domicile Psychologie

Physique quantique Le chat de Schrödinger. Le chat de Schrödinger : l'essentiel en mots simples

Un chat peut-il être à la fois vivant et mort ? Combien y a-t-il d'univers parallèles ? Et existent-ils même ? Ce ne sont pas du tout des questions du domaine de la fantaisie, mais des problèmes scientifiques bien réels résolus par la physique quantique.

Alors commençons par Le chat de Schrödinger. Il s'agit d'une expérience de pensée proposée par Erwin Schrödinger pour souligner un paradoxe qui existe en physique quantique. L'essence de l'expérience est la suivante.

Un chat imaginaire est simultanément placé dans une boîte fermée, ainsi que le même mécanisme imaginaire avec un noyau radioactif et un récipient contenant du gaz toxique. D'après l'expérience, si le noyau se désintègre, il mettra le mécanisme en marche : la bonbonne de gaz s'ouvrira et le chat mourra. La probabilité de désintégration nucléaire est de 1 à 2.

Le paradoxe réside dans le fait que, selon la mécanique quantique, si le noyau n'est pas observé, alors le chat est dans la soi-disant superposition, en d'autres termes, le chat est simultanément dans des états mutuellement exclusifs (il est à la fois vivant et mort ). Cependant, si l'observateur ouvre la boîte, il peut être sûr que le chat est dans un état particulier : il est soit vivant, soit mort. Selon Schrödinger, l'incomplétude de la théorie quantique réside dans le fait qu'elle ne précise pas dans quelles conditions le chat cesse d'être en superposition et s'avère soit vivant, soit mort.

Ce paradoxe est exacerbé par l'expérience de Wigner, qui ajoute la catégorie des amis à l'expérience de pensée déjà existante. Selon Wigner, lorsque l'expérimentateur ouvre la boîte, il saura si le chat est vivant ou mort. Pour l'expérimentateur, le chat cesse d'être en superposition, mais pour l'ami qui est devant la porte, et qui ne connaît pas encore les résultats de l'expérience, le chat est encore quelque part « entre la vie et la mort ». Cela peut se poursuivre avec un nombre infini de portes et d'amis, et selon une logique similaire, le chat sera en superposition jusqu'à ce que tous les gens de l'Univers sachent ce que l'expérimentateur a vu lorsqu'il a ouvert la boîte.

Comment la physique quantique explique-t-elle un tel paradoxe ? La physique quantique propose une expérience de pensée suicide quantique et deux options possibles développement d'événements basés sur différentes interprétations de la mécanique quantique.

Au cours d'une expérience de pensée, une arme à feu est pointée sur un participant, qui tirera soit à la suite de la désintégration d'un atome radioactif, soit non. Encore une fois, 50 à 50. Ainsi, le participant à l'expérience mourra ou non, mais pour l'instant il est, comme le chat de Schrödinger, dans une superposition.

Cette situation peut être interprétée de différentes manières du point de vue de la mécanique quantique. Selon l'interprétation de Copenhague, tôt ou tard, le coup de feu retentira et le participant mourra. Selon l'interprétation d'Everett, la superposition prévoit l'existence de deux univers parallèles dans lesquels le participant existe simultanément : dans l'un d'eux il est vivant (le pistolet n'a pas tiré), dans le second il est mort (le pistolet a tiré). Cependant, si l'interprétation multi-monde est correcte, alors dans l'un des univers, le participant reste toujours en vie, ce qui conduit à l'idée de l'existence de "l'immortalité quantique".

Quant au chat de Schrödinger et à l'observateur de l'expérience, selon l'interprétation d'Everett, il se retrouve également avec le chat dans deux univers à la fois, c'est-à-dire en "langage quantique", "intriqué" avec lui.

Cela ressemble à une histoire tirée d'un roman de science-fiction, cependant, c'est l'une des nombreuses théories scientifiques qui ont leur place dans la physique moderne.

Tout le monde ne lit pas des livres sur les grandes inventions de l'humanité. Mais bien sûr, tous ceux qui ont regardé la série "Theory Big Bang», entendu parler d'un phénomène tel que « le chat de Schrödinger ». Puisqu'il est lié à la mécanique quantique, il est assez difficile pour une personne sans formation technique de comprendre sa signification. Essayons de comprendre ce que signifie le concept de "chat de Schrödinger" en mots simples.

Contenu:

Bref rappel historique

Erwin Schrodinger – célèbre physicien, l'un des créateurs de la théorie de la mécanique quantique. poinçonner le sien activité scientifiqueétait le soi-disant secondaire. Il était rarement le premier à enquêter sur quoi que ce soit.

Fondamentalement, Schrödinger a écrit des critiques de l'invention ou de la réalisation scientifique de quelqu'un, a critiqué l'auteur ou a continué à développer davantage les recherches et les découvertes d'autres personnes. Bien qu'individualiste par nature, il ne pouvait que s'appuyer sur les idées et les pensées des autres, qu'il prenait comme base de ses recherches. Malgré cela, il a apporté une énorme contribution au développement de la mécanique quantique, en grande partie grâce à son énigme "Le chat de Schrödinger".

Les réalisations scientifiques de Schrödinger comprennent:

création du concept de mécanique ondulatoire (pour cela, il a reçu le prix Nobel en 1933);
introduit le terme "objectivité de la description" dans la circulation scientifique - étayé la possibilité de théories scientifiques sans la participation directe du sujet de recherche (un observateur extérieur) pour décrire la réalité environnante ;
développé la théorie de la relativité;
a étudié les processus thermodynamiques et l'électrodynamique non linéaire de Born ;
fait des tentatives pour créer une théorie des champs unifiés.

