El gato de Schrödinger: el experimento mental más extraño de la historia de la física

——Erwin Schrödinger (1887–1961)

Figura 1 Ecuación de Schrödinger

Hay muchos experimentos mentales de larga data en mecánica cuántica, entre los cuales la mayoría son Se utiliza para señalar fallas en la mecánica cuántica. El físico teórico y uno de los pioneros de la mecánica cuántica, Erwin Schrödinger, imaginó un experimento mental en el que se guardaba un gato en un recipiente hermético que contenía una fuente radiactiva y gases tóxicos. Existe una cierta probabilidad de que una fuente radiactiva se desintegre en una unidad de tiempo. Cuando se detecta la desintegración de una fuente radiactiva, se liberan gases tóxicos y el gato muere. Si la fuente radiactiva no se desintegrara, el gato sobreviviría.

La Interpretación de Copenhague en mecánica cuántica señala que las propiedades de los sistemas físicos son inciertas. Las propiedades del sistema sólo pueden medirse a través de los términos de probabilidad de la mecánica cuántica, y el comportamiento de la medición tendrá un impacto. en el sistema, lo que resulta en probabilidad El conjunto se reduce a uno de muchos valores posibles. Esta situación se llama colapso de la función de onda.

Por ejemplo, antes de mirar la luna, ésta se encuentra en cualquier estado posible, como luna llena, media luna y luna nueva. Pero mientras la mires, la luna colapsa en un estado posible. Por tanto, las observaciones juegan un papel importante en la mecánica cuántica. Teniendo en cuenta el experimento mental anterior, esto significa que después de un período de tiempo, el gato vive y muere simultáneamente. Cuando miras dentro de la caja, ves si el gato está vivo o muerto en ese momento, no ambas cosas.

Hay una pregunta aquí, es decir, ¿cuándo termina el estado de superposición cuántica y cuándo colapsa en uno de los estados posibles? La superposición cuántica no es adecuada para objetos grandes, como los gatos, porque los seres vivos no pueden vivir y morir al mismo tiempo. Por lo tanto, Schrödinger concluyó que la Interpretación de Copenhague debe ser intrínsecamente defectuosa. El gato de Schrödinger intenta señalar cuán extraña es esta explicación ampliando el tamaño de la explicación de Copenhague.

Tienes una caja con un gato dentro y una partícula en un estado de superposición que satisface esta configuración: cuando la partícula está en un determinado estado, el gato será envenenado y morirá cuando la partícula esté dentro; otro estado En este estado, el gato está a salvo.

Dado que el estado de vida del gato está determinado por el estado de las partículas, si las partículas están en un estado de superposición, entonces el gato también debe estar en un estado de superposición.

Figura 2 Interpretación de Copenhague

Según la Interpretación de Copenhague, el gato en realidad está vivo y muerto. Cuando abras la caja, el gato estará en un estado. He aquí una pregunta importante sobre la observación: ¿los gatos son observadores?

Para entender esto, primero debemos entender el concepto de "observador". El observador en la mecánica cuántica está estrechamente relacionado con el efecto del observador: el comportamiento observado interactúa inevitablemente con el objeto observado, afectando así las propiedades del objeto. El gato tiene tanto derecho a ser llamado observador como la persona que abre la caja, porque puede saber con certeza si una partícula se ha descompuesto en función de la presencia de gas tóxico. El gato observará constantemente el aire en la caja y colapsará permanentemente el vial que contiene el gas venenoso hasta dejarlo en un estado "roto" o "intacto".

Esto no es tan fácil de entender como parece.

Aquí, la persona que abre la caja y el gato dentro de la caja pueden considerarse observadores o no observadores.

Siguiendo esta lógica, una botella que libera gases tóxicos podría verse como un dispositivo de medición para investigar la descomposición, pero ¿podría también verse como un observador o detector? ¿No está colapsando constantemente la función de onda de los isótopos radiactivos? ¿En qué punto de la reacción en cadena se rompe la superposición?

Esto nos lleva a otra pregunta: ¿Qué es exactamente un observador? ¿Puede cualquier objeto ser considerado observador? Si todo es observador, ¿por qué vemos efectos cuánticos?

Para resolver este problema, el físico estadounidense Hugh Everett propuso una hermosa explicación llamada la interpretación de muchos mundos de la mecánica cuántica, publicada por primera vez en su artículo doctoral de 1957.

Figura 3 Hugh Everett (segundo desde la derecha) (de izquierda a derecha: Charles Misner, Hale Trotter, Niels Bohr y David Harrison)

La interpretación es que la función de onda general es objetivamente real y no hay colapso de la función de onda. Esto significa que todos los resultados posibles de las mediciones cuánticas se realizan físicamente en algún "mundo" o universo. Así que esta extraña idea pone todo el experimento mental en otra perspectiva, lo que sugiere que la paradoja del "gato de Schrödinger" en la mecánica cuántica es una secuencia de eventos, siendo cada evento cuántico un punto de bifurcación. Incluso antes de que se abra la caja, los gatos están vivos o muertos, pero estos gatos "vivos" o "muertos" son reales en diferentes ramas del universo, pero no tienen relación entre sí.

Figura 4: Separación del universo debido a dos estados de mecánica cuántica superpuestos y entrelazados.

En 1935, el premio Nobel y físico austriaco Erwin Schrödinger señaló que las propiedades y el comportamiento de la materia a nivel microscópico que los teóricos cuánticos consideran diferentes de lo que la gente común considera visible a simple vista. una contradicción ilógica entre las propiedades y el comportamiento de la materia a nivel macroscópico.

Figura 5 Erwin Schrödinger

Durante muchos años, el gato de Schrödinger se ha utilizado como analogía para las diferencias entre las teorías emergentes en mecánica cuántica. Por ejemplo, en la teoría de la interpretación de muchos mundos, un gato está vivo y muerto porque el observador y el gato representan dos realidades: un gato está muerto y el otro está vivo. Se dice que el propio Schrödinger dijo en sus últimos años que desearía no haber visto nunca al gato.

Al observar un mundo muy microscópico, las partículas y las ondas son igualmente importantes. A esta escala, no podemos utilizar la experiencia conocida para juzgar las leyes del movimiento de las cosas... toda experiencia es errónea y no hay ejemplos físicos análogos para comparar lo que sucede dentro de un átomo. En este momento los átomos son como átomos y no existe otra metáfora.

John Gribbin.

Autor: Historia de la Física

Traducción: Nuor

Revisión: Zhen Ni

Enlace original:

/El gato de Schrödinger - El experimento más extraño de la física - 94fb3b0e962b

La ciencia y la tecnología tienen un impacto muy importante en el desarrollo de la sociedad humana. Desde la fabricación inicial de herramientas y la construcción de casas hasta la formación de pueblos y ciudades, desde simples medios de transporte hasta aviones y naves espaciales, desde la simple escritura hasta varios idiomas, desde la primitiva propaganda aérea hasta las modernas y convenientes comunicaciones de alta velocidad, desde mirar hacia arriba Desde el cielo estrellado hasta la exploración en profundidad del universo, todo está estrechamente relacionado con el desarrollo de la ciencia y la tecnología.

El contenido traducido solo representa las opiniones del autor.

Esto no representa la posición del Instituto de Física de la Academia de Ciencias de China.