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¿Por qué tan poca gente hace el experimento del "gato de Schrödinger"? ¿Es técnicamente difícil?

En física, el gato de Schrödinger, el juego más misterioso del escondite, es el experimento mental más famoso de la mecánica cuántica. En esencia, ni siquiera es un experimento mental, sino más bien un sofisma que se originó en la antigua Grecia, por lo que nadie haría tal experimento.

¿Por qué los científicos están tan aburridos como para inventar sofismas que ni siquiera son un experimento?

Para responder a esta pregunta es necesario comprender la historia del desarrollo de la mecánica cuántica.

El concepto de cuanto se originó en Planck. En 1900, para explicar la radiación del cuerpo negro, Planck descubrió la energía mínima en nuestro universo: 6,615 10(-34)J·s. Toda la energía del mundo se transmite como un múltiplo entero de esta energía mínima. cuántico.

En 1905, Einstein aplicó el concepto de cuanto a la explicación del efecto fotoeléctrico y propuso el concepto de cuantos de luz, es decir, fotones. En 1916, Einstein determinó formalmente la dualidad onda-partícula de los fotones. En 1924, de Broglie hizo una sorprendente analogía entre partículas físicas y fotones en su tesis doctoral, proponiendo que las partículas físicas también tienen dualidad onda-partícula.

El concepto de “todo es una ola” ha conmocionado a la comunidad académica. ¿Cómo puede evaporarse la materia real?

Inspirándose en las "ondas de materia" de De Broglie, Schrödinger comenzó a pensar: si la materia realmente tiene sus propias ondas, ¿tiene también una ecuación de onda para describir sus propiedades? Así nació en 1926 la primera y más famosa ecuación de ondas de la mecánica cuántica, la ecuación de Schrödinger. Aunque Schrödinger creó esta ecuación, el significado físico de su solución no está claro.

Más tarde, Born, otro fundador de la mecánica cuántica, dio una explicación probabilística cognitivamente subversiva de la ecuación de Schrödinger: la solución de la ecuación de Schrödinger describe la probabilidad de aparición de partículas físicas. Las probabilidades mencionadas aquí son completamente diferentes de las probabilidades de las que hablamos todos los días. La primera es una incertidumbre que nunca se ha introducido en la física y la segunda es sólo una estadística.

Basándose en esta explicación, Born ganó el Premio Nobel de Física en 1954 y finalmente fue incluido en la "Interpretación de Copenhague" ortodoxa de la mecánica cuántica.

Interpretación de Copenhague

1. Explicación de probabilidad de la función de onda de Born: la función de onda calcula una onda de probabilidad y su solución representa la probabilidad de encontrar una partícula en un lugar determinado. Las observaciones y mediciones sólo pueden predecir la probabilidad de un determinado resultado, pero no cuál será el resultado.

2. Principio de incertidumbre de Heisenberg: algunos pares de cantidades físicas tienen una relación de yugo * * * y no se pueden medir con precisión al mismo tiempo. Cuanto más seguro es uno, menos seguro lo es el otro. Por ejemplo, velocidad y posición, tiempo y energía...

3. Principio de complementariedad de Bohr: Algunos objetos físicos tienen múltiples propiedades que parecen contradictorias. En principio, es imposible ver sus múltiples propiedades de la misma manera al mismo tiempo, diferentes propiedades sólo pueden observarse de diferentes maneras.

4. Principio de correspondencia de Bohr: las conclusiones derivadas de las reglas cuánticas a escala microscópica no pueden violar los resultados de la observación macroscópica, y las reglas físicas clásicas a escala macroscópica siguen siendo válidas. Es decir, a medida que aumenta la cantidad cuántica, el movimiento del sistema cuántico tiende al sistema mecánico clásico, y las leyes y ecuaciones de la física cuántica pueden transformarse en clásicas.

5. Principio de superposición: Si A y B son los dos estados de la partícula, entonces A+B es el tercer estado de la partícula y tiene las características de A\B al mismo tiempo.

6. Colapso de la función de onda: Entre dos mediciones de partículas microscópicas, a excepción de la función de onda de probabilidad, la mecánica cuántica declara que las partículas microscópicas no existen y sólo existen en varios estados posibles. Sólo después de la observación o medición puede el estado "posible" de una partícula microscópica colapsar en un estado "determinado" real.