Le concept de "chat de Schrödinger"

"Le chat de Shroedinger" – énigme célèbre Théorie de Schrödinger, une expérience de pensée menée par un physicien théoricien autrichien, à l'aide de laquelle il a été possible de démontrer l'incomplétude de la mécanique quantique dans la transition des microsystèmes aux macrosystèmes. Toute cette théorie est basée sur la critique des scientifiques des réalisations de la mécanique quantique.

Avant de procéder à la description de l'expérience, il est nécessaire de définir les concepts de base qui y sont utilisés. Le postulat principal du célèbre phénomène dit que tant que personne ne surveille le système, il est en poste de superposition- simultanément dans deux ou plusieurs états qui excluent l'existence mutuelle. Schrodinger lui-même a donné la définition suivante de la superposition - c'est la capacité quantique (un électron, un photon et le noyau d'un atome peuvent jouer le rôle d'un quantum) à être dans plusieurs états ou plusieurs points de l'espace en même temps , alors que personne ne surveille le système. Un quantum est un objet microscopique du microenvironnement.

Description de l'expérience

L'article original dans lequel Schrödinger explique son expérience a été publié en 1935. La méthode de comparaison et même d'usurpation d'identité a été utilisée pour décrire l'expérience.

Comprendre exactement ce que Schrödinger avait en tête en étudiant cet article est très difficile. Je vais essayer de décrire l'essence de l'expérience avec des mots simples.

Nous plaçons le chat dans une boîte avec un mécanisme contenant un noyau atomique radioactif et un récipient rempli de gaz toxique. L'expérience est réalisée avec des paramètres sélectionnés avec précision de la probabilité de désintégration du noyau atomique - 50% en 1 heure. Lorsque le noyau se désintègre, du gaz s'échappe du conteneur, ce qui entraîne la mort du chat. Si cela ne se produit pas, rien n'arrive au chat, il est vivant et en bonne santé.

Une heure passe et nous voulons obtenir une réponse à la question : le chat est-il mort ou est-il resté en vie ? Selon la théorie avancée de Schrödinger, le noyau d'un atome, comme un chat, se trouve dans une boîte dans plusieurs états à la fois (définition de la superposition). Jusqu'au moment de l'ouverture de la boîte, le microsystème, dans lequel se trouvent le noyau de l'atome et le chat, avec une probabilité de 50% - a l'état "le noyau s'est décomposé, le chat est mort", et avec le même probabilité d'avoir l'état "le noyau ne s'est pas décomposé, le chat est vivant". Cela confirme l'hypothèse selon laquelle le chat assis dans la boîte est à la fois vivant et mort en même temps, c'est-à-dire qu'il est dans plusieurs états en même temps en même temps. Il s'avère que le chat assis dans la boîte est à la fois vivant et mort.

en parlant langage clair, Le phénomène du chat de Schrödinger explique la possibilité du fait que du point de vue de la mécanique quantique, le chat est à la fois vivant et mort en même temps ce qui est impossible en réalité. Sur cette base, nous pouvons conclure qu'il existe des défauts importants dans la théorie de la mécanique quantique.

Si vous n'observez pas le noyau d'un atome dans un microsystème, alors il y a un mélange de deux états - un noyau décomposé et non décomposé. Lorsque la boîte est ouverte, l'expérimentateur ne peut observer qu'un seul état particulier. Puisque le chat représente le noyau de l'atome, il sera également dans un seul état - soit vivant, soit mort.

Démêler le paradoxe - l'interprétation de Copenhague

Des scientifiques de Copenhague ont résolu l'énigme du chat de Schrödinger. L'interprétation moderne de Copenhague est que le chat est vivant/mort sans états intermédiaires, car le noyau ne se désintègre pas ou ne se désintègre pas lorsque la boîte est ouverte, mais même plus tôt, lorsque le noyau est envoyé au détecteur. L'explication en est la suivante : la réduction de la fonction d'onde du microsystème « chat-détecteur-noyau » n'a aucun rapport avec la personne qui observe la boîte, mais est reliée au détecteur-observateur du noyau.

Cette interprétation du phénomène du chat de Schrödinger nie la possibilité que le chat soit dans un état de superposition avant d'ouvrir la boîte - dans l'état d'un chat vivant/mort en même temps. Un chat dans un macrosystème est toujours dans un seul état.

Important! L'expérience de Schrödinger a montré qu'un micro-objet et un macro-objet se comportent dans des systèmes conformément à différentes lois- les lois de la physique quantique et les lois de la physique dans son sens classique, respectivement.

Mais aucune science n'étudie les phénomènes lors du passage d'un macrosystème à un microsystème. Erwin Schrödinger s'est enthousiasmé à l'idée de mener une telle expérience précisément dans le but de prouver la faiblesse et l'incomplétude de la théorie générale de la physique. Son désir le plus profond était de démontrer par une expérience concrète que chaque science remplit ses propres tâches : la physique classique étudie les macro-objets, la physique quantique étudie les micro-objets. Il est nécessaire de développer des connaissances scientifiques pour décrire le processus de passage des grands aux petits objets dans les systèmes.

