Diverse

Paradoxul pisicii lui Schrödinger are o nouă interpretare cu implicații majore în teoria cuantica

Paradoxul pisicii lui Schrödinger are o nouă interpretare cu implicații majore în teoria cuantica

Cum este să fie atât vie cât și moartă?

Această întrebare a susținut și l-a inspirat pe fizicianul maghiar-american Eugene Wigner în anii ’60. El a fost frustrat de paradoxurile care decurg din vaginele mecanicii cuantice – teoria care guvernează tărâmul microscopic care sugerează, printre multe alte lucruri contra-intuitive, că până când nu este observat un sistem cuantic, acesta nu are neapărat proprietăți definite.

Luați faimosul experiment al lui Erwin Schrödinger, în care o pisică este prinsă într-o cutie cu otravă, care va fi eliberată dacă un atom radioactiv decade. Radioactivitatea este un proces cuantic. Astfel încât înainte de deschiderea cutiei, ca povestea să meargă înainte, atomul a fost activat și nu a activat, lăsând nefericita pisică în așteptare- în limbo, așa-numita super-stare între viață și moarte.

Dar pisica se află în această stare?

Wigner a accentuat paradoxul imaginându-și un prieten (uman) închis într-un laborator, măsurând un sistem cuantic. El a susținut că este absurd să spună că prietenul său există într-o super-poziție de a fi văzut și nu a fi văzut o degradare doar până când Wigner deschide ușa laboratorului. Experimentul ipotetic al „prietenului lui Wigner” arată că lucrurile pot deveni foarte ciudate dacă observatorul este de asemenea observat. Explică Nora Tischler, fizică cuantă la Universitatea Griffith din Brisbane, Australia.

Acum Tischler și colegii ei au efectuat o versiune a testului prietenului lui Wigner. Combinând experimentul de gândire clasic cu un alt zgârietor cu cap numit înțelegere – un fenomen care leagă particulele pe distanțe vaste – au derivat și o nouă teoremă, care susțin că pune cele mai puternice constrângeri încă asupra naturii fundamentale a realității. Studiul lor, apărut în Physics Nature la 17 august, are implicații asupra rolului pe care îl poate juca conștiința în fizica cuantică – și chiar dacă teoria cuantică trebuie înlocuită.

Noua lucrare este un „pas important înainte în domeniul metafizicii experimentale”, spune fizicianul cuantic Aephraim Steinberg de la Universitatea din Toronto, care nu a fost implicat în studiu. „Este începutul a ceea ce mă aștept că va fi un imens program de cercetare.”

O CHESTIUNE DE GUST

Până la apariția fizicii cuantice în anii 1920, fizicienii se așteptau ca teoriile lor să fie deterministe. Astfel, generând predicții pentru rezultatul experimentelor cu certitudine. Dar teoria cuantică pare a fi inerent probabilistică. Versiunea manualului – uneori numită interpretarea de la Copenhaga – spune că până când sunt măsurate proprietățile unui sistem, acestea pot cuprinde numeroase valori.

Această supoziție de dublă stare se unește într-o singură stare atunci când sistemul este observat. Iar fizicienii nu pot niciodată să prezică cu exactitate care va fi acea stare. Wigner a considerat opinia populară de atunci că conștiința declanșează cumva o superpoziție spre colaps. Astfel, ipoteticul său prieten ar discerne un rezultat cert atunci când ea sau el a făcut o măsurare. Wigner nu l-ar vedea niciodată în supunere.

De atunci, această părere a căzut în favoarea. „Oamenii care se află în bazele mecanicii cuantice resping rapid viziunea lui Wigner ca fiind înfricoșătoare și prost definită, deoarece face observatorii speciali”, spune David Chalmers, un filozof și om de știință cognitiv la Universitatea New York.

Astăzi, majoritatea fizicienilor sunt de acord că obiectele neînsuflețite pot elimina sistemele cuantice din suprapunere printr-un proces cunoscut sub numele de decoență. Cu siguranță, cercetătorii care încearcă să manipuleze superpoziții cuantice complexe în laborator își pot găsi munca grea distrusă de particulele rapide de aer care se ciocnesc cu sistemele lor. Deci își desfășoară testele la temperaturi super mici și încearcă să-și izoleze aparatele de vibrații.