La "Interpretación de Copenhague" tuvo su origen en la Escuela de Copenhague encabezada por Niels Bohr. Basaba la realidad objetiva del mundo en una gran incertidumbre, por lo que se la denomina "teoría de la probabilidad", mientras que Schrödinger pertenece a la. "determinismo" tradicional encabezado por Einstein.

La "Interpretación de Copenhague" se considera la interpretación ortodoxa de la mecánica cuántica, principalmente porque rompe la percepción del determinismo clásico de forma relativamente fiable. Se trata de un gran avance en la comprensión del mundo, pero su defecto radica en su descripción "mezcolanza", que hace que la gente sienta que no capta el núcleo de la mecánica cuántica. A la física siempre le han gustado las descripciones concisas que tocan el suelo. Por tanto, Einstein creía que la descripción cuántica de la Escuela de Copenhague estaba incompleta.

La laguna lógica del gato de Schrödinger

Para expresar su descontento con la teoría de la probabilidad, Schrödinger colocó el inmaduro experimento mental de Einstein como “bomba incierta” (es decir, en una caja cerrada, una bomba detonó por la descomposición de elementos que pueden o no explotar) se convirtió en una versión biológica más avanzada: el gato de Schrödinger.

Los gatos son tan famosos que no los describiré en detalle.

"El gato de Schrödinger" critica principalmente la explicación de la Escuela de Copenhague sobre el "colapso de la función de onda" y el "estado de superposición"

Como se menciona en el principio de superposición anterior, el estado de superposición es un estado que no es A El tercer estado de B y A, con las características de A \ B al mismo tiempo, ¿qué podría ser más narrativo que la "superposición de vida y muerte"?

Pero, de hecho, el experimento mental del "Gato de Schrodinger" es defectuoso.

En primer lugar, el concepto de "vida y muerte" en biología se ha elevado al nivel macroscópico y no puede juzgarse mediante leyes cuánticas microscópicas. Esta asociación forzada en realidad contradice el principio de correspondencia de Bohr.

En segundo lugar, la observación descrita como "colapso de la función de onda" no se refiere a la observación del ojo humano. Toda la materia macroscópica se puede considerar observable, como por ejemplo el dispositivo de gas venenoso en la caja para gatos de Schrödinger para determinar si un elemento se desintegra.

Por supuesto que los físicos conocen estas lagunas, pero eso no les impide gastar bromas tan autoritarias. El gato de Schrödinger conectó el mundo microscópico y el mundo macroscópico en la conciencia de las personas, permitiendo a la gente común sentir las anomalías de las leyes cuánticas, y también despertó el interés del público por la mecánica cuántica, que recién estaba surgiendo en ese momento, esto no era una maestría. Caso de divulgación de la ciencia cuántica. Al igual que la visión de Marte del astrónomo del siglo XX Percival Lorvoire, aunque luego fue errónea, inspiró la locura más entusiasta por la exploración espacial de esa época y dio origen a una serie de películas como "Star Wars", una superproducción de ciencia ficción.

Resumen

Para realizar el experimento del gato de Schrödinger, lo que hay que superar no son dificultades técnicas, sino una nueva comprensión del mundo.

La esencia de esto no es un experimento, sino más bien una teoría entre los físicos. Los expertos vigilan la puerta, mientras que los profanos observan la diversión. Para Schrödinger personalmente, esto simplemente expresó su descontento con la teoría de la probabilidad; para la mecánica cuántica, este es un caso maestro de divulgación de la ciencia clásica.

Finalmente, el mejor experimento para comprobar el estado de superposición de la mecánica cuántica no es el gato de Schrödinger, sino el experimento de la luz polarizada. Es decir, cuando la luz natural pasa a través de un polarizador, puede descomponerse en dos componentes de vibración mutuamente perpendiculares. Un solo fotón no puede confirmar su dirección de polarización sin pasar por un polarizador, o existe en un estado de superposición de todas las direcciones de polarización. Este es un hecho establecido sobre los fotones.

Lo que observa los fotones aquí es un polarizador, no la conciencia subjetiva humana. Aunque también se puede utilizar la conciencia subjetiva humana para comprenderlo, este es uno de los focos de debate para la mayoría de las personas.

De hecho, la naturaleza fantasmal de lo cuántico no es un producto de la conciencia humana, pero el lenguaje de la descripción cuántica sí es un producto de la conciencia humana. No podemos experimentar el mundo microscópico y sólo podemos describirlo con metáforas o analogías. Incluso los físicos no son una excepción, pero su forma de comunicarse consiste principalmente en fórmulas matemáticas.

