Η γάτα του Σρέντιγκερ: Ένα νοητικό πείραμα στην κβαντική μηχανική - Τσαντ Όρζελ

Δείτε το πλήρες μάθημα: http://ed.ted.com/lessons/schrodinger-s-cat-a-thought-experiment-in-quantum-mechanics-chad-orzel

Ο Αυστριακός φυσικός Έρβιν Σρέντιγκερ, ένας από τους θεμελιωτές της κβαντικής μηχανικής, θέτει αυτό το περίφημο ερώτημα: Αν βάλετε μια γάτα σε ένα σφραγισμένο κουτί με μια συσκευή που έχει μια πιθανότητα 50% για τη δολοφονία της γάτας στην επόμενη ώρα, ποια θα είναι η κατάσταση της γάτας, όταν περάσει ο χρόνος; Ο Τσαντ Όρζελ ερευνά αυτό το νοητικό πείραμα.

Μάθημα από τον Τσαντ Όρζελ, κινούμενη απεικόνιση από την Αγκότα Βέγκσο.

Ο Αυστριακός φυσικός Έρβιν Σρέντιγκερ

είναι ένας από τους θεμελιωτές
της κβαντικής μηχανικής,

αλλά είναι περισσότερο γνωστός
για κάτι που τελικά δεν έκανε ποτέ:

Ένα νοητικό πείραμα με μια γάτα.

Φαντάστηκε ότι παίρνει μια γάτα
και τη βάζει σε ένα σφραγισμένο κουτί

με μια συσκευή που έχει 50% πιθανότητες
να σκοτώσει τη γάτα μέσα στην επόμενη ώρα.

Στο τέλος της ώρας, ρώτησε:
«Ποια είναι η κατάσταση της γάτας;»

Η κοινή λογική λέει ότι η γάτα
είναι είτε ζωντανή είτε νεκρή,

αλλά ο Σρέντιγκερ επισήμανε ότι
σύμφωνα με την κβαντική φυσική,

τη στιγμή πριν ανοίξει το κουτί,
η γάτα είναι εξίσου ζωντανή και νεκρή,

ταυτόχρονα.

Μόνο όταν ανοίξει το κουτί βλέπουμε
μια μοναδική οριστική κατάσταση.

Μέχρι τότε, η γάτα είναι
μια θαμπάδα πιθανοτήτων,

μισό από το ένα πράγμα
και μισό από το άλλο.

Φαίνεται παράλογο,
που ήταν και το θέμα του Σρέντιγκερ.

Έβρισκε την κβαντική μηχανική
τόσο φιλοσοφικά ενοχλητική,

που παράτησε τη θεωρία
που βοήθησε να δημιουργηθεί

και στράφηκε στο γράψιμο για τη βιολογία.

Όμως, όσο παράλογο κι αν φαίνεται,
η γάτα του Σρέντιγκερ είναι πολύ αληθινή.

Στην πραγματικότητα, είναι ουσιώδης.

Αν τα κβαντικά αντικείμενα δεν μπορούσαν
να είναι ταυτόχρονα σε δύο καταστάσεις,

ο υπολογιστής που χρησιμοποιείτε
για να παρακολουθήσετε αυτό δεν θα υπήρχε.

Το κβαντικό φαινόμενο της επαλληλίας

είναι ένα αποτέλεσμα του δυαδικού μορίου
και της κυματικής φύσης των πάντων.

Για να έχει ένα αντικείμενο μήκος κύματος,

πρέπει να εκτείνεται
σε κάποια περιοχή του χώρου,

που σημαίνει ότι καταλαμβάνει
πολλές θέσεις ταυτόχρονα.

Το μήκος κύματος ενός αντικειμένου
που περιορίζεται σε έναν μικρό χώρο

δεν μπορεί να προσδιοριστεί τέλεια.

Έτσι, υπάρχει σε πολλά διαφορετικά
μήκη κύματος ταυτόχρονα.

Δεν βλέπουμε αυτές τις ιδιότητες
των κυμάτων σε καθημερινά αντικείμενα

επειδή το μήκος κύματος μειώνεται
καθώς αυξάνεται η ορμή.

Και η γάτα είναι σχετικά μεγάλη και βαριά.

Αν παίρναμε ένα άτομο και το μεγεθύναμε
στο μέγεθος του ηλιακού μας συστήματος,

το μήκος κύματος μιας γάτας
που τρέχει από έναν φυσικό

θα ήταν τόσο μικρό όσο ένα άτομο
μέσα σε αυτό το ηλιακό σύστημα.

