Interpretazione di Copenhagen della meccanica quantistica

La meccanica quantistica è spesso associata a una matematica più avanzata e all’idea che la matematica possa essere utilizzata per sviluppare le idee della meccanica quantistica per l’applicazione in situazioni complesse. Tuttavia, la matematica è solo uno strumento delle idee della fisica. Le idee centrali della meccanica quantistica – il comportamento ondulatorio della materia e il comportamento corpuscolare della luce – possono essere accuratamente descritte senza la necessità di utilizzare la matematica. Tuttavia, l’essenza della questione è nella descrizione della realtà fisica e del comportamento su piccola scala, che è molto diversa da quella degli oggetti con cui siamo familiari.

Uno dei più chiari e materialisti più consistenti introduzioni alla meccanica quantistica è quella del fisico Richard Feynman nel suo piccolo libro sei semplici pezzi (Six Easy Pieces) e in una presentazione un po ‘più matematica, nei primi capitoli del Volume 3 della sua Conferenze sulla fisica (Lezioni di fisica). Feynman presenta l’argomento che descrive il “esperimento della doppia fenditura”, che è famosa per la sua citazione: ” E ‘assolutamente impossibile per spiegare in alcun modo classico, e il suo contenuto è il cuore della meccanica quantistica. In realtà, contiene solo mistero. ” Questo è un esperimento di ottica classica che mostra esplicitamente il comportamento contraddittorio della materia in scala ridotta – la materia può comportarsi come sia delle particelle e delle onde – . Essa rivela anche le radici dell’idealismo nella interpretazione di Copenaghen, e che la negazione della realtà fisica è stata la risposta di Heisenberg e Bohr a questa contraddizione.

Le onde sono un processo di trasporto di energia, come possiamo vedere nel movimento di sabbia e ciottoli su una spiaggia quando un’onda si rompe sulla riva. Le onde sulla superficie dell’acqua lo alterano mentre passa, spostandolo su e giù. Se due onde provenienti da direzioni diverse si incontrano in un dato punto sulla superficie dell’acqua, causano un aumento ancora maggiore – potrebbe esserci un picco più grande o un canale più profondo in posizione. Se un’onda sta spostando la superficie verso l’alto mentre un’altra onda la sta abbassando, allora il movimento totale sarà inferiore a quello di ogni singola onda. In un punto in cui le perturbazioni di diverse onde si annullano a vicenda, il movimento totale sarà zero.

Questi modelli di movimento e interferenza sono caratteristici del comportamento delle onde; le particelle – sostanze di materia – non farlo. Se due particelle in movimento, ad esempio due pezzi di roccia, si incontrano, normalmente non “si sommano” in alcun modo. Scontreranno e, a seconda della forza della collisione, potrebbero rompersi in piccoli pezzi di roccia o potrebbero staccarsi e continuare a muoversi in nuove direzioni. Un proiettile colpisce un bersaglio. Un altro proiettile potrebbe colpire il bersaglio nello stesso posto. Non avrebbe mai “cancellato” il primo – ci saranno semplicemente due proiettili dove prima ce n’era uno. Dall’inizio del 19 ° secolo, è stato accettato che la luce ha le caratteristiche di un’onda. Thomas Young presentò prove alla Royal Society di Londra che sembrò dimostrarlo in modo definitivo.

Nel suo esperimento classico ha mostrato che se la luce passa attraverso due fessure in una barriera opaca, e poi colpisce uno schermo, mostrerà un motivo di bande chiare e scure. L’idea che fino a quel momento aveva prevalso, grazie a Newton, era che la luce consisteva in piccole particelle di materia. Ma il modello osservato da Young potrebbe essere spiegato solo dall’aggiunta delle onde da ciascuna fessura, non dalle particelle. “… non si può negare il più pregiudicato che le strisce [che si osservano] siano prodotte dall’interferenza di due porzioni di luce”. [2 ]

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Onde d’acqua che passano da due slot in uno schermo . Le onde sono interferiscono e si sommano alcune parti e contrastano in altri. Young ha visto lo stesso effetto nella luce quando passa per attraverso due fessura -un modello di strisce Interferenze chiare e scure 

La prospettiva di Young che la luce fosse composta da onde, non particelle, fu accettata per 100 anni. È stato amplificato dal lavoro sperimentale di Michael Faraday e dal calcolo teorico di James Clark Maxwell, che ha dimostrato che le onde luminose erano una forma di radiazione elettromagnetica. Allo stesso modo in cui le onde dell’acqua causano disturbi sulla superficie, ritenevano che la luce fosse il risultato di un disturbo nei campi magnetico ed elettrico. Nel 1887 i suoi risultati furono confermati dal fisico Heinrich Hertz , che produsse radiazioni elettromagnetiche ad una frequenza inferiore a quella della luce, sotto forma di onde radio. La teoria ondulatoria della luce sembrava essere stabilmente stabilita.

Tuttavia, alla fine del 19 ° secolo questo solido pezzo di fisica classica crollò. Molti scienziati hanno dimostrato che quando la luce colpisce determinati metalli, produce una corrente elettrica. La fisica classica sosteneva che la forza della corrente deve dipendere dall’intensità della luce, ma non dalla sua frequenza. Non era così. Quando la frequenza è aumentata, così ha fatto la corrente. Quando la frequenza è scesa al di sotto di un certo valore, la corrente è cessata, indipendentemente dalla forza della luce. Le onde elettromagnetiche non dovrebbero farlo, ma la luce sì.

