Nel 1935 - due anni dopo aver vinto il premio Nobel per i suoi contributi alla fisica quantistica - il fisico austriaco Erwin Schrödinger propose il famoso esperimento mentale noto come paradosso del gatto di Schrödinger .
Cos'è il paradosso del gatto di Schrödinger?

Il paradosso è una delle cose più note sulla meccanica quantistica nella cultura popolare, ma non è semplicemente un modo surreale e divertente per descrivere come il quantum il mondo si comporta, in realtà colpisce una critica chiave all'interpretazione dominante della meccanica quantistica.

Persiste perché propone l'idea assurda di un gatto vivo e morto contemporaneamente, ma ha un certo peso filosofico perché, in un questo è davvero qualcosa che la meccanica quantistica potrebbe suggerire sia possibile.

Schrödinger ha inventato l'esperimento mentale proprio per questo motivo. Come molti altri fisici, non era completamente soddisfatto dall'interpretazione di Copenhagen della meccanica quantistica e stava cercando un modo per trasmettere ciò che vedeva come il difetto centrale in esso come un modo per descrivere la realtà.
The Copenhagen Interpretation della meccanica quantistica

L'interpretazione di Copenhagen della meccanica quantistica è ancora il tentativo più ampiamente accettato di dare un senso a ciò che la fisica quantistica in realtà significa in senso fisico.

Dice essenzialmente che la funzione d'onda (che descrive lo stato di una particella) e l'equazione di Schrödinger (che usi per determinare la funzione d'onda) ti dicono tutto ciò che puoi sapere su uno stato quantico. All'inizio questo può sembrare ragionevole, ma ciò implica molte cose sulla natura della realtà che non si adattano bene a molte persone.

Ad esempio, la funzione d'onda di una particella si diffonde nello spazio, e quindi il Copenhagen l'interpretazione afferma che una particella non ha una posizione definitiva fino a quando non viene effettuata una misurazione.

Quando si effettua una misurazione, si causa il collasso della funzione d'onda e la particella cade istantaneamente in uno dei diversi stati possibili, e questo può essere previsto solo in termini di probabilità.

L'interpretazione dice che le particelle quantistiche in realtà non hanno valori di osservabili come posizione, momento o rotazione fino a quando non viene fatta un'osservazione
. Esistono in una serie di stati potenziali, in quella che viene chiamata una "sovrapposizione" e possono essenzialmente essere pensati come tutti in una volta, anche se ponderati per riconoscere che alcuni stati sono più probabili di altri.

Alcuni prendi questa interpretazione più rigorosamente di altre - per esempio, la funzione d'onda potrebbe semplicemente essere vista come un costrutto teorico che consente agli scienziati di prevedere i risultati degli esperimenti - ma questo è in generale il modo in cui l'interpretazione vede la teoria quantistica.
Il gatto di Schrödinger >

Nell'esperimento mentale, Schrödinger propose di mettere un gatto in una scatola, quindi era nascosto agli osservatori (puoi anche immaginare che fosse una scatola insonorizzata) insieme a una fiala di veleno. La fiala di veleno è truccata per rompere e uccidere il gatto se si verifica un certo evento quantico, che Schrödinger ha considerato il decadimento di un atomo radioattivo che è rilevabile con un contatore Geiger.

Come processo quantico, la tempistica del decadimento radioattivo non può essere prevista in nessun caso specifico, solo come media su molte misurazioni. Quindi, senza alcun modo per rilevare effettivamente il decadimento e la fiala della rottura del veleno, non c'è letteralmente modo di sapere se è accaduto nell'esperimento.

Allo stesso modo in cui le particelle non sono considerate in un posizione particolare prima della misurazione nella teoria quantistica, ma una sovrapposizione quantistica di stati possibili, l'atomo radioattivo può essere considerato in una sovrapposizione di "decaduto" e "non decaduto".

