Gato de Schrodinger

O gato de Schrödinger: Em uma caixa há um gato, uma preparação radioativa, um detector da radiação gerada durante a decomposição e uma quantidade letal de veneno que é liberada quando o detector é ativado.

No gato de Schrödinger está um experimento mental na física , que em 1935 por Erwin Schrödinger descreveu uma fraqueza significativa da interpretação de Copenhague da mecânica quântica em termos do reality show físico. Ele problematiza a interpretação de Copenhague da física quântica (a transferência direta de termos da mecânica quântica para o mundo macroscópico ) na forma de um paradoxo . O paradoxo é, em primeiro lugar, que na experiência de pensamento um gato é levado a um estado em que, de acordo com a interpretação de Copenhague, está "vivo" e "morto" ao mesmo tempo. Em segundo lugar, também de acordo com a Interpretação de Copenhague, esse estado indefinido persistiria até que fosse examinado por um observador. Só então o gato seria definido para um dos estados “vivo” ou “morto”. Ambos contradizem a visão e a experiência cotidiana com coisas macroscópicas.

O experimento de pensamento se baseia no fato de que sempre que um sistema pode adotar dois estados diferentes de acordo com a interpretação de Copenhague, a superposição coerente dos dois estados também representa um estado possível. Somente quando uma observação ou medição é realizada com a qual se pode distinguir entre os dois estados originais, o sistema assume um dos dois. Com base na experiência de pensamento com um sistema macroscópico, um sistema mecânico quântico também é referido como um estado de gato se alguém puder distinguir os dois estados em tal sobreposição por meio de uma medição.

fundo

A mecânica quântica descreve o estado e a evolução de um sistema físico por meio de um vetor de estado . Em geral, este é um ponderada soma dos autoestados em que uma variável que pode ser determinada por medição tem um valor medido bem definida. Cada um desses valores medidos pode ser obtido a partir de uma medição deste tamanho; d. Em outras palavras, com tal estado de mecânica quântica, o resultado de uma única medição não é claramente determinado. Assim, em experimentos repetidos em sistemas com o mesmo vetor de estado, os resultados das medidas da mesma grandeza física ocorrem aleatoriamente com valores diferentes, sendo sua distribuição de probabilidade determinada a partir do vetor de estado de acordo com a mecânica quântica. Imediatamente após a medição, o sistema tem a certeza de estar em seu próprio estado, ao qual pertence o resultado da medição que acabou de receber. Este processo de redução de estado é introduzido na mecânica quântica (em sua interpretação de Copenhagen ) por seu próprio postulado . Ele descreve o problema da medição mecânica quântica e ainda não é bem compreendido hoje.

Na altura da publicação de Schrödinger, tais efeitos quânticos eram apenas conhecidos na gama microscópica, a aplicabilidade da mecânica quântica a processos macroscópicos complexos, e. B. sobre o próprio processo de medição , no entanto, não estava claro. O experimento mental de Schrödinger serve para ilustrar as dificuldades conceituais associadas à aplicação do conceito de estado quântico a sistemas macroscópicos. Hoje, a teoria quântica dos sistemas macroscópicos é um ramo da física amplamente estudado.

O experimento de pensamento

Sem interação com o mundo exterior, o gato de Schrödinger é, descrito mecanicamente quântico, em um estado sobreposto. Ela está viva e morta.

No experimento mental, há um gato e um núcleo atômico instável em uma caixa fechada , que com certa probabilidade decai em um determinado período de tempo. A decomposição desencadeia a liberação de gás venenoso por meio de um contador Geiger , que mata o gato.

- Schrödinger agora que argumenta se a física quântica não só o núcleo, mas o gato teria que cair em um estado de superposição - se aplicaria também aos sistemas macroscópicos. Essa sobreposição não pararia até que alguém abrisse a caixa e verificasse as condições do gato. Isso representa uma medição que determina o resultado "morto" ou "vivo". A essa altura, o gato estaria vivo e morto ao mesmo tempo.conclusão parece paradoxal .

