Experimentul Pisica lui Schrödinger este unul dintre cele mai cunoscute experimente mentale din fizica cuantică. Acesta a fost conceput pentru a evidenția modul în care principiile mecanicii cuantice pot duce la situații paradoxale și greu de înțeles pentru mintea umană. În acest articol, vom analiza conceptul esențial din spatele experimentului și implicațiile sale asupra vieții cotidiene.
Ce este pisica lui Schrodinger: detalii despre experiment
Pisica lui Schrödinger este un experiment mental imaginat de fizicianul austriac Erwin Schrödinger în 1935 cu scopul de a demonstra paradoxul interpretării mecanicii cuantice atunci când aceasta este aplicată obiectelor din viața de zi cu zi. Experimentul are în vedere principiul superpoziției cuantice, care se referă la abilitatea unei particule subatomice de a exista în mai multe stări simultan, până în momentul în care este măsurată sau observată.
Concret, experimentul lui Schrödinger descrie o pisică imaginară închisă într-o cutie împreună cu un dispozitiv care conține un atom radioactiv și un detector. Dacă atomul se dezintegrează (un proces aleatoriu guvernat de legile cuantice), detectorul înregistrează acest lucru și declanșează un mecanism care sparge o fiolă cu otravă, omorând pisica. Dacă atomul nu se dezintegrează, pisica rămâne vie.
Aici intervine partea ciudată: conform interpretării standard a mecanicii cuantice, înainte de a deschide cutia și a OBSERVA ce s-a întâmplat, atomul se află într-o „superpoziție” de stări – este atât dezintegrat cât și nedezintegrat în același timp. Asta ar însemna logic că și pisica se află într-o superpoziție, fiind simultan vie și moartă, până când deschidem cutia pentru a verifica.
Iată cum își descrie Schrödinger experimentul:
„Putem imagina chiar cazuri destul de ridicole. O pisică este închisă într-o cameră din oțel, împreună cu următorul dispozitiv (care trebuie să fie ferit de interacțiunea directă cu pisica): într-un detector Geiger-Müller se află o cantitate mică de material radioactiv, atât de mică încât, în decurs de o oră, doar un singur atom probabil se va dezintegra sau, cu egală probabilitate, poate niciunul; dacă totuși se întâmplă, detectorul Geiger va genera un semnal si prin intermediul unui releu eliberează un ciocan care sparge o mică fiolă de cianură. Dacă lăsăm nesupravegheat întregul sistem timp de o oră, putem spune că pisica trăiește încă dacă în acest timp nici un atom nu s-a dezintegrat. Funcția de undă a întregului sistem va exprima acest fapt având în ea pisica vie-și-moartă (scuzați expresia) sau împrăștiată în părți egale. Este tipic pentru aceste cazuri ca o nedeterminare localizată inițial la nivel atomic să fie transformată într-o nedeterminare la nivel macroscopic, care poate fi apoi rezolvată prin observare directă. Asta ne împiedică să acceptăm în mod naiv ca valid un „model neclar” pentru a reprezenta realitatea. Prin el însuși el nu conține nimic neclar sau contradictoriu. Există o mare diferență între o fotografie mișcată sau nefocalizată și o fotografiere clară a norilor și a pâlcurilor de ceață.”
Ce intenționează să demonstreze experimentul mental despre pisica lui Schrödinger?
Prin acest experiment, Schrödinger a dorit să demonstreze absurditatea aplicării principiului superpoziției la un obiect cotidian, cum ar fi o pisică.
Conform teoriei cuantice, înainte de a fi observat, un sistem se află într-o stare de superpoziție/suprapunere, adică poate exista în mai multe stări simultan. Prin analogie, pisica ar fi atât vie, cât și moartă până în momentul în care cineva deschide cutia și face o observație (observă dacă substanța radioactivă s-a degradat și a eliberat otrava). Din punct de vedere matematic, există o șansă de 50% ca substanța să se degradeze și pisica să fie moartă și o șansă de 50% ca pisica să fie în viață.
