Beaucoup de gens ont entendu cette expression, mais peut-être que tout le monde ne comprend même pas sa signification simplifiée. Essayons de le comprendre sans théories ni formules compliquées.
«Le chat de Schrödinger» est le nom de la célèbre expérience de pensée du célèbre physicien théoricien autrichien Erwin Schrödinger, également lauréat du prix Nobel. Avec cette expérience fictive, le scientifique a voulu montrer l'incomplétude de la mécanique quantique dans la transition des systèmes subatomiques aux systèmes macroscopiques.
L'article original d'Erwin Schrödinger a été publié en 1935. Voici une citation:
Vous pouvez également construire des cas dans lesquels le burlesque suffit. Laissez un chat être enfermé dans une chambre en acier avec la machine diabolique suivante (qui devrait être indépendante de l'intervention du chat): à l'intérieur du compteur Geiger se trouve une infime quantité de substance radioactive, si petite qu'un seul atome peut se désintégrer en une heure, mais avec le même la probabilité peut ne pas se désintégrer; si cela se produit, le tube de lecture est déchargé et le relais est déclenché, libérant le marteau, qui brise le cône avec de l'acide cyanhydrique.
Si vous laissez tout ce système à lui-même pendant une heure, nous pouvons dire que le chat sera en vie après ce temps, tant que la désintégration de l'atome ne se produit pas. La toute première désintégration d'un atome aurait empoisonné le chat. La fonction psi du système dans son ensemble exprimera cela en mélangeant ou en étalant un chat vivant et un chat mort (désolé pour l'expression) à parts égales. Typique dans de tels cas, l'incertitude, initialement limitée au monde atomique, se transforme en incertitude macroscopique, qui peut être éliminée par observation directe. Cela nous empêche d'accepter naïvement le «modèle de flou» comme reflétant la réalité. En soi, cela ne signifie rien de peu clair ou de contradictoire. Il y a une différence entre une photo floue ou floue et une photo de nuages ou de brouillard.
En d'autres termes:
- Il y a une boîte et un chat. La boîte contient un mécanisme contenant un noyau atomique radioactif et un récipient contenant un gaz toxique. Les paramètres de l'expérience ont été sélectionnés pour que la probabilité de désintégration nucléaire en 1 heure soit de 50%. Si le noyau se désintègre, un récipient contenant du gaz s'ouvre et le chat meurt. Si le noyau ne se décompose pas, le chat reste bien vivant.
- Nous fermons le chat dans une boîte, attendons une heure et nous nous demandons: le chat est-il vivant ou mort?
- La mécanique quantique, pour ainsi dire, nous dit que le noyau atomique (et donc le chat) est dans tous les états possibles simultanément (voir superposition quantique). Avant d'ouvrir la boîte, le système «cat-core» est dans l'état «le noyau s'est décomposé, le chat est mort» avec une probabilité de 50% et dans l'état «le noyau ne s'est pas décomposé, le chat est vivant» avec une probabilité de 50%. Il s'avère que le chat assis dans la boîte est à la fois vivant et mort en même temps.
- Selon l'interprétation moderne de Copenhague, le chat est vivant / mort sans aucun état intermédiaire. Et le choix de l'état de désintégration nucléaire n'intervient pas au moment de l'ouverture de la boîte, mais aussi lorsque le noyau pénètre dans le détecteur. Car la réduction de la fonction d'onde du système "chat-détecteur-noyau" n'est pas associée à l'humain-observateur de la boîte, mais est associée au détecteur-observateur du noyau.
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Selon la mécanique quantique, si aucune observation n'est faite sur le noyau d'un atome, alors son état est décrit par le mélange de deux états - un noyau désintégré et un noyau non résolu, par conséquent, un chat assis dans une boîte et personnifiant le noyau d'un atome est à la fois vivant et mort en même temps. Si la boîte est ouverte, alors l'expérimentateur ne peut voir qu'un état spécifique - "le noyau s'est décomposé, le chat est mort" ou "le noyau ne s'est pas décomposé, le chat est vivant".
