor, paradoxul este eliminat.
Teoria universurilor paralele introdusă de Hugh Everett ia opusul abordării pozitiviste și afirmă că funcția de undă descrie realitatea și toată realitatea. Această abordare face posibilă descrierea separată a celor două stări suprapuse și le oferă o dublă realitate care părea să fi dispărut, dizolvată în paradox (mai exact două realități în două universuri complet paralele - și, fără îndoială, incapabilă să comunice între ele de câteva ori separa). Această teorie nu se pronunță asupra întrebării dacă există o dublare a realității ( multe-lumi ) sau o dublare, spre deosebire de observatorii aceleiași realități ( multe-minți ), deoarece aceste două posibilități nu prezintă nicio diferență.
În ciuda complexității sale și a îndoielilor cu privire la refutabilitatea sa , această teorie câștigă sprijinul multor fizicieni, nefiind convinși de teoria decoerenței, nu a pozitivistilor și crezând că legile cuantice sunt exacte și complete.
Paradoxul pisicii își are sursa în interpretarea pe care o facem asupra suprapunerii cuantice. O stare suprapusă este matematic doar o combinație liniară de stări observabile, două în cazul atomului radioactiv. Problema apare deoarece în lumea clasică (macroscopică), aceste stări suprapuse nu există sau cel puțin nu au fost niciodată observate. Observăm doar celelalte două stări, numite precis stări observabile. Este un pic ca în jocul aruncărilor sau cozilor, moneda care se rotește în aer, se află într-o suprapunere a stării cozilor și a stării feței înainte de a fi măsurată, dar, la sfârșitul măsurării, doar capetele sau se vor observa cozi. Teoria de Broglie-Bohm From rezolvă paradoxul pisicii în același mod în care a crescut nedeterminarea bateriei sau a cozilor, completând descrierea sistemului.
Pentru jocul aruncării cu monede, este necesar să adăugați condițiile inițiale precise (pozițiile și viteza piesei) pentru a determina care față va fi măsurată și pentru a aștepta măsurarea (gravitația) pentru a forța partea să „aleagă” între o aruncare sau o coadă. Teoria de Broglie-Bohm From procedează în același mod pentru a ridica suprapunerea atomului radioactiv. Trebuie să adăugăm o poziție inițială atomului radioactiv, funcția sa de undă nu este suficientă pentru a descrie pe deplin experiența.
Deși teoria lui De Broglie-Bohm reproduce toate fenomenele cuantice cunoscute și nu a fost identificat nici un defect obiectiv în această teorie, este relativ necunoscut comunității fizicienilor și puțin în vogă printre acestea. Cu toate acestea, este considerat un exemplu interesant și chiar o paradigmă a unei teorii cu variabile ascunse nelocale.
Un Premiu Nobel pentru fizică din 1963, Eugene Wigner , susține teza interacțiunii conștiinței , în decoerență (încetarea suprapunerii stării). În această interpretare, nu ar fi o măsurare sau interacțiuni fizice, ci conștiința observatorului care ar „decide” în cele din urmă dacă pisica este moartă sau vie. Privind prin fereastră, ochiul (în acest caz, este dispozitivul de măsurare) este plasat într-o suprapunere de stări:
Wigner nu spune cum, dar consecințele poziției sale sunt importante: realitatea materială a lumii ar fi determinată de conștiința noastră, iar aceasta este unică (doi observatori umani trebuie să perceapă același lucru). Această soluție poate fi văzută ca o variantă a soluției „cu variabile ascunse”, în care „parametrul suplimentar” ar fi conștiința. Avantajele acestei soluții sunt aceleași cu soluția cu variabile ascunse, dezavantajele fiind că se bazează pe noțiuni non-științifice (din lipsa unei definiții științifice a conștiinței).