Il est très difficile pour un simple profane de comprendre tout de suite l'essence de ce paradoxe. En effet, dans l'esprit de chaque personne il y a une conviction que tout objet du monde matériel dans ce moment le temps ne peut être qu'à un moment donné.

Mais la théorie de Schrödinger ne peut s'appliquer qu'aux micro-objets, alors que le chat est un objet du macrocosme.

L'interprétation la plus récente du paradoxe du chat de Schrödinger est son utilisation dans The Big Bang Theory, dans laquelle personnage principal Sheldon Cooper a expliqué son essence à Penny, moins instruite. Cooper a introduit ce phénomène dans le domaine des relations humaines. Pour comprendre si les relations entre personnes du sexe opposé sont bonnes ou mauvaises, il suffit d'ouvrir la boîte. Et jusqu'à ce point, toute relation est à la fois bonne et mauvaise.

Récemment publié sur le célèbre portail scientifique "PostNauka", l'article de l'auteur d'Emil Akhmedov sur les causes du célèbre paradoxe, ainsi que sur ce qu'il n'est pas.

Le physicien Emil Akhmedov sur l'interprétation probabiliste, les systèmes quantiques fermés et la formulation des paradoxes.

À mon avis, la partie la plus difficile de la mécanique quantique, à la fois psychologiquement et philosophiquement, et à bien d'autres égards, est son interprétation probabiliste. Beaucoup de gens ont contesté l'interprétation probabiliste. Par exemple, Einstein, avec Podolsky et Rosen, a proposé un paradoxe qui réfute l'interprétation probabiliste.

En plus d'eux, Schrödinger a également argumenté avec l'interprétation probabiliste de la mécanique quantique. En tant que contradiction logique dans l'interprétation probabiliste de la mécanique quantique, Schrödinger a proposé le soi-disant paradoxe du chat de Schrödinger. Il peut être formulé de différentes manières, par exemple : disons que vous avez une boîte dans laquelle un chat est assis, et qu'une bouteille de gaz létal est connectée à cette boîte. À l'interrupteur de ce cylindre, qui admet ou ne laisse pas entrer de gaz mortel, un dispositif est connecté, qui fonctionne comme suit : il y a un verre polarisant, et si un photon passe de la polarisation requise, alors le cylindre s'allume, le le gaz coule vers le chat; si le photon n'est pas de la bonne polarisation, alors le ballon ne s'allume pas, la clé ne s'allume pas, le ballon ne laisse pas entrer de gaz dans le chat.

Supposons qu'un photon soit polarisé circulairement et que l'appareil réponde à la polarisation linéaire. Ce n'est peut-être pas clair, mais ce n'est pas très important. Avec une certaine probabilité, le photon sera polarisé d'une manière, avec une certaine probabilité - d'une autre. Schrodinger a déclaré : il s'avère qu'à un moment donné, jusqu'à ce que nous ouvrions le couvercle et que nous voyions si le chat est mort ou vivant (et que le système est fermé), le chat sera vivant avec une certaine probabilité et sera mort avec une certaine probabilité. Peut-être que je formule avec désinvolture un paradoxe, mais le résultat est une situation étrange où le chat n'est ni vivant ni mort. C'est ainsi que se formule le paradoxe.

A mon avis, ce paradoxe a une explication parfaitement claire et précise. C'est peut-être mon point de vue personnel, mais je vais essayer d'expliquer. La principale propriété de la mécanique quantique est la suivante : si vous décrivez un système fermé, alors la mécanique quantique n'est rien d'autre que la mécanique ondulatoire, la mécanique des ondes. Cela signifie qu'il est décrit par des équations différentielles dont les solutions sont des ondes. Là où il y a des ondes et des équations différentielles, il y a des matrices et ainsi de suite. Il s'agit de deux descriptions équivalentes : la description matricielle et la description ondulatoire. La description matricielle appartient à Heisenberg, la description ondulatoire appartient à Schrödinger, mais elles décrivent la même situation.

L'important est que tant que le système est fermé, il est décrit par une équation d'onde, et ce qui arrive à cette onde est décrit par une équation d'onde. Toute l'interprétation probabiliste de la mécanique quantique survient après l'ouverture du système - il est affecté de l'extérieur par un grand objet classique, c'est-à-dire non quantique. Au moment de l'impact, il cesse d'être décrit par cette équation d'onde. Il y a une soi-disant réduction de la fonction d'onde et une interprétation probabiliste. Jusqu'au moment de l'ouverture, le système évolue selon l'équation des ondes.

Nous devons maintenant faire quelques remarques sur la façon dont un grand système classique diffère d'un petit système quantique. D'une manière générale, même un grand système classique peut être décrit à l'aide de l'équation d'onde, bien que cette description soit généralement difficile à fournir et qu'elle soit en réalité totalement inutile. Ces systèmes diffèrent mathématiquement en action. Le soi-disant objet existe en mécanique quantique, en théorie des champs. Pour un grand système classique, l'action est énorme, mais pour un petit système quantique, l'action est petite. De plus, le gradient de cette action - le taux de variation de cette action dans le temps et dans l'espace - est énorme pour un grand système classique, et petit pour un petit système quantique. C'est la principale différence entre les deux systèmes. En raison du fait que l'action est très grande pour un système classique, il est plus pratique de la décrire non pas par des équations d'onde, mais simplement par des lois classiques comme la loi de Newton, etc. Par exemple, pour cette raison, la Lune ne tourne pas autour de la Terre comme un électron autour du noyau d'un atome, mais le long d'une certaine orbite bien définie, le long d'une trajectoire classique. Alors que l'électron, étant un petit système quantique, à l'intérieur de l'atome autour du noyau se déplace comme une onde stationnaire, son mouvement est décrit par une onde stationnaire, et c'est la différence entre les deux situations.

