Τι μπορεί να μας διδάξει η Γάτα του Σρέντινγκερ για την Κβαντική Μηχανική; - Τζος Σαμάνι

Δείτε ολόκληρο το μάθημα: http://ed.ted.com/lessons/what-can-schrodinger-s-cat-teach-us-about-quantum-mechanics-josh-samani

Η Κλασική Φυσική που συναντάμε στον καθημερινό μας μακροσκοπικό κόσμο είναι πολύ διαφορετική από την Κβαντική Φυσική που διέπει συστήματα πολύ μικρότερης κλίμακας (όπως τα άτομα). Ένα σπουδαίο παράδειγμα της παραδοξότητας της Κβαντικής Φυσικής μπορεί να παρουσιαστεί στο πείραμα σκέψης, η Γάτα του Σρέντινγκερ. Ο Τζος Σαμάνι μας καθοδηγεί στα στάδια αυτού του πειράματος στην κβαντική διεμπλοκή.

Μάθημα από τον Τζος Σαμάνι, ψηφιακή απεικόνιση από τον Νταν Πίντο.

Ας υποθέσουμε ότι ρίχνουμε
μια μπάλα ευθεία στον αέρα.

Μπορείτε να προβλέψετε την κίνησή της
αφότου φύγει από το χέρι σας;

Σίγουρα, είναι εύκολο.

Η μπάλα θα ανεβαίνει μέχρι
να φτάσει στο υψηλότερο σημείο,

μετά θα κατέβει και θα προσγειωθεί
ξανά στο χέρι σας.

Σίγουρα, αυτό είναι που γίνεται

και το ξέρετε αυτό επειδή έχετε δει
ανάλογα συμβάντα πολλές φορές.

Παρατηρείτε τη φυσική των καθημερινών
φαινομένων όλη σας τη ζωή.

Αλλά υποθέστε ότι εξερευνούμε
ένα ζήτημα για τη φυσική των ατόμων

όπως το πώς είναι
η κίνηση ενός ηλεκτρονίου

γύρω από τον πυρήνα ενός ατόμου υδρογόνου.

Θα μπορούσαμε να απαντήσουμε αυτή
την ερώτηση με βάση την καθημερινή φυσική;

Σίγουρα όχι. Γιατί;

Επειδή η φυσική που διέπει τη συμπεριφορά
των συστημάτων σε τόσο μικρές κλίμακες

είναι πολύ διαφορετική από τη φυσική
των μακροσκοπικών αντικειμένων

που βλέπετε γύρω σας συνέχεια.

Ο καθημερινός κόσμος
που ξέρετε και αγαπάτε

συμπεριφέρεται σύμφωνα
με τους νόμους της Κλασικής Μηχανικής.

Όμως τα συστήματα στην κλίμακα των ατόμων

συμπεριφέρονται σύμφωνα
με τους νόμους της Κβαντικής Μηχανικής.

Αυτός ο κβαντικός κόσμος τελικά
είναι ένα πολύ παράξενο μέρος.

Μια παρουσίαση της κβαντικής παραδοξότητας
δίνεται από ένα διάσημο πείραμα σκέψης:

Η Γάτα του Σρέντινγκερ.

Ένας φυσικός που δεν αγαπάει ιδιαίτερα
τις γάτες, βάζει μία σε ένα κουτί,

μαζί με μια βόμβα που έχει 50% πιθανότητα
να εκραγεί με το κλείσιμο του καπακιού.

Μέχρι να ανοίξουμε ξανά το καπάκι,
δεν μπορούμε να γνωρίζουμε

αν η βόμβα εξερράγη ή όχι,

και έτσι δεν μπορούμε να ξέρουμε
αν η γάτα είναι ζωντανή ή νεκρή.

Στην Κβαντική Φυσική θα λέγαμε
ότι πριν από την παρατήρησή μας

η γάτα ήταν σε κατάσταση υπέρθεσης.

Δεν ήταν ούτε ζωντανή ούτε νεκρή
αλλά ένα μείγμα των δύο πιθανοτήτων,

με 50% πιθανότητα για το καθένα.

Το ίδιο πράγμα συμβαίνει στα φυσικά
συστήματα σε κβαντικές κλίμακες,

όπως ένα ηλεκτρόνιο περιστρέφεται
γύρω από άτομο υδρογόνου.

Το ηλεκτρόνιο δε διαγράφει τροχιά καθόλου.

Είναι σχεδόν παντού στον χώρο
την ίδια στιγμή.

Σε κάποια μέρη η πιθανότητα να βρεθεί
είναι μεγαλύτερη σε σχέση με άλλα

και μόνο αφότου μετρήσουμε τη θέση του

μπορούμε να εντοπίσουμε
πού είναι εκείνη τη στιγμή.

Όπως ακριβώς δε γνωρίζουμε
αν η γάτα ήταν ζωντανή ή νεκρή

μέχρι να ανοίξουμε το κουτί.

