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Le paradoxe du chat de Schrödinger: qui a tué le chat?

Le paradoxe du chat de Schrödinger: qui a tué le chat?


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Il existe une citation célèbre, souvent attribuée à Richard Feynman, qui déclare que "si vous pensez comprendre la mécanique quantique, vous n'avez pas compris la mécanique quantique". C'est aussi vrai aujourd'hui qu'il y a près de 50 ans et est magnifiquement illustré par le Cat Paradox de Schrödinger.

Malgré les incroyables progrès technologiques qui ont été réalisés à partir de notre `` compréhension '' apparente du sujet, comme les lasers et les téléphones portables, etc., nous ne sommes toujours pas près de le comprendre vraiment.

Nous avons évolué pour voir le monde à travers le prisme de la certitude, les choses ont une place et les causes ont des effets. C'était l'un des préceptes de base de la physique newtonienne classique, mais cela semble s'effondrer complètement dans le monde quantique.

Le développement de la mécanique quantique a littéralement placé une grenade sous les vieilles idées de la physique. Il semble que la matière puisse être à deux endroits à la fois, peut apparaître de nulle part et elle peut interagir et apparaître / disparaître instantanément sur de grandes distances sans aucune raison - effrayant!

Beaucoup de grands esprits du monde ont été chargés de résoudre cette énigme avec diverses interprétations postulées. Le plus important d'entre eux est l'Interprétation de Copenhague.

C'est cette version que nous pouvons remercier pour l'expérience de pensée désormais immortalisée du Cat Paradox de Schrödinger.

Qu'est-ce que le paradoxe du chat de Schrödinger?

Pour tenter d'expliquer correctement le principe, Schrödinger a utilisé une analogie pour exposer la nature ridicule de l'Interprétation de Copenhague. Erwin a demandé à des tiers d'imaginer un chat, du poison dans un flacon, un compteur Geiger, du matériel radioactif et un marteau à gâchette scellés dans une boîte ou un récipient en acier opaque.

La matière radioactive était minuscule mais suffisante pour avoir une chance de 50/50 d'être détectée par le compteur Gieger. Si cela arrivait, le marteau tomberait et briserait le contenant de poison - tuant le malheureux félin.

Comme le système était scellé et ne pouvait pas être vu de l'extérieur, l'état actuel du système de contre-marteau-poison de matériau radioactif pour chat Geiger était inconnu. Quand, et seulement quand, le conteneur scellé était ouvert, un observateur connaîtrait la vraie nature du système.

C'était en effet une manière de visualiser l'effondrement du système dans l'une des deux configurations possibles. Jusque-là, le chat existerait dans un état limbo entre la vie et la mort.

Donc, si on vous demande qui a tué le chat, c'est vous (si vous avez ouvert la boîte).

L'interprétation de Copenhague était fondamentalement défectueuse selon Schrödinger

La mécanique quantique est probablement la théorie scientifique la plus aboutie de tous les temps. Elle a permis aux physiciens, chimistes et autres scientifiques d'ouvrir de nouveaux domaines de recherche et de créer des technologies nouvelles et avancées grâce à la compréhension qu'elle apporte sur le comportement des atomes.

Mais, comme une grande épée cérébrale à double tranchant, elle a également créé de nombreux défis pour notre compréhension du monde et de l'univers qui nous entourent. Bon nombre des idées et des résultats qu'il fournit semblaient violer les lois fondamentales de la physique qui étaient valables depuis des siècles.

Les interprétations métaphysiques de la mécanique quantique sont conçues pour essayer d'expliquer, et plus important encore, de rendre compte de ces violations apparentes.

L’interprétation de Copenhague a été l’une des premières tentatives pour se familiariser avec le monde quantique. Il a été fondé par le physicien danois Niels Bohr, Werner Heisenberg, Max Born et d'autres physiciens atomiques notables de l'époque.

Fait intéressant, Heisenberg et Bohr étaient souvent en désaccord sur la façon d'interpréter la formalisation mathématique de la mécanique quantique. Bohr est même allé jusqu'à se distancier des «interprétations subjectives» de Heisenberg telles qu'il les voyait.

De plus, le terme même «interprétation de Copenhague» n'a jamais été utilisé par le groupe de physiciens. Il a été inventé pour agir comme une étiquette par des pairs qui n'étaient pas d'accord avec l'idée de complémentarité de Bohr et pour classer ce qu'ils considéraient comme les caractéristiques communes de l'interprétation de Bohr-Heisenberg dans les années 1920.