La mesure en mécanique quantique consiste à influencer un petit système quantique avec un grand système classique. Après cela, la réduction de la fonction d'onde se produit. À mon avis, la présence d'un ballon ou d'un chat dans le paradoxe de Schrödinger équivaut à la présence d'un grand système classique qui mesure la polarisation d'un photon. Ainsi, la mesure n'a pas lieu au moment où l'on ouvre le couvercle de la boîte et voit si le chat est vivant ou mort, mais au moment où le photon interagit avec le verre polarisant. Ainsi, à ce moment, la réduction de la fonction d'onde photonique se produit, le ballon est dans un état tout à fait défini : soit il s'ouvre, soit il ne s'ouvre pas, et le chat meurt ou ne meurt pas. Tout. Il n'y a pas de "chats probabilistes" selon lesquels il est vivant avec une certaine probabilité, mort avec une certaine probabilité. Quand j'ai dit que le paradoxe du chat de Schrödinger avait de nombreuses formulations différentes, j'ai seulement dit qu'il y en avait beaucoup différentes façons inventez l'appareil qui tue ou laisse le chat en vie. En fait, la formulation du paradoxe ne change pas.

J'ai entendu parler d'autres tentatives pour expliquer ce paradoxe en termes de mondes multiples, etc. À mon avis, toutes ces explications ne résistent pas à l'examen. Ce que j'ai expliqué au cours de cette vidéo avec des mots peut être mis sous forme mathématique et l'exactitude de cette affirmation peut être vérifiée. Je souligne une fois de plus qu'à mon avis, la mesure et la réduction de la fonction d'onde d'un petit système quantique se produit au moment de l'interaction avec un grand système classique. Un si grand système classique est un chat avec un appareil qui le tue, et non une personne qui ouvre une boîte avec un chat et voit si le chat est vivant ou non. C'est-à-dire que la mesure se produit au moment de l'interaction de ce système avec une particule quantique, et non au moment de vérifier le chat. De tels paradoxes, à mon avis, trouvent des explications dans l'application des théories et du bon sens.

L'essence de l'expérience

L'article original de Schrödinger décrit l'expérience comme suit :

Vous pouvez aussi construire des cas où le burlesque suffit. Un certain chat est enfermé dans une chambre en acier, avec la machine infernale suivante (qui doit être protégée de l'intervention directe d'un chat) : à l'intérieur d'un compteur Geiger se trouve une infime quantité de matière radioactive, si petite qu'un seul atome peut se désintégrer en une heure, mais avec la même probabilité, il peut et ne pas s'effondrer ; si cela se produit, le tube de lecture est déchargé et un relais est activé, abaissant le marteau, ce qui brise le cône d'acide cyanhydrique. Si nous laissons tout ce système à lui-même pendant une heure, alors nous pouvons dire que le chat sera vivant après ce temps, tant que l'atome ne se désintégrera pas. La première désintégration d'un atome aurait empoisonné le chat. La fonction psi du système dans son ensemble exprimera cela en mélangeant en elle-même ou en enduisant le chat vivant et mort (pardonnez l'expression) dans des proportions égales. Typique dans de tels cas est que l'incertitude, initialement limitée au monde atomique, se transforme en une incertitude macroscopique qui peut être éliminée par l'observation directe. Cela nous empêche d'accepter naïvement le "modèle flou" comme reflétant la réalité. En soi, cela ne signifie rien de flou ou de contradictoire. Il y a une différence entre une photo floue ou floue et une photo de nuage ou de brouillard. Selon la mécanique quantique, si aucune observation n'est faite sur le noyau, alors son état est décrit par une superposition (mélange) de deux états - un noyau décomposé et un noyau non décomposé, par conséquent, le chat assis dans la boîte est à la fois vivant et mort à la fois. Si la boîte est ouverte, l'expérimentateur ne peut voir qu'un seul état spécifique - "le noyau s'est désintégré, le chat est mort" ou "le noyau ne s'est pas désintégré, le chat est vivant". La question est la suivante : quand un système cesse-t-il d'exister en tant que mélange de deux états et en choisit-il un concret ? Le but de l'expérience est de montrer que la mécanique quantique est incomplète sans certaines règles qui spécifient dans quelles conditions la fonction d'onde s'effondre et le chat devient mort ou reste vivant, mais cesse d'être un mélange des deux.

Puisqu'il est clair que le chat doit nécessairement être soit vivant soit mort (il n'y a pas d'état qui combine la vie et la mort), il en sera de même pour le noyau atomique. Il doit nécessairement être soit décomposé, soit non décomposé.

L'article original est paru en 1935. Le but de l'article était de discuter du paradoxe Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) publié par Einstein, Podolsky et Rosen plus tôt cette année-là.

YouTube encyclopédique

1 / 5
En fait, Hawking et de nombreux autres physiciens sont d'avis que "l'école de Copenhague" de l'interprétation de la mécanique quantique met l'accent sur le rôle de l'observateur de manière déraisonnable. L'unité définitive entre les physiciens sur cette question n'a pas encore été atteinte.
La parallélisation des mondes à chaque instant du temps correspond à un véritable automate non déterministe, contrairement à l'automate probabiliste, lorsqu'à chaque pas l'un des les voies possibles selon leur probabilité.