L'essence du langage humain: l'expérience de Schrödinger a montré que, du point de vue de la mécanique quantique, un chat est à la fois vivant et mort, ce qui ne peut pas l'être. Par conséquent, la mécanique quantique présente des défauts importants.
La question est: quand le système cesse-t-il d'exister en tant que mélange de deux états et en choisit-il un spécifique? Le but de l'expérience est de montrer que la mécanique quantique est incomplète sans certaines règles qui indiquent dans quelles conditions la fonction d'onde s'effondre, et le chat devient mort ou reste en vie, mais cesse d'être un mélange des deux. Puisqu'il est clair que le chat doit nécessairement être vivant ou mort (il n'y a pas d'état intermédiaire entre la vie et la mort), il en sera de même pour le noyau atomique. Il doit être soit désintégré soit non désintégré (Wikipedia).
Une autre interprétation la plus récente de l'expérience de pensée de Schrödinger est l'histoire de Sheldon Cooper, le héros de la série Big Bang Theory, qu'il a récitée pour le voisin moins instruit de Penny. L'essence de l'histoire de Sheldon est que le concept de chat de Schrödinger peut être appliqué dans les relations entre les personnes. Afin de comprendre ce qui se passe entre un homme et une femme, quel genre de relation entre eux: bonne ou mauvaise, il suffit d'ouvrir la boîte. Avant cela, les relations sont à la fois bonnes et mauvaises.
Ci-dessous, une vidéo de ce dialogue sur la théorie du Big Bang entre Sheldon et Singing.
L'illustration de Schrödinger est le meilleur exemple pour décrire le principal paradoxe de la physique quantique: selon ses lois, des particules telles que les électrons, les photons et même les atomes existent dans deux états à la fois («vivant» et «mort», si vous vous souvenez du chat qui souffre depuis longtemps). Ces états sont appelés superpositions.
Le physicien américain Art Hobson de l'Université de l'Arkansas (Arkansas State University) a proposé sa propre solution à ce paradoxe.
«Les mesures en physique quantique sont basées sur le fonctionnement de certains dispositifs macroscopiques, comme le compteur Geiger, qui déterminent l'état quantique de systèmes microscopiques - atomes, photons et électrons. La théorie quantique implique que si vous connectez un système microscopique (particule) à un certain dispositif macroscopique qui distingue deux états différents du système, alors le dispositif (compteur Geiger, par exemple) entrera dans un état d'intrication quantique et sera également en deux superpositions simultanément. Cependant, il est impossible d'observer directement ce phénomène, ce qui le rend inacceptable », précise le physicien.
Hobson dit que dans le paradoxe de Schrödinger, le chat joue le rôle d'un instrument macroscopique, un compteur Geiger attaché à un noyau radioactif, pour déterminer l'état de désintégration ou «non-désintégration» de ce noyau. Dans ce cas, un chat vivant sera un indicateur de "non-décomposition", et un chat mort est un indicateur de décomposition. Mais selon la théorie quantique, le chat, comme le noyau, doit être dans deux superpositions de vie et de mort.
Au lieu de cela, selon le physicien, l'état quantique du chat doit être intriqué avec l'état de l'atome, ce qui signifie qu'ils sont en "connexion non locale" les uns avec les autres. Autrement dit, si l'état de l'un des objets enchevêtrés change soudainement à l'opposé, l'état de sa paire changera exactement de la même manière, quelle que soit la distance l'un de l'autre. Ce faisant, Hobson se réfère à la confirmation expérimentale de cette théorie quantique.
«La chose la plus intéressante dans la théorie de l'intrication quantique est que le changement d'état des deux particules se produit instantanément: aucun signal lumineux ou électromagnétique n'aurait le temps de transférer des informations d'un système à un autre. Ainsi, nous pouvons dire qu'il s'agit d'un objet, divisé en deux parties par l'espace, quelle que soit la distance qui les sépare », explique Hobson.
Le chat de Schrödinger n'est plus vivant et mort en même temps. Il est mort si la décomposition se produit, et vivant si la décomposition ne se produit jamais.