Παραείναι μικρό για να εντοπιστεί,

έτσι δεν θα δούμε ποτέ
τη συμπεριφορά του κύματος από μια γάτα.

Όμως ένα μικροσκοπικό σωματίδιο,
όπως ένα ηλεκτρόνιο

μπορεί να δείξει δραματικά στοιχεία
της δυαδικής του φύσης.

Αν ρίξουμε ηλεκτρόνια, ένα ένα, σε ένα σετ
από δύο στενά κοψίματα σε ένα φράγμα,

κάθε ηλεκτρόνιο στην αθέατη πλευρά
ανιχνεύεται σε ένα σημείο σε κάποια στιγμή

όπως ένα σωματίδιο.

Αλλά αν επαναλάβετε αυτό το πείραμα
πολλές φορές,

σημειώνοντας όλες
τις μεμονωμένες ανιχνεύσεις,

θα τα δείτε να σκιαγραφούν ένα μοτίβο,
χαρακτηριστικό της συμπεριφοράς κυμάτων:

Ένα σετ από λωρίδες -
περιοχές με πολλά ηλεκτρόνια

διαχωρισμένα από περιοχές
όπου δεν υπάρχει κανένα.

Μπλοκάρετε μία από τις σχισμές
και οι λωρίδες εξαφανίζονται.

Αυτό δείχνει ότι το μοτίβο είναι
το αποτέλεσμα κάθε ηλεκτρονίου

που περνά ταυτόχρονα
μέσα και από τις δύο σχισμές.

Ένα μεμονωμένο ηλεκτρόνιο δεν επιλέγει
να πάει αριστερά ή δεξιά

αλλά αριστερά και δεξιά ταυτόχρονα.

Αυτή η επαλληλία των καταστάσεων
οδηγεί και στη μοντέρνα τεχνολογία.

Ένα ηλεκτρόνιο κοντά
στον πυρήνα ενός ατόμου

υπάρχει σε μια απλωμένη τροχιά, σαν κύμα.

Φέρτε δύο άτομα κοντά

και τα ηλεκτρόνια δεν χρειάζεται
να επιλέξουν μόνο ένα άτομο

αλλά μοιράζονται μεταξύ τους.

Έτσι δημιουργούνται
μερικές χημικές ενώσεις.

Ένα ηλεκτρόνιο σε ένα μόριο δεν είναι
απλώς άτομο Α ή άτομο Β, αλλά Α+Β.

Καθώς προσθέτετε περισσότερα άτομα,
τα ηλεκτρόνια απλώνονται περισσότερο,

μοιράζονται ανάμεσα σε μεγάλους
αριθμούς ατόμων ταυτόχρονα.

Τα ηλεκτρόνια στα στερεά
δεν συνδέονται σε ένα συγκεκριμένο άτομο

αλλά μοιράζονται με όλα,
και επεκτείνονται σε μεγάλο εύρος χώρου.

Η γιγαντιαία επαλληλία καταστάσεων

προσδιορίζει πώς κινούνται
τα ηλεκτρόνια μέσα στο υλικό,

είτε είναι ένας αγωγός ή ένας μονωτής
ή ένας ημιαγωγός.

Η κατανόηση του πώς μοιράζονται
τα ηλεκτρόνια στα άτομα

μας επιτρέπει να ελέγξουμε με ακρίβεια
τις ιδιότητες υλικών ημιαγωγών,

όπως η σιλικόνη.

Ο συνδυασμός διαφορετικών ημιαγωγών
με τον σωστό τρόπο

μας επιτρέπει να φτιάξουμε
κρυσταλλολυχνίες σε μικρό μέγεθος,

εκατομμύρια σε ένα μοναδικό
τσιπάκι υπολογιστή.

Αυτά τα τσιπ
και τα απλωμένα ηλεκτρόνιά τους

δίνουν ισχύ στον υπολογιστή
που βλέπετε αυτό το βίντεο.

Ένα παλιό αστείο λέει
ότι το Διαδίκτυο υπάρχει

για να μπορούμε να μοιραζόμαστε
βίντεο με γάτες.

Όμως, κατά βάθος,
το Διαδίκτυο χρωστά την ύπαρξή του

σε έναν Αυστριακό φυσικό
και τη φανταστική του γάτα.