Aujourd'hui, «l'Interprétation de Copenhague» est utilisée comme synonyme d'indéterminisme, le principe de correspondance de Bohr, l'interprétation statistique de Born de la fonction d'onde et l'interprétation de complémentarité de Bohr de certains phénomènes atomiques.

Le terme a généralement commencé à apparaître lorsque des approches alternatives ont commencé à apparaître. L'approche des variables cachées de David Bohm et l'Interprétation de High Everetts Many World sont des exemples de premier ordre qui ont émergé pour contester le monopole créé par «l'Interprétation de Copenhague».

Il semble également que le terme «interprétation de Copenhague» ait d'abord été attribué à Werner Heisenberg à partir de sa série de conférences dans les années 1950 s'opposant aux nouvelles interprétations «parvenues». Les cours ont présenté la phrase également apparue dans Heisenberg 1958 recueil d'essais,Physique et philosophie.

Qui était Erwin Schrödinger?

Erwin Schrödinger était un physicien lauréat du prix Nobel né à Vienne en Août 1887. Erwin est surtout connu pour ses travaux dans le domaine de la physique quantique, en particulier la théorie quantique.

Après le service militaire pendant la Première Guerre mondiale, il a fréquenté l'Université de Zurich en 1921. Il y resta six ans.

Dans 1926, sur une période de six mois et à l'âge de 39 ans, il a produit une série d'articles qui ont jeté les bases de la mécanique des ondes quantiques. Dans ces travaux fondateurs, il a décrit son équation différentielle partielle.

Cette équation est l'équation de base de la mécanique quantique et est aussi importante pour la mécanique de l'atome que les équations de Newton le sont pour l'astronomie planétaire.

Son œuvre la plus célèbre était son 1935 expérience de pensée, The Schrödinger Cat Paradox, qui tentait d'expliquer l'interprétation courante erronée de la superposition quantique.

À cette époque, l'interprétation de Copenhague déclarait qu'un objet dans un système physique peut exister dans toutes les configurations possibles à tout moment. Cependant, une fois que le système a été observé, cet état s'est effondré, forçant l'objet observé à se «fixer» instantanément dans l'une des nombreuses combinaisons.

Schrödinger était fondamentalement en désaccord avec cette interprétation et s'est mis à remettre les choses au clair.

Il a reçu le prix Nobel de physique en 1933.

Le chat de Schrödinger est-il mort ou vivant?

"Si vous mettez le chat dans la boîte, et s'il n'y a aucun moyen de dire ce qu'il fait, vous devez le traiter comme s'il faisait toutes les choses possibles - être vivant et mort - en même temps", a déclaré Eric Martell, professeur agrégé de physique et d'astronomie à l'Université Millikin au National Geographic.

Comme cela est, bien sûr, complètement ridicule, les grands objets ne peuvent jamais être dans un seul état - par conséquent, la superposition quantique ne semble pas s'appliquer aux grands objets comme les chats. Les organismes vivants, après tout, ne peuvent être que vivants ou morts, pas simultanément les deux - d'où le paradoxe.

«Si vous essayez de faire des prédictions et que vous supposez que vous connaissez le statut du chat, vous allez [probablement] vous tromper. Si, d'un autre côté, vous supposez que c'est dans une combinaison de tous les états possibles qu'il peut être, vous aurez raison. " élargit Eric.

Grâce à cette expérience de pensée, Erwin a montré avec succès que l'interprétation de Copenhague doit être intrinsèquement imparfaite.

Mais cela n'a pas résolu le problème. Même aujourd'hui, certains utilisent encore le paradoxe de Schrödinger pour soutenir la prémisse derrière l'expérience. Ceci est complètement contraire à son intention initiale.

Depuis lors, la physique quantique moderne a montré que la superposition quantique existe dans des particules subatomiques comme les électrons, elle ne peut pas être appliquée à des objets plus grands.

Oubliez le chat de Schrödinger, il y a un nouveau chaton en ville

De retour 1996, des scientifiques de l'Institut national des normes et de la technologie de Boulder, au Colorado, ont pu créer "Schrödinger's Kitten". Il a été rapporté dans un volume de Science.

Ils ont pu exciter un atome dans un état de superposition d'états quantiques. Il était alors possible de séparer ces deux états de sorte que l'atome apparaisse à deux endroits physiques distincts à la fois.