De ce a făcut Schrödinger un astfel de “experiment”: originea și motivarea?
Testul Pisica lui Schrödinger a apărut în 1935, ca urmare a discuțiilor între Einstein și alți fizicieni despre ciudățeniile fizicii cuantice. Einstein subliniase că, teoretic, chiar și un butoi cu explozibil ar putea exista simultan în stare explodată și neexplodată, conform teoriilor cuantice.
Schrödinger a dus această idee mai departe, aplicând-o la o situație și mai absurdă: o pisică închisă într-o cutie. Așa a luat naștere experimentul în care viața sau moartea pisicii depinde de comportamentul unei particule subatomice. Conform teoriei cuantice dominante la acea vreme (Interpretarea Copenhaga), pisica ar trebui să fie simultan vie și moartă până când cineva deschide cutia și verifică starea pisicii.
Important de știut este că Schrödinger nu credea că o pisică poate fi în realitate vie și moartă în același timp, așa cum niciun alt obiect nu poate fi în două sau mai multe locuri în același timp sau nu poate avea simultan două caracteristici contradictorii. Tocmai din acest motiv, el a creat acest experiment pentru a arăta cât de absurdă devine teoria cuantică atunci când o aplicăm la obiecte din lumea noastră de zi cu zi. Experimentul său mental era, de fapt, o critică la adresa interpretării Copenhaga, evidențiind limitele acesteia.
Interpretarea de la Copenhaga
Interpretarea Copenhaga este una dintre cele mai vechi și mai acceptate explicații ale mecanicii cuantice, dezvoltată în principal de fizicienii Niels Bohr și Werner Heisenberg în anii 1920 la Copenhaga, Danemarca.
În esență, această interpretare spune că particulele subatomice nu au proprietăți bine definite până când sunt măsurate sau observate. Înainte de măsurare/observare, o particulă există într-o „superpoziție” de toate stările posibile, ca și cum ar exista în mai multe locuri sau ar avea mai multe proprietăți în același timp.
Când facem o măsurătoare/observare, această superpoziție „colapsează” brusc, iar particula adoptă o singură stare definită. Interpretarea Copenhaga susține că nu are sens să întrebăm ce face particula „cu adevărat” înainte de a o măsura – realitatea particulelor cuantice este fundamental probabilistică, nu determinată. Aceasta înseamnă că universul la nivel subatomic are o doză de incertitudine și aleatoriu, iar observatorul joacă un rol activ în definirea realității prin actul măsurării.
Deși mulți fizicieni acceptă această interpretare pentru calculele practice, ea ridică și întrebări filosofice profunde despre natura realității și conștiinței, care continuă să fie dezbătute până în prezent.
Pisica lui Schrödinger și rolul ”Observatorului”
În mecanica cuantică, observatorul (persoana care efectuează experimentul) are un rol în rezultatele experimentului. În acest caz, până când observatorul nu deschide cutia, nu suntem conștienți de starea pisicii, ea existând într-o stare de suprapunere/superpoziție (adică pisica este ȘI vie, ȘI moartă). Numai prin deschiderea cutiei și privind la ceea ce se află înăuntru (adică, observând) se confirmă starea pisicii (FIE vie, FIE moartă).
Interpretările experimentului cu pisica lui Schrödinger
Există mai multe interpretări ale testului Pisica lui Schrödinger, fiecare încercând să explice implicațiile superpoziției cuantice. Cele mai cunoscute sunt interpretarea lumilor multiple propusă de Hugh Everett, interpretarea Ansamblu și teoria colapsului obiectiv.
Interpretarea multiversurilor lui Everett & istoriile consistente
În interpretarea multiplelor lumi, observarea nu este considerată un proces special, iar atât starea în care pisica este vie, cât și cea în care este moartă continuă să existe, însă în realități separate. Mai exact, atunci când cutia este deschisă, universul se împarte în două: unul în care observatorul vede o pisică moartă și altul în care observatorul vede o pisică vie. Ambele realități coexistă, însă niciuna dintre stări nu poate interacționa cu cealaltă, astfel că observatorul este conștient doar de una dintre ele.