O próprio Schrödinger formulou isso em 1935 em seu ensaio The Present Situation in Quantum Mechanics. § 5. As variáveis ​​estão realmente borradas?

viabilidade

O efeito decoerência

Segundo a teoria da decoerência, a situação descrita por Schrödinger não ocorre na realidade, uma vez que os sistemas macroscópicos sempre suprimem as propriedades de coerência do estado da mecânica quântica. A troca mútua de alguns fótons de radiação térmica entre o ambiente, a parede da caixa e o gato levaria à completa decoerência dos estados macroscópicos em um tempo muito curto, devido às interações térmicas internas. Isso resulta em um colapso efetivo da função de onda no sentido da interpretação de Copenhague após um período de tempo extremamente curto . A teoria da decoerência leva a sério que o aparelho de envenenamento e o gato são objetos macroscópicos que não reagem de forma irreversível ao "processo de medição" ao abrir a caixa, mas diretamente aos primeiros efeitos imediatos da degradação atômica.

Experimentos reais com sistemas coerentes

Apesar da influência da decoerência, o experimento mental pode ser verificado com experimentos reais. A interação com o meio ambiente deve ser totalmente blindada. Esse isolamento pode ser obtido muito bem com fótons como objetos de exame, uma vez que os próprios fótons não são influenciados por outros fótons e, portanto, são pouco afetados pela decoerência. No caso da matéria sólida, o isolamento é muito mais difícil e até agora só foi possível com objetos muito pequenos. Por exemplo, em um experimento com fulerenos, pode-se demonstrar que uma única molécula que consiste em 60 átomos de carbono pode, simultaneamente, seguir diferentes caminhos através de diferentes lacunas em um obstáculo. As condições experimentais que protegeram adequadamente contra a decoerência aqui foram alto vácuo, escuridão e um período de tempo muito curto entre a geração e a verificação da sobreposição. Em computadores quânticos, as tentativas são feitas para suprimir a decoerência dos elétrons, restringindo seus graus de liberdade com o auxílio de temperaturas muito baixas e supercondutividade. Os estados sobrepostos são então usados ​​para realizar operações aritméticas paralelas.

Esses experimentos confirmam a suposição de que as leis da mecânica quântica também se aplicam a sistemas macroscópicos.

Interpretações

Independentemente da teoria da decoerência, os processos na caixa hipotética perfeitamente fechada são interpretados de maneira muito diferente nas várias escolas e interpretações da mecânica quântica.

Interpretação de Copenhague

Interpretação de Copenhagen: No caso de decadência radioativa, ocorre uma ramificação do estado. De acordo com um princípio aleatório, entretanto, um dos dois ramos colapsa novamente imediatamente após a coerência entre os estados z. B. decaiu o suficiente devido a uma medição.

Na interpretação de Copenhagen da mecânica quântica, no momento em que a medição é feita, a função de onda do sistema medido entra em colapso . Ao abrir a sala e observar o seu interior (medição), o núcleo atómico, que antes se encontrava em estado de superposição, salta para um dos autoestados pertencentes a este aparelho de medição. É apenas durante a medição (aqui por um observador externo) que se decide se o gato está vivo ou morto. Antes da medição, apenas uma declaração de probabilidade pode ser feita sobre a condição do gato. O próprio processo de medição é descrito como na física clássica .

Intérpretes posteriores da Interpretação de Copenhagen, como Carl Friedrich von Weizsäcker, reconhecem que a resposta macroscópica da “máquina infernal” resulta na criação de um “documento” irreversível sobre a decadência atômica, em outras palavras, uma medição ocorreu. A função de onda entra em colapso sem intervenção humana adicional; o gato está vivo ou morto.

Com as probabilidades de 50 por cento para os dois autoestados possíveis, a função de onda não descreve realmente o sistema antes da medição, mas sim o conhecimento incompleto do sistema. Fröhner mostrou que as probabilidades da mecânica quântica podem ser entendidas como probabilidades bayesianas sem contradição . Eles mudam conforme a medição muda o nível de informação do observador. Não é necessário tempo para isso; o que entra em colapso ("quebra") não é nada físico, apenas a falta de informação do observador. Correspondentemente, Heisenberg e Styer expressaram suas opiniões sobre isso em 1960 em uma discussão por carta (ver citação de Fröhner).