En 2013, une autre équipe a pu réaliser un tour similaire, sauf cette fois avec des photons. Ils ont connecté des centaines de millions de photons par le biais du phénomène d'intrication.

L'équipe a utilisé un miroir semi-transparent pour placer un seul photon dans un mélange de deux états quantiques. Un état pour les photons qui passaient à travers le miroir et un autre pour ceux qui étaient réfléchis - ceux-ci étaient alors intriqués.

Ensuite, des lasers ont été utilisés pour amplifier l'un des états afin de l'étaler sur des centaines de millions de photons. Cela a ensuite été restauré à son état d'origine à un photon et des mesures ont été prises tout au long de la confirmation que l'intrication s'était maintenue pendant toute l'expérience.

Les chercheurs disent que cela représente le premier enchevêtrement entre un objet microscopique et macroscopique.

Ces expériences sont une tentative de trouver la coupure, si elle existe, entre les échelles micro et macro d'un objet et, à ce titre, de trouver les limites du domaine quantique.

«Y a-t-il une frontière entre micro et macro, ou la mécanique quantique s'applique-t-elle à toutes les échelles?» a demandé Alexander Lvovsky de l'Université de Calgary en Alberta, au Canada, et du Russian Quantum Center à Moscou dans un article du New Scientist de 2013.

D'autres expériences antérieures ont également tenté de trouver la frontière, mais de l'autre côté de l'échelle. Un utilisé deux diamants de 3 millimètres ont été emmêlés.

Un autre avait un tambour de la taille d'un grain de sable qui obéissait au principe d'incertitude, qui dit que vous ne pouvez pas déterminer simultanément la position exacte et l'élan d'une particule quantique.

Quelle a été la découverte de Schrödinger?

Avant les travaux de Schrödinger, la deuxième loi de Newton (F = ma) a été utilisé pour faire des prédictions sur le chemin qu'un système physique suivrait au fil du temps (étant donné un ensemble de conditions initiales).

En résolvant cette équation, vous obtenez la position et l'élan d'un système physique en fonction d'une force externe - F. Il ne s'agit cependant que d'un seul instantané dans le temps. Peu de choses changeraient pendant quelques centaines d'années jusqu'à ce que le grand Max Planck quantifie la lumière.

Einstein s'appuierait sur cela pour montrer la relation entre l'énergie et le photon. Il a également proposé l'idée que l'énergie du photon devrait être proportionnelle à sa fréquence.

Louis de Broglie a poussé plus loin le principe et postulé que la matière, et pas seulement la lumière, souffrait également de ce qu'on appelle la dualité onde-particule. Il a pu montrer que, tant qu'ils se propagent avec leurs homologues de particules, les électrons forment des ondes stationnaires.

Cela signifiait que seules des fréquences de rotation discrètes pouvaient être possibles en mouvement autour du noyau d'un atome avec des orbites quantifiées correspondant à des niveaux d'énergie discrets.

Le physicien Peter Deybe inspirera plus tard Schrödinger en faisant un commentaire désinvolte que si les particules se comportaient comme des ondes, elles devraient correspondre à une forme d'équation d'onde. Cela a été fait en 1925 au cours d'une des conférences d'Erwin Schrödinger sur la théorie des ondes de matière de de Broglie.

Avec moquerie, il a déclaré que la théorie était "enfantine" parce que "pour gérer correctement les vagues, il faut avoir une équation des vagues".

Quelle est l'équation de Schrödinger?

Dans les articles révolutionnaires de Schrödinger sur la forme d'onde quantique 1926, il a introduit l'équation la plus fondamentale de la science physique subatomique, alias la mécanique quantique. Il a depuis été immortalisé sous le nom d'équation de Schrödinger.

Cette équation est essentiellement une équation différentielle partielle linéaire, qui décrit l'évolution temporelle de l'équation d'onde ou de la fonction d'état du système. Il. par conséquent, décrit la forme des ondes, ou fonctions d'ondes, qui déterminent le mouvement des petites particules.

Une fonction d'onde est un composant fondamental de la mécanique quantique qui définit un système à chaque position spatiale et à chaque instant.

Il tente également de spécifier comment ces ondes sont influencées et modifiées par des forces ou influences extérieures. Cette équation décrit également les changements au fil du temps d'un système physique dans lequel les effets quantiques, comme la dualité onde-particule, sont une composante majeure.

L'équation a été établie comme correcte en l'appliquant à l'atome d'hydrogène.