Αυτό μας φέρνει στο παράξενο
και όμορφο φαινόμενο

της κβαντικής διεμπλοκής.

Αν αντί για μία γάτα σε ένα κουτί, έχουμε
δύο γάτες σε δύο διαφορετικά κουτιά

και επαναλάβουμε το πείραμα της Γάτας
του Σρέντινγκερ με το ζευγάρι γατών,

τότε το αποτέλεσμα του πειράματος
έχει τέσσερις πιθανές απαντήσεις.

Είτε και οι δύο γάτες θα είναι ζωντανές,
ή και οι δύο νεκρές,

ή μία θα είναι ζωντανή και η άλλη νεκρή
και αντιστρόφως.

Το σύστημα και των δύο γατών
είναι ξανά σε κατάσταση υπέρθεσης,

με κάθε αποτέλεσμα να έχει
25% πιθανότητα αντί για 50%.

Το ενδιαφέρον ποιο είναι:

η Κβαντική Μηχανική λέει
ότι είναι δυνατό να σβήσεις

τα αποτελέσματα με τις δύο γάτες νεκρές
ή ζωντανές από την κατάσταση υπέρθεσης.

Με άλλα λόγια, μπορεί να υπάρξει
ένα σύστημα δύο γατών,

τέτοιο ώστε το αποτέλεσμα να είναι πάντα
μία γάτα ζωντανή και η άλλη νεκρή.

Ο τεχνικός όρος γι' αυτό

είναι ότι οι καταστάσεις
των δύο γατών περιπλέκονται.

Αλλά υπάρχει κάτι πολύ εντυπωσιακό
για την κβαντική διεμπλοκή.

Αν ετοιμάσεις το σύστημα των δύο γατών σε
κουτιά σε αυτήν την κατάσταση διεμπλοκής

και μετακινήσεις τα κουτιά
στα δύο άκρα του Σύμπαντος,

το αποτέλεσμα του πειράματος
θα εξακολουθήσει να είναι το ίδιο.

Η μία γάτα θα βγαίνει πάντα ζωντανή
και η άλλη γάτα θα καταλήγει νεκρή,

ακόμη και αν το ποια συγκεκριμένη γάτα
ζει ή πεθαίνει είναι εντελώς απροσδιόριστο

πριν μετρήσουμε το αποτέλεσμα.

Πώς είναι αυτό δυνατό;

Πώς γίνεται οι καταστάσεις των γατών
στις αντίθετες πλευρές του σύμπαντος

να είναι διεμπλεκόμενες
με αυτόν τον τρόπο;

Είναι πολύ μακριά
για να επικοινωνήσουν στον χρόνο

οπότε πώς οι δύο βόμβες
πάντα συνωμοτούν έτσι ώστε

η μία να εκρήγνυται
και η άλλη να μην εκρήγνυται;

Μπορεί να σκέφτεστε:

«Αυτό είναι μόνο θεωρητικές αρλούμπες.

Δεν μπορεί να συμβαίνει
στον πραγματικό κόσμο».

Αλλά φαίνεται ότι η κβαντική διεμπλοκή

έχει επιβεβαιωθεί στα εργαστηριακά
πειράματα του πραγματικού κόσμου.

Δύο υποατομικά σωματίδια διεμπλεκόμενα
σε μια κατάσταση υπέρθεσης,

όπου αν ένα στρέφεται σε μία διεύθυνση
τότε το άλλο πρέπει να στρέφεται αντίθετα,

θα κάνουν ακριβώς αυτό,
ακόμα και όταν δεν υπάρχει τρόπος

η πληροφορία να περάσει
από το ένα σωματίδιο στο άλλο

δείχνοντας σε ποιο δρόμο να στραφεί για
να υπακούσει στους νόμους της διεμπλοκής.

Δεν είναι λοιπόν περίεργο

που η διεμπλοκή είναι ο πυρήνας
της κβαντικής πληροφοριακής επιστήμης,

ένα αναπτυσσόμενο πεδίο που μελετά πώς
να χρησιμοποιείς τους νόμους των κβάντων

στον μακροσκοπικό μας κόσμο,

όπως στην κβαντική κρυπτογραφία, ώστε
οι κατάσκοποι να στέλνουν ασφαλή μηνύματα,

ή στην κβαντική υπολογιστική,
για το σπάσιμο μυστικών κωδικών.

Η καθημερινή φυσική μπορεί να αρχίζει να
μοιάζει σαν τον παράξενο κβαντικό κόσμο.

Η κβαντική τηλεμεταφορά μπορεί ακόμη
και να έχει προοδεύσει τόσο πολύ

ώστε μια μέρα η γάτα σας να αποδράσει
για έναν πιο ασφαλή γαλαξία,

όπου δε θα υπάρχουν φυσικοί και κουτιά.