Paradoxe de Wigner

Il s'agit d'une version compliquée de l'expérience de Schrödinger. Eugene Wigner a introduit la catégorie "amis". Après avoir terminé l'expérience, l'expérimentateur ouvre la boîte et voit un chat vivant. Le vecteur d'état du chat au moment de l'ouverture de la boîte passe à l'état « le noyau n'est pas désintégré, le chat est vivant ». Ainsi, en laboratoire, le chat a été reconnu comme vivant. A l'extérieur du laboratoire se trouve ami. Ami ne sait pas encore si le chat est vivant ou mort. Ami ne reconnaît le chat comme vivant que lorsque l'expérimentateur l'informe du résultat de l'expérience. Mais tous les autres copains le chat n'a pas encore été reconnu vivant, et ils ne le reconnaîtront que lorsqu'ils seront informés du résultat de l'expérience. Ainsi, un chat ne peut être considéré comme complètement vivant (ou complètement mort) que lorsque toutes les personnes de l'univers connaissent le résultat de l'expérience. Jusqu'ici, à l'échelle du Grand Univers, le chat, selon Wigner, reste à la fois vivant et mort.

Utilisation pratique

Ce qui précède est appliqué dans la pratique : en informatique quantique et en cryptographie quantique. Un câble à fibre optique transmet un signal lumineux qui est dans une superposition de deux états. Si des intrus se connectent au câble quelque part au milieu et y font un signal afin d'écouter les informations transmises, cela effondrera la fonction d'onde (du point de vue de l'interprétation de Copenhague, une observation sera faite) et la lumière ira dans l'un des états. Après avoir effectué des tests statistiques de lumière à l'extrémité réceptrice du câble, il sera possible de savoir si la lumière est dans une superposition d'états ou si elle a déjà été observée et transmise à un autre point. Cela permet de créer des moyens de communication qui excluent l'interception de signal imperceptible et l'écoute clandestine.
L'expérience (qui en principe peut être réalisée, bien que des systèmes fonctionnels de cryptographie quantique capables de transmettre de grandes quantités d'informations n'aient pas encore été créés) montre également que "l'observation" dans l'interprétation de Copenhague n'a rien à voir avec l'esprit de l'observateur, car dans ce cas, le changement de statistique à la fin du câble conduit à une branche complètement inanimée du fil.

"Quiconque n'est pas choqué par la théorie quantique, ne le comprend pas », a déclaré Niels Bohr, le fondateur de la théorie quantique.
La base de la physique classique - la programmation sans ambiguïté du monde, autrement le déterminisme laplacien, avec l'avènement de la mécanique quantique a été remplacée par l'invasion du monde des incertitudes et des événements probabilistes. Et ici, soit dit en passant, les expériences de pensée se sont avérées être destinées aux physiciens théoriciens. Ce sont des pierres de touche sur lesquelles les dernières idées ont été testées.

Le chat de Schrödinger est une expérience de pensée, proposé par Erwin Schrödinger, avec lequel il voulait montrer l'incomplétude de la mécanique quantique dans le passage des systèmes subatomiques aux systèmes macroscopiques.

Un chat est placé dans une boîte fermée. La boîte contient un mécanisme contenant un noyau radioactif et un conteneur de gaz toxique. La probabilité que le noyau se désintègre en 1 heure est de 1/2. Si le noyau se désintègre, il met le mécanisme en mouvement, il ouvre le réservoir de gaz et le chat meurt. Selon la mécanique quantique, si aucune observation n'est faite sur le noyau, alors son état est décrit par une superposition (mélange) de deux états - un noyau décomposé et un noyau non décomposé, par conséquent, le chat assis dans la boîte est à la fois vivant et mort à la fois. Si la boîte est ouverte, l'expérimentateur ne peut voir qu'un seul état spécifique - "le noyau s'est désintégré, le chat est mort" ou "le noyau ne s'est pas désintégré, le chat est vivant".

Quand le système cesse-t-il d'exister ? comme mélanger deux états et en choisir un en particulier ?

But de l'expérience- pour montrer que la mécanique quantique est incomplète sans certaines règles indiquant dans quelles conditions la fonction d'onde s'effondre (un changement instantané de l'état quantique d'un objet qui se produit pendant la mesure), et le chat devient mort ou reste vivant, mais cesse d'être un mélange des deux.

Puisqu'il est clair que le chat doit nécessairement être soit vivant soit mort (il n'y a pas d'état intermédiaire entre la vie et la mort), cela signifie que cela est également vrai pour le noyau atomique. Il sera nécessairement soit décomposé soit non décomposé.

L'article de Schrödinger "La situation actuelle en mécanique quantique" présentant une expérience de pensée avec un chat est paru dans la revue allemande Natural Sciences en 1935 pour discuter du paradoxe EPR.
Les articles d'Einstein-Podolsky-Rosen et de Schrödinger ont souligné la nature étrange de "l'intrication quantique" (terme introduit par Schrödinger), qui est caractéristique des états quantiques qui sont une superposition des états de deux systèmes (par exemple, deux particules subatomiques ).

Interprétations de la mécanique quantique

Au cours de l'existence de la mécanique quantique, les scientifiques ont avancé ses diverses interprétations, mais les plus soutenues de toutes aujourd'hui sont "Copenhague" et "plusieurs mondes".