Il est donné par: -

Où;

i est le nombre imaginaire unitaire,

ℏ est la constante de Planck,

Ψ est la fonction d'onde (ou vecteur d'état) et,

H est l'opérateur hamiltonien.

L'équation de Schrödinger peut également être dérivée de la conservation de l'énergie: -

Pourquoi utilisons-nous l'équation de Schrödinger?

L'équation de Shrodinger est l'équation centrale de la mécanique quantique non relativiste. Il quantifie également la dynamique des particules fondamentales du soi-disant modèle standard (à condition qu'elles aient des vitesses inférieures à la lumière et qu'elles ne soient pas significativement affectées par la gravité).

Il trouve des applications dans la grande majorité des situations microscopiques qui préoccupent actuellement les physiciens.

Il a d'autres applications étendues de la théorie quantique des champs qui combine la relativité restreinte avec la mécanique quantique.

D'autres théories importantes comme la gravitation quantique et la théorie des cordes ne modifient pas non plus l'équation de Schrödinger.

Le développement et la publication de cette équation, et ses solutions, ont été une véritable percée dans la réflexion sur la science de la physique. C'était le premier du genre avec ses solutions conduisant à des conséquences très inattendues et surprenantes à l'époque.

Les connaissances que cette équation a découvertes nous ont permis de construire des appareils électriques et des ordinateurs.

Étant la pierre angulaire de la physique quantique moderne qui est la théorie microscopique de la matière, l'équation de Schrödinger apparaît sous une forme ou une autre dans la plupart des problèmes de physique contemporains d'aujourd'hui.

Qu'est-ce que la fonction d'onde de Schrödinger?

Le célèbre paradoxe du chat de Schrödinger est utilisé pour illustrer un point de la mécanique quantique sur la nature des particules d'onde.

«Ce que nous avons découvert à la fin des années 1800 et au début des années 1900, c'est que de très petites choses n'obéissaient pas aux lois de Newton», déclare Martell. "Ainsi, les règles que nous avons utilisées pour régir le mouvement d'une balle, d'une personne ou d'une voiture ne pouvaient pas être utilisées pour expliquer le fonctionnement d'un électron ou d'un atome."

Cela se résume à un principe appelé fonction d'onde. Ceci est au cœur même de la théorie quantique et est utilisé pour décrire les particules subatomiques (électrons, protons, etc.).

La fonction d'onde est utilisée pour décrire tous les états possibles de ces particules, y compris des choses comme l'énergie, la quantité de mouvement et la position. C'est donc une combinaison de toutes les fonctions d'onde possibles des particules qui existent.

"Une fonction d'onde pour une particule indique qu'il y a une certaine probabilité qu'elle puisse être dans n'importe quelle position autorisée. Mais vous ne pouvez pas nécessairement dire que vous savez qu'elle est dans une position particulière sans l'observer. Si vous placez un électron autour du noyau, il peut avoir l'un des états ou positions autorisés, à moins que nous ne l'examinions et ne sachions où il se trouve. " explique Martell.

C'est exactement ce qu'Erwin essayait d'illustrer par son paradoxe. Bien qu'il soit vrai que, dans tout système physique non observé, vous ne pouvez pas garantir ce que fait quelque chose, vous pouvez dire que cela se situe entre certaines variables même si certaines d'entre elles sont hautement improbables.

Grâce au chat de Schrödinger, la téléportation pourrait être proche

L'Université Purdue et l'Université Tsinghua travaillent actuellement à faire de la téléportation une réalité. Longtemps la science-fiction, s'ils réussissent, les trajets quotidiens pourraient appartenir au passé.

Les chercheurs de ces institutions tentent actuellement de téléporter des micro-organismes sur la base des principes énoncés dans la célèbre expérience de pensée de Schrödinger.

Ils travaillent sur une méthode de placement des organismes sujets sur une membrane d'oscillateur électromécanique. Cela refroidira alors à la fois l'appareil et les micro-organismes dans un état cryogénique.

En faisant cela, il sera mis dans un état de superposition ouvrant la possibilité théorique de téléportation quantique. Une fois sur place, un circuit supraconducteur doit permettre le transport de la rotation interne des objets vers un autre organisme cible.

L'appareil comprendra également un microscope à force de résonance magnétique (MFRM) pour détecter le spin interne de l'organisme et le modifier activement. En cas de succès et qu'ils peuvent mettre le mycoplasme dans un état de superposition et modifier son état, les bases de la future téléportation auront été établies.

