Interpretarea de la Copenhaga a funcției de undă în mecanica cuantică – Pisica lui Schrödinger

Pentru o particulă care călătorește, descrisă de Ψ(x,t) = Asin(kx − ωt), ce înseamnă „ondulatorie?” Pe baza discuției de mai sus, răspunsul este o funcție matematică care poate fi folosită, printre altele, pentru a determina unde este probabil să fie particula atunci când se efectuează o măsurătoare de poziție. În al doilea rând, cum este utilizată funcția de undă pentru a face predicții? Dacă este necesar să găsiți probabilitatea ca o particulă să fie găsită într-un anumit interval, ridicați la pătrat funcția de undă și integrați-o pe intervalul de interes. Veți afla în curând că funcția de undă poate fi folosită și pentru a face multe alte tipuri de predicții.

În al treilea rând, dacă o undă de materie este dată de funcția de undă Ψ(x,t), unde este exact particula? Există două răspunsuri: (1) când observatorul nu se uită (sau particula nu este detectată altfel), particula este peste tot (x = −∞, +∞); și (2) când observatorul se uită (particula este detectată), particula „sare” într-o anumită stare de poziție (x, x+dx) cu o probabilitate dată de P(x, x+dx) = |Ψ (x,t)|²dx — un proces numit reducerea stării sau colapsarea funcției de undă. Acest răspuns se numește interpretarea de la Copenhaga a funcției de undă sau a mecanicii cuantice.

Pentru a ilustra această interpretare, luăm în considerare cazul simplu al unei particule care poate ocupa un container mic fie la x1, fie la x2 (Figura 7.6). În fizica clasică, presupunem că particula este situată la x₁ sau la x₂, atunci când observatorul nu se uită. Cu toate acestea, în mecanica cuantică, particula poate exista într-o stare de poziție nedefinită – adică poate fi situată la x1 și la x2 atunci când observatorul nu privește. Presupunerea că o particulă poate avea o singură valoare de poziție (când observatorul nu privește) este abandonată. Comentarii similare pot fi făcute cu privire la alte cantități măsurabile, cum ar fi impulsul și energia.

Figura 7.6 Un sistem cu două stări de poziție al unei particule.

Consecințele bizare ale interpretării de la Copenhaga a mecanicii cuantice sunt ilustrate de un experiment de gândire creativă articulat pentru prima dată de Erwin Schrödinger (National Geographic, 2013) (Figura 7.7):

„O pisică este plasată într-o cutie de oțel împreună cu un contor Geiger, o fiolă cu otravă, un ciocan și o substanță radioactivă. Când substanța radioactivă se dezintegrează, contorul Geiger o detectează și declanșează ciocanul pentru a elibera otrava, care ulterior ucide pisica. Dezintegrarea radioactivă este un proces [probabilistic] aleatoriu și nu există nicio modalitate de a prezice când se va întâmpla. Fizicienii spun că atomul există într-o stare cunoscută sub denumirea de suprapunere – atât degradată, cât și nedegradată, în același timp. Înainte de deschiderea cutiei, un observator nu știe dacă pisica este vie sau moartă – pentru că soarta pisicii este legată intrinsec de faptul că atomul s-a degradat sau nu, iar pisica ar fi [conform interpretării de la Copenhaga] „vie și moartă… în părți egale” până când este observată.”

Figura 7.7 Pisica lui Schrödinger.

Schrödinger a luat implicațiile absurde ale acestui experiment de gândire (o pisică simultan moartă și vie) ca un argument împotriva interpretării de la Copenhaga. Cu toate acestea, această interpretare rămâne punctul de vedere cel mai des predat despre mecanica cuantică.

Sistemele cu două stări (stânga și dreapta, atomul se descompune și nu se descompune și așa mai departe) sunt adesea folosite pentru a ilustra principiile mecanicii cuantice. Aceste sisteme găsesc multe aplicații în natură, inclusiv spinul electronilor și stările mixte de particule, atomi și chiar molecule. Sistemele cu două stări își găsesc aplicații și în computerul cuantic, așa cum s-a menționat în introducerea acestui capitol. Spre deosebire de un computer digital, care codifică informația în cifre binare (zero și unu), un computer cuantic stochează și manipulează datele sub formă de biți cuantici sau qubiți. În general, un qubit nu este într-o stare de zero sau unu, ci mai degrabă într-o stare mixtă de zero și unu. Dacă un număr mare de qubiți sunt plasați în aceeași stare cuantică, măsurarea unui qubit individual ar produce un zero cu o probabilitate p și unu cu o probabilitate q = 1 − p. Mulți oameni de știință cred că computerele cuantice reprezintă viitorul industriei computerelor.

Sursa: University Physics (OpenStax), acces gratuit sub licență CC BY 4.0. Traducere de Nicolae Sfetcu. © 2024 MultiMedia Publishing, Fizica, Vol. 1-3