"Interprétation de Copenhague"- cette interprétation de la mécanique quantique a été formulée par Niels Bohr et Werner Heisenberg lors de leurs travaux communs à Copenhague (1927). Les scientifiques ont tenté de répondre aux questions soulevées par le dualisme des ondes corpusculaires inhérent à la mécanique quantique, en particulier la question de la mesure.

Dans l'interprétation de Copenhague, le système cesse d'être un mélange d'états et choisit l'un d'entre eux au moment où se produit une observation. L'expérience avec le chat montre que dans cette interprétation la nature même de cette observation - la mesure - n'est pas suffisamment définie. Certains pensent que l'expérience suggère que tant que la boîte est fermée, le système est dans les deux états à la fois, dans une superposition des états « noyau décomposé, chat mort » et « noyau non décomposé, chat vivant », et lorsque le boîte est ouverte, alors seulement la fonction d'onde se réduit à l'une des variantes. D'autres supposent que "l'observation" se produit lorsqu'une particule du noyau frappe le détecteur ; cependant (et c'est le point clé de l'expérience de pensée) il n'y a pas de règle claire dans l'interprétation de Copenhague qui dit quand cela se produit, et donc cette interprétation est incomplète jusqu'à ce qu'une telle règle y soit introduite, ou il n'est pas dit comment cela se produit. peut être introduit. La règle exacte est la suivante : le hasard apparaît au point où l'approximation classique est utilisée pour la première fois.

Ainsi, on peut s'appuyer sur l'approche suivante : on n'observe pas de phénomènes quantiques dans les systèmes macroscopiques (hormis les phénomènes de superfluidité et de supraconductivité) ; donc si nous superposons une fonction d'onde macroscopique à un état quantique, nous devons conclure par expérience que la superposition s'effondre. Et bien qu'il ne soit pas tout à fait clair ce que signifie que quelque chose est "macroscopique" en général, on sait avec certitude à propos d'un chat qu'il s'agit d'un objet macroscopique. Ainsi, l'interprétation de Copenhague ne considère pas que le chat se trouve dans un état de mélange entre les vivants et les morts avant l'ouverture de la boîte.

Dans "interprétation multi-monde" de la mécanique quantique, qui ne considère pas le processus de mesure comme quelque chose de spécial, les deux états du chat existent, mais décohère, c'est-à-dire un processus se produit dans lequel un système mécanique quantique interagit avec environnement et acquiert des informations disponibles dans l'environnement, ou sinon, "s'emmêle" avec l'environnement. Et lorsque l'observateur ouvre la boîte, il s'emmêle avec le chat, et à partir de là se forment deux états de l'observateur, correspondant à un chat vivant et un chat mort, et ces états n'interagissent pas entre eux. Le même mécanisme de décohérence quantique est également important pour les histoires "jointes". Dans cette interprétation, seul un « chat mort » ou « chat vivant » peut être dans une « histoire partagée ».

En d'autres termes, lorsque la boîte est ouverte, l'univers se divise en deux univers différents, dans l'un desquels l'observateur regarde la boîte avec le chat mort, et dans l'autre, l'observateur regarde le chat vivant.

Le paradoxe de "l'ami de Wigner"

Le paradoxe de l'ami de Wigner est une expérience compliquée du paradoxe du chat de Schrödinger. Lauréat prix Nobel, le physicien américain Eugene Wigner a introduit la catégorie des "amis". Après avoir terminé l'expérience, l'expérimentateur ouvre la boîte et voit un chat vivant. L'état du chat au moment de l'ouverture de la boîte passe à l'état "le noyau ne s'est pas désintégré, le chat est vivant". Ainsi, en laboratoire, le chat a été reconnu comme vivant. À l'extérieur du laboratoire se trouve un "ami". L'ami ne sait pas encore si le chat est vivant ou mort. Un ami ne reconnaît le chat comme vivant que lorsque l'expérimentateur l'informe du résultat de l'expérience. Mais tous les autres "amis" n'ont pas encore reconnu le chat vivant, et ils ne le reconnaîtront que lorsqu'ils seront informés du résultat de l'expérience. Ainsi, un chat ne peut être reconnu comme pleinement vivant que lorsque tous les habitants de l'univers connaissent le résultat de l'expérience. Jusqu'ici, à l'échelle du Grand Univers, le chat reste à la fois à moitié vivant et à moitié mort.

Ce qui précède est appliqué dans la pratique : en informatique quantique et en cryptographie quantique. Un câble à fibre optique envoie un signal lumineux qui est dans une superposition de deux états. Si des attaquants se connectent au câble quelque part au milieu et y font un tapotement de signal afin d'écouter les informations transmises, cela effondrera la fonction d'onde (du point de vue de l'interprétation de Copenhague, une observation sera faite) et la lumière ira dans l'un des états. Après avoir effectué des tests statistiques de lumière à l'extrémité réceptrice du câble, il sera possible de savoir si la lumière est dans une superposition d'états ou si elle a déjà été observée et transmise à un autre point. Cela permet de créer des moyens de communication qui excluent l'interception de signal imperceptible et l'écoute clandestine.

L'expérience (qui en principe peut être réalisée, bien que des systèmes fonctionnels de cryptographie quantique capables de transmettre de grandes quantités d'informations n'aient pas encore été créés) montre également que "l'observation" dans l'interprétation de Copenhague n'a rien à voir avec l'esprit de l'observateur, car dans ce cas, le changement de statistique à la fin du câble conduit à une branche complètement inanimée du fil.

