Rivisitazioni del gatto di Schrödinger si rompe la meccanica quantistica – e ceppi fisici

Nel mondo più famoso esperimento, il fisico Erwin Schrödinger descritto come un gatto in una scatola potrebbe essere in una situazione incerta. Le regole peculiari della teoria quantistica significava che poteva essere sia vivo che morto, fino a quando la scatola è stata aperta e lo stato del gatto misurato., Ora, due fisici hanno ideato una versione moderna del paradosso sostituendo il gatto con un fisico che fa esperimenti — con implicazioni scioccanti.

La teoria quantistica ha una lunga storia di esperimenti di pensiero, e nella maggior parte dei casi questi sono usati per indicare punti deboli in varie interpretazioni della meccanica quantistica. Ma l’ultima versione, che coinvolge più giocatori, è insolita: mostra che se l’interpretazione standard della meccanica quantistica è corretta, allora diversi sperimentatori possono raggiungere conclusioni opposte su ciò che il fisico nella scatola ha misurato., Ciò significa che la teoria quantistica si contraddice.

L’esperimento concettuale è stato discusso con gusto nei circoli di fisica per più di due anni — e ha lasciato la maggior parte dei ricercatori perplessi, anche in un campo abituato a concetti strani. “Penso che questo sia un livello completamente nuovo di stranezza”, dice Matthew Leifer, un fisico teorico della Chapman University di Orange, in California.

Gli autori, Daniela Frauchiger e Renato Renner dell’Istituto federale svizzero di tecnologia (ETH) di Zurigo, hanno pubblicato la loro prima versione dell’argomento online nell’aprile 2016., Il documento finale è pubblicato su Nature Communications il 18 settembre1. (Frauchiger ha ora lasciato il mondo accademico.)

Strano mondo

La meccanica quantistica è alla base di quasi tutta la fisica moderna, spiegando tutto, dalla struttura degli atomi al motivo per cui i magneti si attaccano l’uno all’altro. Ma le sue basi concettuali continuano a lasciare i ricercatori afferrare per le risposte. Le sue equazioni non possono prevedere l’esito esatto di una misurazione — ad esempio, della posizione di un elettrone — solo le probabilità che possa produrre valori particolari.,

Gli oggetti quantistici come gli elettroni vivono quindi in una nuvola di incertezza, codificata matematicamente in una “funzione d’onda” che cambia forma senza intoppi, proprio come le normali onde nel mare. Ma quando viene misurata una proprietà come la posizione di un elettrone, produce sempre un valore preciso (e restituisce nuovamente lo stesso valore se misurato immediatamente dopo).

Il modo più comune di capire questo è stato formulato nel 1920 dai pionieri della teoria quantistica Niels Bohr e Werner Heisenberg, ed è chiamato l’interpretazione di Copenaghen, dopo la città in cui Bohr ha vissuto., Dice che l’atto di osservare un sistema quantistico rende la funzione d’onda “collassata” da una curva di diffusione a un singolo punto di dati.

L’interpretazione di Copenaghen ha lasciato aperta la questione del perché regole diverse dovrebbero applicarsi al mondo quantistico dell’atomo e al mondo classico delle misure di laboratorio (e dell’esperienza quotidiana). Ma era anche rassicurante: sebbene gli oggetti quantistici vivano in stati incerti, l’osservazione sperimentale avviene nel regno classico e dà risultati inequivocabili.

Ora, Frauchiger e Renner stanno scuotendo i fisici da questa posizione confortante., Il loro ragionamento teorico dice che il quadro di base di Copenaghen — così come altre interpretazioni che condividono alcuni dei suoi presupposti di base — non è internamente coerente.

Cosa c’è nella scatola?