O variantă interesantă face ca rezultatul să fie și mai spectaculos: o cameră face o imagine a pisicii după o oră, apoi camera care conține pisica este sigilată permanent (hublourile închise). Fotografia nu va fi dezvoltată decât după un an. Cu toate acestea, abia atunci o conștiință umană va decide între viața sau moartea pisicii. Semnalul nervos s-ar întoarce în timp pentru a decide asupra vieții sau morții pisicii? Poate suna absurd, dar experimentul lui Marlan Scully și paradoxul EPR ilustrează existența unor feedback-uri aparente în timp în fizica cuantică.
Dacă pisica ar fi fost un observator?În rezolvarea paradoxului pisicii lui Schrödinger, se consideră că pisica nu are conștiință care să îi permită să joace rolul de observator. Prin urmare, postulăm că experimentul pisicii lui Schrödinger este echivalent cu cel al butoiului cu pulbere al lui Einstein . Cei care consideră că este contraintuitiv să se gândească la o pisică ca la un simplu obiect lipsit de conștiință pot înlocui în mod explicit pisica cu butoiul cu pulbere.
Dacă, dimpotrivă, dorim să studiem ce se întâmplă dacă observatorul este conștient, înlocuim pisica cu o ființă umană sau adăugăm o ființă umană în lanț, pentru a evita disputele cu privire la faptul că observatorul este conștient. Acestea sunt variantele lui Wigner's Friend și Quantum Suicide.
Ar trebui înțeles că cazurile observatorilor conștienți constituie variante ale problemei inițiale, în timp ce cele în care observatorul nu este conștient sunt reformulări echivalente .
Prietenul lui WignerÎn această variantă imaginată de Eugene Wigner , unul dintre prietenii săi observă pisica în mod constant printr-o fereastră. Acest prieten iubește pisicile.
Deci, suprapunerea stărilor de pisici moarte / vii ar duce la o suprapunere a stărilor prietene triste / fericite ale lui Wigner, presupunând că un observator conștient poate fi pus și într-o stare suprapusă. Majoritatea interpretărilor de mai sus concluzionează dimpotrivă că suprapunerea stărilor ar fi spartă înainte de a duce la cea a prietenului lui Wigner.
Sinuciderea cuantică propune că o ființă umană, capabilă să joace rolul de observator, ia locul pisicii. Această situație pune o problemă pentru interpretările care joacă un rol în conștiință, deoarece voluntarul nostru curajos poate fi conștient doar prin definiția de a fi în viață. Acest lucru duce la întrebări noi.
Spre deosebire de cazul pisicii (nu conștient, să ne amintim că în caz de îndoială cu privire la acest subiect putem înlocui pisica lui Schrödinger cu butoiul cu pulbere al lui Einstein), acest experiment ar conduce la rezultate diferite în funcție de interpretări. Prin urmare, ar face posibilă eliminarea mai multor interpretări dacă nu ar fi imposibilă din mai multe motive evidente.
Interpretarea lui Wigner duce la imposibilitatea morții voluntarului nostru ... care, prin urmare, trebuie să interzică dezintegrarea atomului.
Într-adevăr, potrivit lui Wigner, conștientizarea unei stări este cea care provoacă, direct sau indirect, prăbușirea funcției de undă. Deoarece conștientizarea este posibilă numai în cazul „viu”, acest lucru face imposibil ca funcția de undă să se prăbușească în starea „moartă” (în orice caz, atâta timp cât nu există un „prieten” al lui Wigner pentru a deveni conștient de stat a experimentatorului).
Ce se întâmplă atunci când probabilitatea decăderii se apropie de 1? Până când vor fi de acord atomii să nu se dezintegreze pentru că un om nu poate fi conștient de propria sa moarte?
Cazul „sinuciderii cuantice” a fost inițial imaginat pentru a contracara această interpretare.
Această interpretare face, de asemenea, conștiința să joace un rol, deoarece stipulează că la fiecare observație conștiința „se împarte” în câte universuri câte observații sunt posibile din punct de vedere fizic ...
În această interpretare, există întotdeauna cel puțin un univers în care trăiește experimentatorul (cu excepția cazului în care probabilitatea de a muri este de 100%). Prin urmare, ne-am putea întreba dacă „conștiința” nu se ramifică sistematic în univers cu rezultatul „trăirii”, ducând la un fel de „nemurire cuantică”; autorul și actorul Norbert Aboudarham și-a brodat piesa lui Schrödinger's Cat în jurul acestei teme .