El experimento imposible

"El gato de Schrödinger" es una historia que muchas personas conocen, y algunas incluso pueden memorizarla por completo.

Sin embargo, no mucha gente puede entender realmente esta historia y sus antecedentes. Si realmente quieres que alguien replique este experimento y lo pruebe en un gato, significa que realmente no lo entiendes.

Schrödinger no tenía intención de hacer este experimento. Ni siquiera pensó que tendría éxito, porque formuló una paradoja y utilizó los mejores experimentos mentales de los científicos de la época. Hay un gran descontento con el gato de Schrödinger e incluso se percibe un poco de ironía.

(El gato de Schrödinger)

Choque de escuelas de mecánica cuántica

Erwin Schrödinger es un gran físico, mecánica cuántica probabilística-mecánica ondulatoria El fundador de la mecánica cuántica moderna . Schrödinger ganó el Premio Nobel de Física por su ecuación de Schrödinger.

Schrödinger era un realista. Propuso dos principios básicos: uno es el principio de inteligibilidad natural y el otro es el principio de objetivación. Schrödinger siempre respetó estos dos principios en sus investigaciones científicas. Debido a esto, provocó una feroz colisión entre Schrödinger y la Escuela de Mecánica Cuántica de Copenhague dirigida por Bohr.

(Escuela de Copenhague: Bohr, Heisenberg, Pauli)

En primer lugar, presentemos brevemente la Escuela de Copenhague, que fue fundada en Copenhague por Bohr, Heisenberg y Bonn. Representada por famosos. científicos como Leigh y Dirac. Fueron los ganadores finales de la teoría de la mecánica cuántica, por lo que las opiniones de la Escuela de Copenhague sobre la mecánica cuántica fueron posteriormente etiquetadas como "interpretaciones ortodoxas" (se dice que los oponentes murieron primero). Pero al principio el "principio de incertidumbre" de Bohr y Heisenberg todavía provocó una ola de oposición.

Los dos oponentes más vehementes fueron Schrödinger y Einstein. Schrödinger sacó al gato, Einstein sacó a "Dios".

(Einstein y Schrödinger)

Hablando de Schrödinger, no podemos dejar de mencionar la famosa ecuación de Schrödinger. Aunque pocas personas en el mundo pueden entenderlo, sigo pensando que es algo muy respetable publicar estas ecuaciones de alto nivel:

(ecuación de Schrödinger)

1926 En 2000, Schrödinger estableció la mecánica de ondas cuánticas a través de ecuaciones diferenciales parciales lineales de segundo orden y se estableció como una de las figuras destacadas de la mecánica cuántica.

El "enfrentamiento" entre Schrödinger y Bohr

En septiembre del mismo año, Bohr invitó a Schrödinger a dar una conferencia en Copenhague. Al principio fue algo agradable, pero Schrödinger no estaba contento. . "Se peleó" con Bohr desde el momento en que bajó del tren hacia la casa de Bohr, donde vivía. Se peleaban todos los días, desde que se levantaban por la mañana hasta bien entrada la noche.

Originalmente iban a ser invitados. ¿Por qué se pelearon los dos científicos? Para fines académicos. Como se mencionó anteriormente, Schrödinger fundó la mecánica de ondas cuánticas. Cree firmemente que la mecánica cuántica tiene las propiedades de una función de onda y debería ser continua. Pero Bohr creía que el cuanto tiene transiciones discontinuas y, debido a la existencia de "variables ocultas", esta transición es inconmensurable. Nunca sabes en qué estado se encuentra hasta que lo mides, y una vez que empiezas a medirlo, se desmorona. Evidentemente se trata de un desafío a la continuidad de la función de onda, que Schrödinger, partidario de la mecánica clásica, no puede aceptar.

(Bohr y su esposa)

Después de pelear durante varios días, Schrödinger cayó enfermo en la casa de Bohr. La esposa de Bohr le trajo agua y medicinas, pero Bohr no siguió explicando. tratando de convencer a Schrödinger. ¿Crees que fue a dar conferencias o a lavarse el cerebro?

Después de que Schrödinger regresó a China, tal vez en agradecimiento por el cuidado de la esposa de Bohr, ya no se opuso firmemente al "principio de incertidumbre", pero siempre fue crítico con la explicación de las variables ocultas de la Escuela de Copenhague. Schrödinger y Einstein unieron fuerzas para luchar contra la Escuela de Copenhague de Bohr y Heisenberg hasta que nació el gato de Schrödinger.