Același mecanism al separării cuantice apare în așa numitele Istorii Consistente, care interpretează mecanica cuantică fără existența unui observator extern. Teoria istoriilor consistente sugerează că realitatea poate fi reprezentată ca o serie de „istorii” sau secvențe de evenimente cuantice, fiecare având o anumită probabilitate de a se desfășura. Doar seturile de istorii care respectă regulile mecanicii cuantice sunt considerate „consistente” și pot fi utilizate pentru a face predicții despre sistem. În experimentul cu Pisica lui Schrödinger, doar „pisica-vie” sau „pisica-moartă” pot fi o parte a istoriei consistente în această interpretare.
Interpretarea Ansamblu
Această teorie sugerează că superpozițiile cuantice nu descriu starea unui singur sistem (de exemplu, o singură pisică din experimentul lui Schrödinger), ci doar un ansamblu mare de sisteme similare. Cu alte cuvinte, mecanica cuantică nu spune nimic despre starea exactă a unei pisici individuale, ci doar despre probabilitățile observate într-un număr mare de experimente similare.
Această interpretare evită problema paradoxului pisicii lui Schrödinger, deoarece nu presupune că pisica este simultan vie și moartă într-un singur experiment. În schimb, consideră că rezultatul poate fi descris doar în termeni statistici, ceea ce înseamnă că nu este nevoie să atribuim un sens profund superpoziției la nivel individual. Astfel, interpretarea Ansamblu respinge ideea că fiecare sistem fizic trebuie să aibă întotdeauna o descriere matematică unică.
Teoria colapsului obiectiv
Aceasta afirmă că superpoziția se destramă în mod natural fără să fie nevoie de o observație conștientă. Cu alte cuvinte, stările cuantice colapsează spontan după un anumit timp sau dacă implică un sistem suficient de mare (cum ar fi o pisică).
Cum se folosește astăzi experimentul Pisica lui Schrödinger
Astăzi, acest experiment se folosește pentru a explica conceptele de fizică cuantică într-un mod ușor de înțeles.
De asemenea, experimentul Pisica lui Schrödinger este aplicat metaforic în mai multe situații din viața de zi cu zi, pentru a arăta că un rezultat nu este determinat până în momentul în care este observat. De exemplu, dacă ieși în oraș cu un prieten și nu ați decis ce să comandați la cină, până în momentul în care luați o hotărâre, toate opțiunile posibile rămân valabile simultan.
Din această perspectivă, unii oameni consideră că viața însăși este „cuantică”, deoarece viitorul, până în momentul în care devine realitate, există într-o suprapunere a tuturor scenariilor posibile.
Iată alte exemple de aplicare a experimentului Pisica lui Schrodinger în viața de zi cu zi:
Rezultatele unui examen. Dacă ai susținut un test, până în momentul în care primești rezultatele, din punct de vedere conceptual, ai atât o notă bună, cât și una proastă. În momentul când verifici rezultatele, superpoziția „colapsează” și te afli într-o singură stare- în care ai luat fie o notă mare, fie una mică.
Un e-mail necitit. Până când deschizi un e-mail important (de exemplu, un răspuns la o ofertă de muncă), nu știi dacă ai fost acceptat sau respins, așa că ambele scenarii posibile coexistă în mintea ta.
La fel se poate spune și despre biletul la loterie (până verifici numerele câștigătoare, din punct de vedere teoretic, poți fi atât câștigător, cât și pierzător), înscrierea la o facultate (până primești răspunsul, poți fi într-o stare de „superpoziție”, în care atât acceptarea, cât și refuzul sunt posibile) sau orice altă situație unde incertitudinea persistă până în momentul observației.
În concluzie, experimentul mental Pisica lui Schrödinger este un instrument esențial care ajută la înțelegerea paradoxurilor teoretice ale fizicii cuantice. Deși imaginat în 1935, el continuă să genereze discuții fundamentale despre natura realității, observație și incertitudine.
Surse articol: Wikipedia.org, Builtin.com