Une autre expérience antérieure a déjà établi que la membrane de l'oscillateur peut être mise en état de superposition. Dans 2015 une expérience menée à l'Université des sciences et technologies de Chine a permis de démontrer des photons ayant plusieurs degrés de liberté quantique.

Bien que cette étude n'ait pas été en mesure de téléporter un organisme, téléporter la «mémoire» d'un endroit à un autre est un grand pas en avant pour une téléportation potentielle à plus grande échelle, comme les humains.

Le monde quantique mystifie encore les physiciens aujourd'hui

À ce jour, plusieurs interprétations ont été postulées par certains des plus grands esprits de la planète. Chacun essayant d'unifier le monde quantique et macro qui nous entoure.

33 physiciens et philosophes ont été invités à nommer leurs favoris parmi eux. Dans 2011, lors d'une conférence en Autriche sur «la physique quantique et la nature de la réalité», ils ont voté. Voici les résultats (avec l'aimable autorisation de NewScientist).

Notez que ceux-ci sont dans l'ordre inverse et que le pourcentage total dépasse 100% (105% - ils pourraient voter plusieurs fois) - comme il convient.

Dernière place: L'interprétation de Broglie-Bohm

Votes: 0

Pourcentage: 0%

Avec un total de zéro voix, l'interprétation de de Broglie et Bohm est sérieusement tombée en disgrâce ces dernières années. Même Einstein l'aimait à l'époque, mais son soutien a diminué avec le temps.

5e place commune: bayésianisme quantique

Votes: 2

Pour cent: 6%

Le bayésianisme quantique affirme que l'incertitude quantique est juste dans notre esprit. Une bonne analogie est qu'une probabilité de 50% de pluie se transforme instantanément en 100% de pluie ou non lorsque vous ouvrez les rideaux.

En d'autres termes, nous sommes imparfaits, pas le monde quantique.

5e place conjointe: mécanique quantique relationnelle

Votes: 2

Pour cent: 6%

L'idée originale de Carlo Rovelli, Relational Quantum Mechanics s'appuie sur le travail de la relativité d'Einstein. Variante de l'idée d'étrangeté quantique, elle postule que vous ne pouvez jamais être en possession de tous les faits.

Aucun observateur ne peut donc savoir tout ce qui se passe et fait en fait partie de toute mesure effectuée.

4e place: réduction de l'objectif

Votes: 3

Pour cent: 9%

L'effondrement objectif postule que la nature quantique d'un objet change spontanément, tout le temps. Plus il y a de choses, plus cela se produit rapidement - un peu comme la désintégration radioactive.

Cela pourrait même expliquer l'énergie noire, le temps et pourquoi nous avons une masse, si c'est vrai.

3e place: plusieurs mondes

Votes: 6

Pourcentage: 18%

À la troisième place vient l'interprétation de Many Worlds. L'idée est que lorsque quelque chose est observé, cela divise la réalité en autant de mondes parallèles possibles qu'il y a d'options.

Initialement proposé dans les années 1950 et a eu un peu de renouveau ces derniers temps avec la théorie du multivers.

2e place: L'interprétation de l'information

Votes: 8

Pour cent: 24%

L'idée derrière l'interprétation de l'information est que la «monnaie» de base de la réalité est l'information, pas les choses. Lorsqu'un objet quantique est observé, certaines informations sont extraites, le faisant se fixer dans un état.

Gagnant: L'interprétation de Copenhague

Votes: 14

Pour cent: 42%

Oui, nous le savons, mais c'est toujours l'une des interprétations les plus dominantes pour traiter l'étrangeté quantique. Appelée familièrement l'option «tais-toi et calcule», elle suggère en fait que le monde quantique est effectivement inconnaissable.

Fondamentalement, lorsque vous observez un état quantique, vous le forcez à «s'effondrer» dans un état ou un autre. Pour les critiques, comme Schrödinger, ce n'est pas du tout une explication.

Autres ressources intéressantes sur le chat de Schrödinger

Qu'est ce que la vie? avec l'esprit et la matière et des croquis autobiographiques -Erwin Schrödinger

À la recherche du chat de Schrödinger -John Gribbin

Trilogie des chats de Schrödinger -Dana Reynolds


Voir la vidéo: Chat de Schrödinger, Physique quantique, relativité générale, Conscience (Juillet 2022).


Commentaires:

  1. Kral

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