Et en informatique quantique, l'état "chat de Schrödinger" est un état intriqué spécial de qubits, dans lequel ils sont tous dans la même superposition de zéros ou de uns.

("Qubit" est le plus petit élément pour stocker des informations dans un ordinateur quantique. Elle admet deux états propres, mais elle peut aussi être dans leur superposition. Chaque fois que vous mesurez l'état d'un qubit, il passe de manière aléatoire à l'un de ses propres états.)

En réalité! Petit frère du "chat de Schrödinger"

Cela fait 75 ans que le "chat de Schrödinger" est apparu, mais certaines des conséquences de la physique quantique semblent toujours en contradiction avec nos idées ordinaires sur la matière et ses propriétés. Selon les lois de la mécanique quantique, il devrait être possible de créer un tel état de "chat" lorsqu'il est à la fois vivant et mort, c'est-à-dire sera dans un état de superposition quantique de deux états. Cependant, en pratique, la création d'une superposition quantique de tels un grand nombre les atomes ne sont pas encore possibles. La difficulté est que plus il y a d'atomes en superposition, moins cet état est stable, puisque influences externes chercher à le détruire.

Physiciens de l'Université de Vienne (publication dans la revue Communication Nature”, 2011) a réussi pour la première fois au monde à démontrer le comportement quantique d'une molécule organique composée de 430 atomes et dans un état de superposition quantique. La molécule obtenue par les expérimentateurs ressemble plus à une pieuvre. La taille des molécules est de l'ordre de 60 angströms et la longueur d'onde de de Broglie pour la molécule n'était que de 1 picomètre. Une telle "pieuvre moléculaire" a pu démontrer les propriétés inhérentes au chat de Schrödinger.

suicide quantique

Le suicide quantique est une expérience de pensée en mécanique quantique qui a été proposée indépendamment par G. Moravec et B. Marshal, et en 1998 a été élargie par le cosmologiste Max Tegmark. Cette expérience de pensée, étant une modification de l'expérience de pensée avec le chat de Schrödinger, montre clairement la différence entre deux interprétations de la mécanique quantique : l'interprétation de Copenhague et l'interprétation des mondes multiples d'Everett.

En fait, l'expérience est une expérience avec le chat de Schrödinger du point de vue du chat.

Dans l'expérience proposée, un pistolet est pointé sur le participant, qui tire ou ne tire pas, en fonction de la désintégration de tout atome radioactif. La probabilité qu'à la suite de l'expérience, le pistolet se déclenche et que le participant meure est de 50%. Si l'interprétation de Copenhague est correcte, l'arme finira par exploser et le concurrent mourra.
Si l'interprétation à plusieurs mondes d'Everett est correcte, à la suite de chaque expérience, l'univers se divise en deux univers, dans l'un desquels le participant reste en vie et dans l'autre meurt. Dans les mondes où un participant meurt, il cesse d'exister. En revanche, du point de vue du participant non décédé, l'expérience se poursuivra sans entraîner la disparition du participant. En effet, dans n'importe quelle branche, le participant ne peut observer le résultat de l'expérience que dans le monde dans lequel il survit. Et si l'interprétation à plusieurs mondes est correcte, le participant peut remarquer qu'il ne mourra jamais au cours de l'expérience.

Le participant ne pourra jamais parler de ces résultats, car du point de vue d'un observateur extérieur, la probabilité de l'issue de l'expérience sera la même dans les interprétations du monde multiple et de Copenhague.

immortalité quantique

L'immortalité quantique est une expérience de pensée issue de l'expérience de pensée suicidaire quantique, affirmant que, selon l'interprétation à plusieurs mondes de la mécanique quantique, les êtres capables de prendre conscience de soi sont immortels.

Imaginez qu'un participant à une expérience fasse exploser une bombe nucléaire près de lui. Dans presque tous les univers parallèles, une explosion nucléaire détruira le participant. Mais, malgré cela, il devrait y avoir un petit ensemble d'univers alternatifs dans lesquels le participant survit d'une manière ou d'une autre (c'est-à-dire des univers dans lesquels le développement d'un scénario de sauvetage potentiel est possible). L'idée d'immortalité quantique est que le participant reste en vie, et est donc capable de percevoir la réalité environnante, dans au moins un des univers de l'ensemble, même si le nombre de ces univers est extrêmement faible par rapport au nombre de tous les univers possibles. Ainsi, au fil du temps, le participant découvrira qu'il peut vivre éternellement. Certains parallèles avec cette inférence peuvent être trouvés dans le concept de principe anthropique.

Un autre exemple découle de l'idée de suicide quantique. Dans cette expérience de pensée, le participant pointe une arme sur lui-même, qui peut tirer ou non, selon le résultat de la désintégration de tout atome radioactif. La probabilité qu'à la suite de l'expérience, le pistolet se déclenche et que le participant meure est de 50%. Si l'interprétation de Copenhague est correcte, l'arme finira par exploser et le concurrent mourra.

Si l'interprétation à plusieurs mondes d'Everett est correcte, à la suite de chaque expérience, l'univers se divise en deux univers, dans l'un desquels le participant reste en vie et dans l'autre meurt. Dans les mondes où un participant meurt, il cesse d'exister. Au contraire, du point de vue du participant non-mort, l'expérience se poursuivra sans entraîner la disparition du participant, puisqu'après chaque scission d'univers, il ne pourra se réaliser que dans les univers où il a survécu. Ainsi, si l'interprétation à plusieurs mondes d'Everett est correcte, alors le participant peut remarquer qu'il ne mourra jamais pendant l'expérience, "prouvant" ainsi son immortalité, du moins de son point de vue.