Interpretação de muitos mundos

Interpretação de muitos mundos: O universo inteiro se ramifica aqui quando decai. De acordo com a teoria, ambos os ramos permanecem como realidades iguais e a partir de agora se desenvolvem independentemente um do outro.

A interpretação dos muitos mundos remonta ao físico Hugh Everett . Não é uma teoria nova ou adicional, mas uma interpretação alternativa da mecânica quântica. A interpretação de muitos mundos atribui realidade física a todos os estados possíveis (isto é, "gato morto" e "gato vivo"). Então, existe na verdade um universo em que o átomo decaiu e outro em que o átomo ainda não decaiu. No primeiro universo, abrimos a caixa e encontramos o gato morto, no segundo universo o gato está vivo. Nossas memórias e o que percebemos como realidade correspondem então a apenas uma das inúmeras histórias possíveis (e igualmente realizadas) do universo.

Teoria do conjunto

Representantes da teoria do conjunto relacionariam o experimento mental a um conjunto de sistemas (ou seja, várias caixas com gatos): Após um certo intervalo de tempo, metade de todos os gatos estão mortos e a outra metade está viva. É aqui que a lei empírica dos grandes números entra em ação. H. quanto mais frequentemente esse experimento é realizado, mais certo é que a frequência relativa se aproxima da probabilidade teórica.

Mecânica bohmiana

Mecânica Bohmiana: Esta teoria também leva em consideração os dois ramos. No entanto, um mecanismo determinístico marca um dos ramos como realidade, enquanto todos os outros ramos como as chamadas ondas piloto apenas exploram a possível interferência quântica.

A mecânica de Bohm é uma formulação alternativa da mecânica quântica. Ele adiciona uma equação de movimento adicional à mecânica quântica, que determina a localização de todas as partículas em todos os momentos. Isso torna a descrição determinística. A mecânica de Bohm, portanto, determina exatamente o tempo todo se o gato está vivo ou morto. No entanto, não se pode medir com precisão o estado inicial do sistema sem perturbar o sistema. Portanto, só se pode dar probabilidades para o resultado no caso de um gato morto ou vivo.

Condição do gato

Considerações gerais

Em um sentido mais geral, na mecânica quântica, uma superposição de dois estados coerentes que são suficientemente diferentes e semelhantes aos estados clássicos é chamada de estado do gato . Para se preparar para tal condição, é necessário proteger o sistema do meio ambiente. Realizações experimentais típicas são orientações de spin ou posições de partículas. Os primeiros estados gato mesoscópicos foram criados com feixes de elétrons e divisores de feixe, nos quais havia uma superposição dos estados em que um elétron está em um ou outro feixe parcial. Em meados da década de 1990, foi possível gerar um estado de gato mesoscópico para um único átomo em relação à sua posição. Com base nisso, sistemas maiores foram criados a partir de átomos individuais, nos quais, por exemplo, com seis átomos a superposição dos dois estados, em que todos os átomos giram. ou todos os átomos giram para baixo. foram examinados. Essa formulação foi proposta por David Bohm , que formulou o spin como um observável em 1935 em um experimento mental sobre o paradoxo de Einstein-Podolsky-Rosen .

Condição do gato no computador quântico

Um caso especial específico é o estado do gato como um estado em um registrador de um computador quântico , que consiste na superposição dos dois estados em que todos os qubits são | 0⟩ ou todos | 1⟩. Na notação Bra-Ket , é escrito como proporcional a | 00 ... 0⟩ + | 11 ... 1⟩.