Il loro scenario è notevolmente più coinvolto del gatto di Schrödinger — proposto nel 1935 — in cui il felino viveva in una scatola con un meccanismo che rilasciava un veleno sulla base di un evento casuale, come il decadimento di un nucleo atomico. In tal caso, lo stato del gatto era incerto fino a quando lo sperimentatore non aprì la scatola e la controllò.,

Nel 1967, il fisico ungherese Eugene Wigner propose una versione del paradosso in cui sostituì il gatto e il veleno con un amico fisico che viveva all’interno di una scatola con un dispositivo di misurazione che poteva restituire uno dei due risultati, come una moneta che mostrava testa o croce. La funzione d’onda collassa quando l’amico di Wigner viene a conoscenza del risultato? Una scuola di pensiero dice che lo fa, suggerendo che la coscienza è al di fuori del regno quantico., Ma se la meccanica quantistica si applica al fisico, allora dovrebbe essere in uno stato incerto che combina entrambi i risultati fino a quando Wigner non apre la scatola.

Frauchiger e Renner hanno una versione ancora più sofisticata (vedi “Nuovi gatti in città”). Hanno due Wigner, ognuno facendo un esperimento su un amico fisico che tengono in una scatola. Uno dei due amici (chiamala Alice) può lanciare una moneta e — usando la sua conoscenza della fisica quantistica — preparare un messaggio quantistico da inviare all’altro amico (chiamalo Bob)., Usando la sua conoscenza della teoria quantistica, Bob può rilevare il messaggio di Alice e indovinare il risultato del suo lancio della moneta. Quando i due Wigner aprono le loro scatole, in alcune situazioni possono concludere con certezza da che parte è atterrata la moneta, dice Renner-ma occasionalmente le loro conclusioni sono incoerenti. ” Uno dice, ‘Sono sicuro che sia code’ e l’altro dice, ‘Sono sicuro che siano teste’”, dice Renner.,

L’esperimento non può essere messo in pratica, perché richiederebbe la Wigners di misurare tutte le proprietà quantistiche dei loro amici, che include la possibilità di leggere le loro menti, sottolinea teorico Lídia Del Rio, un collega di Renner del POLITECNICO di Zurigo.,

Tuttavia potrebbe essere fattibile fare in modo che due computer quantistici interpretino le parti di Alice e Bob: la logica dell’argomento richiede solo che conoscano le regole della fisica e prendano decisioni basate su di esse, e in linea di principio si può rilevare lo stato quantistico completo di un computer quantistico. (Computer quantistici abbastanza sofisticati per fare questo non esistono ancora, Renner sottolinea.)

Interpretazioni duellanti

I fisici stanno ancora facendo i conti con le implicazioni del risultato., Ha innescato risposte riscaldate da esperti nei fondamenti della teoria quantistica, molti dei quali tendono ad essere protettivi della loro interpretazione pet. ” Alcuni diventano emotivi”, dice Renner. E diversi ricercatori tendono a trarre conclusioni diverse. “La maggior parte delle persone afferma che l’esperimento dimostra che la loro interpretazione è l’unica corretta.”

Per Leifer, produrre risultati incoerenti non dovrebbe necessariamente essere un insuccesso. Alcune interpretazioni della meccanica quantistica consentono già visioni della realtà che dipendono dalla prospettiva., Che potrebbe essere meno sgradevole di dover ammettere che la teoria quantistica non si applica a cose complesse come le persone, dice.

Robert Spekkens, un fisico teorico presso il Perimeter Institute for Theoretical Physics di Waterloo, in Canada, afferma che la via d’uscita dal paradosso potrebbe nascondersi in alcune sottili ipotesi nell’argomento, in particolare nella comunicazione tra Alice e Bob.

“A mio avviso, ci sono molte situazioni in cui portare a bordo le conoscenze di qualcuno comporta una traduzione delle loro conoscenze.,”Forse l’incoerenza deriva dal fatto che Bob non interpreta correttamente il messaggio di Alice, dice. Ma ammette di non aver ancora trovato una soluzione.

Per ora, è probabile che i fisici continuino a discutere. ” Non penso che abbiamo avuto un senso di questo”, dice Leifer.