La probabilità di ciascuno potrebbe essere previsto a un livello che sarebbe accurato su molte misurazioni ma non per un caso specifico. Quindi se l'atomo radioattivo si trova in una sovrapposizione e la vita del gatto dipende interamente da questo stato, significa che anche lo stato del gatto è in sovrapposizione di stati? In altre parole, il gatto è in una sovrapposizione quantistica di vivi e morti?

La sovrapposizione di stati avviene solo a livello quantico o l'esperimento mentale mostra che dovrebbe applicarsi logicamente anche a oggetti macroscopici? Se non può applicarsi agli oggetti macroscopici, perché no? E soprattutto: non è tutto un po 'ridicolo?
Perché è importante?

L'esperimento del pensiero arriva al cuore filosofico della meccanica quantistica. In uno scenario di facile comprensione, i potenziali problemi con l'interpretazione di Copenaghen vengono messi a nudo e i sostenitori della spiegazione vengono lasciati con alcune spiegazioni da fare. Uno dei motivi per cui è sopportato nella cultura popolare è senza dubbio che mostra vividamente la differenza tra il modo in cui la meccanica quantistica descrive lo stato delle particelle quantistiche e il modo in cui descrivi gli oggetti macroscopici.

Tuttavia, affronta anche la nozione di cosa intendi per "misurazione" nella meccanica quantistica. Questo è un concetto importante, perché il processo di collasso della funzione d'onda dipende fondamentalmente dal fatto che qualcosa sia stato osservato.

Le persone hanno bisogno di osservare fisicamente l'esito di un evento quantico (ad esempio, leggendo il contatore Geiger), o deve semplicemente interagire con qualcosa di macroscopico? "dispositivo di misurazione" in questo scenario - è così che si risolve il paradosso?

Non c'è davvero una risposta a queste domande che è ampiamente accettata. Il paradosso cattura perfettamente ciò che riguarda la meccanica quantistica che è difficile da digerire per gli umani abituati a sperimentare il mondo macroscopico e, in effetti, i cui cervelli alla fine si sono evoluti per comprendere il mondo in cui vivi e non il mondo delle particelle subatomiche.
Il paradosso EPR

Il paradosso EPR è un altro esperimento mentale pensato per mostrare problemi con la meccanica quantistica, e prende il nome da Albert Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen, che hanno ideato il paradosso. Ciò si riferisce all'entanglement quantico, che Einstein ha definito "azione spettrale a distanza".

Nella meccanica quantistica, due particelle possono essere "intrecciate", in modo che nessuna coppia possa essere descritta senza riferimento all'altro - i loro stati quantistici sono descritti da una funzione d'onda condivisa che non può essere separata in una per una particella e in un'altra per un'altra.

Ad esempio, due particelle in uno specifico stato impigliato possono avere il loro "giro" misurato, e se uno viene misurato con uno spin "su", l'altro deve avere uno spin "giù" e viceversa, anche se questo non è determinato in anticipo.

Questo è un po 'difficile da accettare comunque ma se, come suggerisce il paradosso dell'EPR, le due particelle fossero separate da una distanza enorme. La prima misurazione viene eseguita e rivela "spin down", ma poi molto presto (così in fretta che nemmeno un segnale luminoso avrebbe potuto viaggiare da una posizione all'altra nel tempo) viene effettuata una misurazione sulla seconda particella. >

In che modo la seconda particella "conosce" il risultato della prima misurazione se è impossibile che un segnale abbia viaggiato tra i due?

Einstein credeva che questa fosse la prova che la meccanica quantistica era "incompleta", e che c'erano in gioco "variabili nascoste" che avrebbero spiegato risultati apparentemente illogici come questi. Tuttavia, nel 1964, John Bell trovò un modo per verificare la presenza delle variabili nascoste proposte da Einstein e trovò una disuguaglianza che, se rotta, avrebbe dimostrato che il risultato non poteva essere ottenuto con una teoria delle variabili nascoste.

Gli esperimenti condotti sulla base di questo hanno scoperto che la disuguaglianza di Bell è rotta, e quindi il paradosso è solo un altro aspetto della meccanica quantistica che sembra strano ma è semplicemente il modo in cui la meccanica quantistica funziona.