Les partisans de l'immortalité quantique soulignent que cette théorie ne contredit aucune loi connue de la physique (cette position est loin de faire l'unanimité dans le monde scientifique). Ils fondent leur raisonnement sur les deux hypothèses controversées suivantes :
- l'interprétation multimonde d'Everett est correcte, mais pas l'interprétation de Copenhague, puisque cette dernière nie l'existence d'univers parallèles ;
- tous les scénarios possibles dans lesquels le participant peut mourir pendant l'expérience contiennent au moins un petit sous-ensemble de scénarios où le participant survit.

Un argument possible contre la théorie de l'immortalité quantique serait que la deuxième hypothèse ne découle pas nécessairement de l'interprétation à plusieurs mondes d'Everett et qu'elle peut entrer en conflit avec les lois de la physique, qui sont censées s'appliquer à toutes les réalités possibles. L'interprétation multimonde de la physique quantique n'implique pas nécessairement que "tout est possible". Cela indique seulement qu'à un certain moment dans le temps, l'univers peut être divisé en un certain nombre d'autres, dont chacun correspondra à l'un des nombreux résultats possibles. Par exemple, la deuxième loi de la thermodynamique est censée être vraie pour tous les univers possibles. Cela signifie que théoriquement l'existence de cette loi empêche la formation d'univers parallèles où elle serait violée. La conséquence de ceci peut être la réalisation, du point de vue de l'expérimentateur, d'un tel état de réalité où sa survie ultérieure devient impossible, car cela nécessiterait une violation de la loi de la physique, qui, selon l'hypothèse faite plus tôt, est valable pour toutes les réalités possibles.

Par exemple, lors d'une explosion bombe nucléaire décrit ci-dessus, il est déjà assez difficile de décrire un scénario plausible qui ne viole pas les principes biologiques de base dans lequel le participant restera en vie. Les cellules vivantes ne peuvent tout simplement pas exister aux températures atteintes au centre explosion nucléaire. Pour que la théorie de l'immortalité quantique reste valable, il faut soit qu'un raté se produise (et donc qu'il ne se produise pas d'explosion nucléaire), soit qu'un événement se produise qui serait basé sur des lois de la physique non encore découvertes ou non prouvées. Un autre argument contre la théorie en discussion est la présence de la mort biologique naturelle chez tous les êtres, qui ne peut être évitée dans aucun des univers parallèles (du moins à ce stade du développement de la science)

D'autre part, la deuxième loi de la thermodynamique est une loi statistique, et l'apparition de fluctuations ne contredit rien (par exemple, l'apparition d'une région avec des conditions adaptées à la vie d'un observateur dans un univers qui a généralement atteint une état de mort par la chaleur ; ou, en principe, le mouvement possible de toutes les particules résultant d'une explosion nucléaire, de sorte que chacune d'elles passera devant l'observateur), bien qu'une telle fluctuation ne se produise que dans une très petite partie de tous les résultats possibles. L'argument relatif à la fatalité de la mort biologique peut également être réfuté sur la base de considérations probabilistes. Pour tout organisme vivant à un instant donné, il existe une probabilité non nulle qu'il reste en vie la seconde suivante. Ainsi, la probabilité qu'il reste en vie pendant le prochain milliard d'années est également non nulle (car elle est le produit d'un grand nombre de facteurs non nuls), bien qu'elle soit très faible.

Ce qui est problématique dans l'idée d'immortalité quantique, c'est que, selon elle, un être conscient de lui-même sera "obligé" de vivre des événements extrêmement improbables qui se produiront dans des situations où le participant semblerait mourir. Même si dans de nombreux univers parallèles le participant meurt, les quelques univers que le participant est capable de percevoir subjectivement se développeront dans un scénario extrêmement improbable. Ceci, à son tour, peut en quelque sorte entraîner une violation du principe de causalité, dont la nature en physique quantique n'est pas encore assez claire.

Bien que l'idée d'immortalité quantique découle en grande partie de l'expérience du "suicide quantique", Tegmark soutient que dans toutes les conditions normales, tout être pensant avant la mort passe par une étape (de quelques secondes à plusieurs années) de diminution du niveau de la conscience de soi, qui n'a rien à voir avec la mécanique quantique, et il n'y a aucune possibilité pour le participant d'avoir une existence continue en passant d'un monde à un autre, lui permettant de survivre.

Ici, un observateur rationnel qui n'est conscient de lui-même que dans un nombre relativement restreint d'états possibles dans lesquels il conserve la conscience de soi continue de rester, pour ainsi dire, dans un « corps sain ». La possibilité que l'observateur, ayant conservé sa conscience, reste paralysé, est beaucoup plus grande que s'il reste indemne. Tout système (y compris un organisme vivant) a beaucoup plus de chances de mal fonctionner que de rester en forme parfaite. L'hypothèse ergodique de Boltzmann exige que l'observateur immortel passe tôt ou tard par tous les états compatibles avec la préservation de la conscience, y compris ceux dans lesquels il ressentira une souffrance insupportable - et il y aura bien plus de tels états que les états de fonctionnement optimal de l'organisme . Ainsi, selon le philosophe David Lewis, nous devrions espérer que l'interprétation à plusieurs mondes est fausse.