Arborele soluției problemei de măsurare | |||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Teoria cuantica | |||||||||||||||||
Nu este menit să reprezinte realitatea | Nu reprezintă pe deplin realitatea | Reprezintă total realitatea | |||||||||||||||
Pozitivism | Legi cuantice modificate | Influența conștiinței | Adăugarea unei variabile suplimentare: poziția | Decoerența cuantică | Universuri multiple | ||||||||||||
Stephen Hawking Niels Bohr |
Roger penrose | Eugene Wigner | Teoria lui De Broglie-Bohm |
Roland Omnès Murray Gell-Mann James Hartle |
Hugh Everett David Deutsch |
||||||||||||
Giancarlo Ghirardi Alberto Rimini Wilhelm Eduard Weber |
John von Neumann Fritz London și Edmond Bauer |
John Bell |
Hans-Dieter Zeh Wojciech Zurek |
||||||||||||||
Bernard d'Espagnat Olivier Costa de Beauregard |
În orice caz, acest experiment de gândire și paradoxul asociat au luat astăzi valoarea simbolurilor centrale ale fizicii cuantice . Fie că servesc pentru a susține un aspect al acestei teorii sau dacă servesc pentru a apăra o opțiune teoretică divergentă, sunt chemați la salvare aproape de fiecare dată când se observă convergența dificilă dintre realitatea macroscopică și realitatea microscopică (o situație caracteristică lumii cuantice). sau presupus.
Această pisică strigoi s-ar putea să sune ca un experiment de gândire nebună, dar este o bună introducere în complexitățile mecanicii cuantice. De asemenea, este important să rețineți că tocmai de stăpânirea stărilor de suprapunere și de decoerență (și, prin urmare, a soluției acestui paradox) depinde realizarea unui computer cuantic.
Dacă nu putem pune o pisică într-o suprapunere de stări incompatibile, pe de altă parte o putem face cu particule simple. Cele mai utilizate sunt fotonii. Un prim experiment a fost efectuat în 1996, iar un al doilea a fost realizat în august 2007 pe fotoni de către cercetătorii de la institutul optic Paris Sud (inclusiv francezul Philippe Grangier ).
Vorbim de „stare pisică” pentru a spune că un obiect cuantic se află într-o suprapunere de stări incompatibile.
Pisica lui Schrödinger, într-o stare atât de particulară, a adus multe glume. În primul rând, este adesea prezentat ca o fantomă , deoarece este mort și viu în același timp. Așa cum nu s-a observat niciodată, fizicienii au elaborat avize de cercetare: „VREAT! Pisica lui Schrödinger. Mort și viu ”.
Și uneori, să fiu mai riguros: „VREAT! Pisica lui Schrödinger. Mort, viu sau ”.
De asemenea, este scris uneori, deoarece chat n ' nu este mort, cu cuvinte îndrăznețe care clipesc.
Unii au remarcat că, odată cu deschiderea cutiei, ucidem pisica (sau nu), Schrödinger a dat un nou sens proverbului englez „ curiosity kill the cat ” ( „curiozitatea a ucis pisica” ).
"- Pisica va muri când nu mai există aer?"
- Cred că ar putea muri, da, domnule, a răspuns valetul său Albert. Dar, după părerea mea, nu acesta este lucrul important. Dacă înțeleg bine, nu vei ști dacă pisica este moartă sau vie până nu te-ai uitat.
- Ne-am afla în giulgii frumoase, Albert, da, nu știam cum să recunosc morții în viață fără să mă uit mai atent.
- Uh ... Teoretic, domnule, tocmai faptul de a privi este cel care determină dacă este în viață sau nu.
Moartea părea șocată.
- Sugerați că voi ucide pisica doar uitându-mă la ea?
- Nu este chiar asta, domnule.
- Adică, nu parcă aș face fețe, lucruri de genul acesta. "