Câteva interpretări cuantice care folosesc mecanisme mai puțin mistice, concurente au apărut de-a lungul deceniilor, cum ar fi decoherența, pentru a explica modul în care superpozițiile se descompun fără a invoca conștiința. Alte interpretări păstrează poziția și mai radicală că nu există niciun colaps. Fiecare are propria sa abordare ciudată și minunată la testul lui Wigner.

Cea mai exotică este punctul de vedere al „multor lumi”, care spune că ori de câte ori faceți o măsurare cuantică, frânturile de realitate creează universuri paralele pentru a se potrivi cu fiecare rezultat posibil. Astfel, prietenul lui Wigner s-ar împărți în două exemplare și, „cu o supertehnologie suficient de bună”, ar putea într-adevăr să măsoare acea persoană pentru a fi în supunere din afara laboratorului, spune fizicianul cuantic și un fan al multor lumi, Lev Vaidman, de la Universitatea Tel Aviv.

Teoria alternativă „Bohmian”

Teoria alternativă „Bohmian” (numită pentru fizicianul David Bohm) spune că, la nivel fundamental, sistemele cuantice au proprietăți definite; pur și simplu nu știm suficient despre aceste sisteme pentru a prezice cu exactitate comportamentul lor. În acest caz, prietenul are o singură experiență, dar Wigner poate măsura în continuare acel individ să se afle într-o superpoziție din cauza propriei sale ignoranțe. În schimb, un relativ nou venit pe bloc, denumit interpretarea QBism, îmbrăcă în întregime elementul probabilistic al teoriei cuantice (QBism, pronunțat „cubism”, este de fapt scurt pentru Bayesianismul cuantic, o referire la lucrarea matematicianului din secolul XVIII, Thomas Bayes, despre probabilitate).

QBists susține că o persoană poate folosi doar mecanica cuantică pentru a calcula modul de a calibra convingerile sale despre ceea ce va măsura într-un experiment. „Rezultatele măsurării trebuie considerate ca fiind personale pentru agentul care efectuează măsurarea”, spune Ruediger Schack de la Royal Holloway, Universitatea din Londra, care este unul dintre fondatorii QBism. Conform principiilor QBism, teoria cuantică nu vă poate spune nimic despre starea de bază a realității și nici Wigner nu o poate folosi pentru a specula experiențele prietenului său.

O altă interpretare intrigantă, numită retrocauzalitate, permite evenimentelor din viitor să influențeze trecutul. „Într-un cont retrocauzal, prietenul lui Wigner experimentează absolut ceva”, spune Ken Wharton, fizician la Universitatea de Stat din San Jose, care este un avocat pentru această perspectivă de răsucire a timpului. Dar acel „ceva” pe care îl experimentează prietenul la punctul de măsurare poate depinde de alegerea lui Wigner de a observa persoana respectivă mai târziu.

Problema este că fiecare interpretare este la fel de bună – sau de rău – la prezicerea rezultatului testelor cuantice, deci alegerea dintre ele se reduce la gust. „Nimeni nu știe care este soluția”, spune Steinberg. „Nici nu știm dacă lista de soluții potențiale pe care le avem este exhaustivă.”

Alte modele, numite teorii despre colaps, fac predicții testabile. Aceste modele abordează un mecanism care obligă un sistem cuantic să se prăbușească atunci când devine prea mare – explicând de ce pisicile, oamenii și alte obiecte macroscopice nu pot fi suprapuse. Se desfășoară experimente pentru a vâna semnăturile unor astfel de prăbușiri, dar până acum nu au găsit nimic. Fizicienii cuantici plasează, de asemenea, obiecte din ce în ce mai mari în superpoziție: anul trecut, o echipă din Viena a raportat acest lucru cu o moleculă de 2.000 de atomi.

Majoritatea interpretărilor cuantice spun că nu există niciun motiv pentru care aceste eforturi de suprapunere a superpozițiilor nu ar trebui să continue în sus pentru totdeauna, presupunând că cercetătorii pot concepe experimentele potrivite în condiții de laborator curat, astfel încât să poată fi evitată decernarea. Teoriile privind colapsul, însă, consideră că va fi atinsă o limită într-o zi, indiferent de cât de atent sunt pregătite experimentele. „Dacă încercați să manipulați un observator clasic – un om, să zicem – și să-l tratăm ca un sistem cuantic, acesta s-ar prăbuși imediat”, spune Angelo Bassi, un fizic cuantic și susținător al teoriilor prăbușirii la Universitatea din Trieste, în Italia.