Nous ajoutons que des options similaires pour résoudre ce paradoxe ont été proposées par trois autres groupes de scientifiques au cours des trente dernières années, mais elles n'ont pas été prises au sérieux et sont restées inaperçues dans les grands cercles scientifiques. Hobson note que la résolution des paradoxes de la mécanique quantique, même théoriques, est absolument nécessaire pour sa compréhension approfondie.
Vous pouvez en savoir plus sur le travail du physicien dans son article, qui a été publié dans la revue Physical Review A.
Schrödinger.
Mais plus récemment, LA THÉORIQUE A EXPLIQUÉ COMMENT LA GRAVITÉ TUE LE CHAT DE SCHRODINGER, mais c'est déjà plus difficile …
En règle générale, les physiciens expliquent le phénomène selon lequel la superposition est possible dans le monde des particules, mais pas possible avec les chats ou d'autres macro-objets, interférence de l'environnement. Lorsqu'un objet quantique traverse un champ ou interagit avec des particules aléatoires, il n'assume immédiatement qu'un seul état - comme s'il était mesuré. C'est ainsi que la superposition est détruite, comme le croyaient les scientifiques.
Mais même si d'une certaine manière il devenait possible d'isoler un macro-objet en état de superposition des interactions avec d'autres particules et champs, il prendrait encore tôt ou tard un seul état. Au moins, cela est vrai pour les processus qui se produisent à la surface de la Terre.
«Quelque part dans l'espace interstellaire, peut-être qu'un chat aurait une chance de maintenir la cohérence quantique, mais sur Terre ou près de n'importe quelle planète, c'est extrêmement improbable. Et la raison en est la gravité », explique l'auteur principal de la nouvelle étude, Igor Pikovski du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.
Pikovsky et ses collègues de l'Université de Vienne soutiennent que la gravité a un effet destructeur sur les superpositions quantiques de macro-objets, et par conséquent nous n'observons pas de tels phénomènes dans le macrocosme. Le concept de base de la nouvelle hypothèse est d'ailleurs résumé dans le long métrage Interstellar.
La théorie générale de la relativité d'Einstein stipule qu'un objet extrêmement massif pliera l'espace-temps près de lui. Considérant la situation à un niveau plus fin, on peut dire que pour une molécule placée près de la surface de la Terre, le temps ira un peu plus lentement que pour celle sur l'orbite de notre planète.
En raison de l'influence de la gravité sur l'espace-temps, une molécule soumise à cette influence subira une déviation dans sa position. Et cela, à son tour, devrait affecter son énergie interne - les vibrations des particules dans une molécule, qui changent avec le temps. Si une molécule était introduite dans un état de superposition quantique de deux emplacements, alors la relation entre la position et l'énergie interne forcerait bientôt la molécule à "choisir" une seule des deux positions dans l'espace.
«Dans la plupart des cas, le phénomène de décohérence est associé à une influence externe, mais dans ce cas, la vibration interne des particules interagit avec le mouvement de la molécule elle-même», explique Pikovsky.
Cet effet n'a pas encore été observé, car d'autres sources de décohérence, telles que les champs magnétiques, le rayonnement thermique et les vibrations, sont généralement beaucoup plus fortes et provoquent la destruction des systèmes quantiques bien avant la gravité. Mais les expérimentateurs tentent de tester l'hypothèse énoncée.
Markus Arndt, physicien expérimental à l'Université de Vienne, mène des expériences pour observer la superposition quantique dans des objets macroscopiques. Il envoie de petites molécules dans l'interféromètre, donnant effectivement à la particule un «choix» de chemin à emprunter. Du point de vue de la mécanique classique, une molécule ne peut aller que dans un seul sens, mais une molécule quantique peut emprunter deux chemins à la fois, interférant avec elle-même et créant un motif ondulé caractéristique.
Une configuration similaire peut également être utilisée pour tester la capacité de la gravité à détruire les systèmes quantiques. Pour ce faire, il faudra comparer les interféromètres vertical et horizontal: dans le premier, la superposition devrait bientôt disparaître du fait de la dilatation du temps à différentes «hauteurs» du chemin, tandis que dans le second, la superposition quantique peut persister.