Condição do gato em óptica quântica

Função de Wigner de um estado de gato óptico quântico com α = 2,5. Além dos dois montes para e , a condição do gato contém uma estrutura de interferência no meio.${\ displaystyle | \ alpha \ rangle}$${\ displaystyle | {- \ alpha} \ rangle}$

Na óptica quântica , um estado de gato é definido como a superposição coerente de dois estados coerentes específicos com fases opostas:

${\ displaystyle | \ mathrm {cat} _ {e} \ rangle \ propto | \ alpha \ rangle + | {-} \ alpha \ rangle}$,

no qual

${\ displaystyle | \ alpha \ rangle = e ^ {- {| \ alpha | ^ {2} \ over 2}} \ sum _ {n = 0} ^ {\ infty} {\ alpha ^ {n} \ over { \ sqrt {n!}}} | n \ rangle}$,

e

${\ displaystyle | {-} \ alpha \ rangle = e ^ {- {| {-} \ alpha | ^ {2} \ over 2}} \ sum _ {n = 0} ^ {\ infty} {({- } \ alpha) ^ {n} \ over {\ sqrt {n!}}} | n \ rangle}$

são definidos como estados coerentes na base numérica ( estado Fock ). Se você adicionar os dois estados, o estado cat conterá apenas os termos do estado Fock:

${\ displaystyle | \ mathrm {cat} _ {e} \ rangle \ propto 2e ^ {- {| \ alpha | ^ {2} \ over 2}} \ left ({\ alpha ^ {0} \ over {\ sqrt {0!}}} | 0 \ rangle + {\ alpha ^ {2} \ over {\ sqrt {2!}}} | 2 \ rangle + {\ alpha ^ {4} \ over {\ sqrt {4!} }} | 4 \ rangle + \ dots \ right)}$.

Como resultado dessa característica, a condição acima é freqüentemente chamada de condição do gato heterossexual . Alternativamente, pode-se ter uma condição estranha de gato

${\ displaystyle | \ mathrm {cat} _ {o} \ rangle \ propto | \ alpha \ rangle - | {-} \ alpha \ rangle}$

que contém apenas estados Fock estranhos

${\ displaystyle | \ mathrm {cat} _ {o} \ rangle \ propto 2e ^ {- {| \ alpha | ^ {2} \ over 2}} \ left ({\ alpha ^ {1} \ over {\ sqrt {1!}}} | 1 \ rangle + {\ alpha ^ {3} \ over {\ sqrt {3!}}} | 3 \ rangle + {\ alpha ^ {5} \ over {\ sqrt {5!} }} | 5 \ rangle + \ dots \ right)}$.

Veja também

• O amigo de Wigner representa uma extensão deste experimento mental
• O chamado suicídio quântico tira conclusões diferentes de um experimento comparável

literatura

• Karl von Meyenn (Ed.): Uma descoberta de extraordinária importância: a correspondência de Schrödinger sobre a mecânica ondulatória e o paradoxo do gato . Springer, Berlin / Heidelberg 2011, ISBN 978-3-642-04334-5 .
• John Gribbin : Em Busca do Gato de Schrödinger: Física Quântica e Realidade . Traduzido do inglês por Friedrich Griese. Piper, Munich / Zurich 2004, ISBN 3-492-24030-5 .

Links da web

Wikcionário: o gato de Schrödinger  - explicações dos significados, origens das palavras, sinônimos, traduções

• O gato de Schrödinger está morto? da série de televisão alfa-Centauri (aprox. 15 minutos). Primeira transmissão em 15 de setembro. 2004.
• O gato de Schrödinger pode dar um suspiro de alívio - pelo menos uma última vez. em: quanten.de
• Como o gato de Erwin Schrödinger se tornou mundialmente famoso. In: O mundo. 12 de agosto de 2013
• A reencarnação pode salvar o gato de Schrödinger. In: Nature. Volume 454, 2 de julho de 2008, pp. 8-9.
• Superposição quântica de estados macroscópicos distintos. In: Nature. Volume 406, 6 de julho de 2000, pp. 43-46. (pdf) doi: 10.1038 / 35017505 - Tentativa de realização experimental do experimento mental com correntes elétricas macroscópicas que supostamente fluem em duas direções ao mesmo tempo.
• Zvi Schreiber: As nove vidas do gato de Schrödinger. Tese. Imperial College 1995, o gato de Schrödinger em várias interpretações da mecânica quântica, Arxiv

Evidência individual