O modalitate de a vedea prietenul lui  Wigners

Tischler și colegii ei au crezut că analizarea și efectuarea unui experiment de prieten al lui Wigner ar putea arunca lumină asupra limitelor teoriei cuantice. S-au inspirat dintr-un nou val de lucrări teoretice și experimentale, care au investigat rolul observatorului în teoria cuantică, aducând înțelegerea în configurația clasică a lui Wigner.

Spuneți că luați două particule de lumină, sau fotoni, care sunt polarizate astfel încât să poată vibra orizontal sau vertical. Fotonii pot fi de asemenea plasați într-o superpoziție de vibrație atât pe orizontală, cât și pe verticală în același timp, la fel cum pisica paradoxală a lui Schrödinger poate fi atât vie cât și moartă înainte de a fi observată.

Astfel de perechi de fotoni pot fi preparate împreună – încurcate – astfel încât polarizările lor să fie întotdeauna în direcția opusă când sunt observate. Acest lucru poate să nu pară ciudat – decât dacă vă amintiți că aceste proprietăți nu sunt fixate până când nu sunt măsurate.

Chiar dacă un foton este dat unui fizician numit Alice în Australia, în timp ce celălalt este transportat colegului său Bob într-un laborator din Viena, încurcarea se asigură că de îndată ce Alice își observă fotonul și, de exemplu, își găsește polarizarea să fie orizontală. , polarizarea fotonului lui Bob se sincronizează instantaneu cu vibrarea verticală. Deoarece cei doi fotoni par să comunice mai repede decât viteza luminii – ceva interzis de teoriile sale despre relativitate – acest fenomen l-a tulburat profund pe Albert Einstein, care l-a numit „acțiune înspăimântătoare la distanță”.

Aceste preocupări au rămas teoretice până în anii ’60, când fizicianul John Bell a conceput o modalitate de a testa dacă realitatea este cu adevărat înfricoșătoare- sau dacă ar putea exista o explicație mai banală în spatele corelațiilor dintre partenerii încurcați.

Bell și-a imaginat o teorie comună care era locală – adică una în care influențele nu puteau călători între particule instantaneu. De asemenea, a fost determinist mai degrabă decât probabilistic inerent, astfel încât rezultatele experimentale ar putea fi, în principiu, prezise cu certitudine, dacă numai fizicienii ar fi înțeles mai multe despre proprietățile ascunse ale sistemului. Și a fost realist, ceea ce, pentru un teoretician cuantic, înseamnă că sistemele ar avea aceste proprietăți definite, chiar dacă nimeni nu le-ar privi. Atunci Bell a calculat nivelul maxim de corelații între o serie de particule încurcate pe care o astfel de teorie locală, deterministă și realistă le-ar putea susține. Dacă acest prag a fost încălcat într-un experiment, atunci una dintre ipotezele din spatele teoriei trebuie să fie falsă.

Tischler și colegii ei au efectuat 90.000 de rulări ale experimentului. După cum era de așteptat, corelațiile au încălcat limitele inițiale ale lui Bell și, în mod crucial, au încălcat și noul prag de prietenie locală. De asemenea, echipa ar putea modifica configurația pentru a regla gradul de legătură între fotoni, trimițând una dintre perechi pe un ocol înainte de a intra în interferometrul său, perturbând ușor armonia perfectă dintre parteneri.

Când cercetătorii au condus experimentul cu acest nivel ușor mai mic de înțelegere, au descoperit un punct în care corelațiile încălcau încă legătura dintre Bell, dar nu și prietenia locală. Acest rezultat a dovedit că cele două seturi de limite nu sunt echivalente și că noile constrângeri de prietenie locală sunt mai puternice, spune Tischler. „Dacă le încălcați, aflați mai multe despre realitate”.

Și anume, dacă teoria dvs. spune că „prietenii” pot fi tratați ca sisteme cuantice, atunci trebuie să renunțați la localitate, să acceptați că măsurătorile nu au un singur rezultat pe care observatorii trebuie să fie de acord sau să îl permită superdeterminismul. Fiecare dintre aceste opțiuni are implicații profunde – și, pentru unii fizicieni, extrem de dezastruoase -.