(Schrödinger "despreciado" por Bohr)

En el experimento del "gato de Schrödinger" se supusieron dos elementos: uno es un electrón controlado por partículas liberadas por la desintegración nuclear y un veneno. uno es un gato que no sabe si vivir o morir. Schrödinger esperaba utilizar las condiciones de incertidumbre en este experimento mental para aludir a la incertidumbre de las "variables ocultas" de la Escuela de Copenhague, señalando así que se trata de una paradoja. Porque además de "muerto" y "vivo", el gato del experimento también tiene un estado de "ni muerto ni vivo", porque nunca se puede estar seguro de si está vivo o muerto. Los fenómenos cuánticos pueden ser caóticos y no se pueden predecir, lo que enfureció a científicos como Schrödinger.

(Schrödinger y su gato)

Lo mismo ocurre con Einstein. La frase “Dios no juega a los dados” fue la consternación y el enfado de Einstein ante la incertidumbre de los fenómenos cuánticos. Entendió la teoría cuántica pero no pudo aceptar esta explicación. A Einstein le encantaba el determinismo de la ecuación de Schrödinger y la función de onda. Incluso hasta su muerte no sería capaz de reconocer a un gato que no estuviera ni muerto ni vivo.

Experimento mental

Finalmente, hablemos del experimento mental. A diferencia de los físicos actuales, que dependen en gran medida de colisionadores de hadrones valorados en decenas de miles de millones de dólares, los científicos de los siglos XIX y XX utilizaron una amplia gama de experimentos mentales. Construyen máquinas pensantes en sus mentes, usan lógica y pensamiento precisos para impulsar partículas microscópicas, usan maravillosos cálculos matemáticos y usan fórmulas simples y hermosas para comunicar sus conclusiones a las personas. Cuando Einstein era empleado de la Oficina de Patentes de Berna, Suiza, no tenía las condiciones para medir cuerpos celestes, pero creó la teoría especial de la relatividad y la teoría general de la relatividad mediante experimentos mentales. Asimismo, Schrödinger creó la mitad de la mecánica cuántica con sus ecuaciones precisas.

(Los grandes científicos de esa época)

Los científicos hemos estado explorando la ciencia, y lo que nosotros, las masas comedoras de melón, tenemos que hacer no sólo es reconocer nuestro propio trabajo, sino También aprenda a utilizar la actitud científica hacia la ciencia. Incluso si tienes dudas, debes expresar tus propias opiniones y discutirlas, como Schrödinger.

Preguntar no es en absoluto una tontería: "¡Estás diciendo tonterías!" Entonces date una palmada en el trasero y vete.

Por supuesto, necesitas conocimientos.

No es que sea técnicamente difícil, es que no hay manera de hacer este experimento.

Meter un gato en una caja y montar un dispositivo de envenenamiento provocado por la descomposición de la materia. El material en descomposición tiene la mitad de posibilidades de pudrirse durante un ciclo. Si se descompone, el dispositivo se activa y se libera veneno para matar al gato. Si no se pudre, el gato sobrevivirá. Entonces, cuando se cierre la caja, ¿el gato vivirá o morirá? Este es el experimento con gatos de Schrödinger.

Schrödinger creía que la vida y la muerte de un gato no se pueden determinar antes de abrir la caja, por lo que no está ni "muerto" ni "vivo", sino en un estado de superposición de vida y muerte. cuando se abre la caja, este estado de superposición colapsa en un estado, ya sea vivo o muerto. ¿cómo son las cosas? ¿Se siente como un camino indirecto?

La esencia del gato de Schrödinger no reside en este experimento, sino en explicar un estado de superposición del mundo microscópico a través de tal hipótesis. Tenga en cuenta que es microscópico. Un gato es obviamente macroscópico, por lo que este experimento no tiene sentido incluso si se realiza. Además, es imposible determinar el estado del gato sin observar el interior, pero si observas el interior, no importa cómo obtengas la verdadera situación en el interior, la vida y la muerte del gato colapsarán instantáneamente en un solo estado. de este experimento?

Así que el experimento con el gato de Schrödinger está destinado a convertirse en un puente macroscópico para que los humanos comprendan el mundo microscópico. No hay forma de realizar este experimento. No importa en el pasado, presente o futuro, no hay forma de obtener los resultados ideales a través de este experimento. Después de todo, este experimento no se ajusta en absoluto a las leyes existentes y no podemos observarlo en absoluto.