Nel 1905 Einstein dimostrò che ciò poteva essere spiegato assumendo che la luce non fosse formata dalle onde, ma da piccole particelle- i   fotoni. Ha suggerito che quando la luce colpisce un metallo, i fotoni si scontrano con i loro elettroni e producono una corrente elettrica. Ogni particella di luce – ogni fotone – ha un’energia proporzionale alla sua frequenza. Se il fotone ha abbastanza energia, può strappare dall’atomo un elettrone che si muoverà liberamente attraverso il metallo.

Poi, nel 1909, il fisico Geoffrey Ingram Taylor riportò il risultato di un esperimento in cui le frange di interferenza venivano prodotte con una sorgente di luce molto debole, così debole, che solo un fotone alla volta attraversava il dispositivo. Anche così, le frange di interferenza erano osservabili. Da allora l’esperimento è stato ripetuto molte volte.

Con lo sviluppo di rivelatori fotografici sensibili , nella seconda metà del 20 ° secolo è stato possibile eseguire esperimenti di interferenza che mostrano realmente l’arrivo di singoli fotoni. Le immagini viste qui sono il risultato di uno degli esperimenti condotti da Robert Austin e Lyman Page dell’Università di Princeton.

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Esperimento di bassa interferenza intensità , usando una macchina fotografica conteggio dei fotoni individuale . il appaiono i fotoni primo a posizioni variabili , ma quando aumenta la quantità, it disegnare un modello di interferenza

I fotoni arrivano in una posizione che inizialmente sembra completamente coincidente. Col tempo, molti fotoni arrivano, ma principalmente alla parte più luminosa del modello e mai alla zona oscura. Infine, quando sono arrivati ​​migliaia di fotoni (e nella normale intensità della luce, ce ne saranno trilioni) vediamo il modello di interferenza creato dall’arrivo di singoli fotoni.

Come può accadere? L’interferenza è un fenomeno ondulatorio, ma i punti localizzati implicano che la luce è costituita da piccole particelle, non da onde. Perché ci sono punti sullo schermo nelle parti luminose dello schema di interferenza e nessuno in quelli scuri? Non possiamo spiegarlo dicendo che i fotoni interferiscono l’uno con l’altro – lo stesso accade quando c’è un solo fotone nel dispositivo. Il fotone è diviso in due e passa attraverso le due fessure? O, forse, come il fisico Paul Dirac misticamente ha assicurato , “ogni fotone interferisce solo con se stesso ” [ 3]. (Dirac è uno dei principali fisici del XX secolo, ma la sua espressione filosofica è sintomatica dell’idealismo che ha contagiato la fisica moderna; Prendiamo ad esempio questa citazione: “Questo risultato è troppo bello per essere falso; è più importante avere bellezza nelle nostre equazioni che adattarle agli esperimenti “[4])

Cento anni dopo i fisici si stanno ancora chiedendo come una semplice particella possa causare interferenze e ripetere questi esperimenti di base, come nell’esempio di Princeton , per vedere se c’è qualcosa di nuovo da imparare. Il problema posto da Einstein nel 1938 non ha ancora una risposta per loro: ma … cos’è realmente la luce? È un’onda o una pioggia di fotoni? … Sembra che a volte dovremmo usare una teoria e a volte un altro, mentre a volte possiamo usare entrambi. Siamo di fronte a un nuovo tipo di difficoltà. Abbiamo due immagini contraddittorie della realtà; separatamente, nessuno dei due spiega il fenomeno della luce, ma insieme lo fanno. “[5]

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Elettroni individuale disegna a modello di interferenza in a esperimento di doppio scanalatura

La situazione diventa ancora più complessa se, invece di luce, spariamo agli elettroni attraverso le due fessure. JJ . Thomson , nel 1897, condusse esperimenti che dimostrarono che gli elettroni sono piccole particelle di materia caricata.

Questo parere ha prevalso in fisica per i prossimi 30 anni. Ma nel 1927, Clinton Savisson e LesterGermen osservarono gli effetti di diffrazione (onda) quando i fasci di elettroni furono sbrinati dai cristalli; George (GP) Thompsonha visto lo stesso effetto con film sottili di celluloide e subito dopo con altri materiali.

Questi esperimenti hanno di nuovo allertato i fisici sullo strano comportamento delle onde e delle piccole particelle – non solo la luce può comportarsi come una particella, ma le particelle subatomiche possono comportarsi come le onde.

L’esperimento del doppio slot con gli elettroni non era possibile in quel momento, ma fu anche proposto come un “esperimento teorico” usato dai primi fisici quantistici per esplorare le loro idee sul comportamento ondulatorio della materia.

L’esperimento della doppia fessura con gli elettroni fu finalmente realizzato nel 1961 da Claus Jönsson di Tubinga e Giulio Pozzi a Bolognanel 1974, e ripetuto da Akira Tonomura e persone Hitachi 1989. Il risultato di questi esperimenti era come anticipato avuto il primo quantum fisico, gli elettroni, anche semplici elettroni come onde possono interferire ancora rilevato come particelle. Un’immagine dell’esperimento Hitachi può essere vista sopra, è un film del risultato di Bologna può essere vistosu http://lotto.bo.imm.cnr.it/educational/main_educational.php. Il suono del film parafrasa Dirac quando afferma che “ogni elettrone interferisce solo con se stesso”, e viene messo a tacere dal suono trionfante della musica barocca con violini e flauti.

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Relatore: Rinaldo Baldini Ferroli, INFN – LNF In questo seminario vengono esposti e discussi alcuni dei paradossi quantistici che si verificano su scala macroscopica, in particolare le correlazioni istantanee a distanza che si possono osservare con Dafne. A questo scopo vengono brevemente descritte le premesse che hanno condotto alla formulazione attuale della Meccanica Quantistican nell’interpretazione di “Copenhagen”. Si parla poi dell’effetto Bohm-Aharonov come paradosso di la non-localita’ e il paradosso di Einstein-Podolsky-Rosen, la disuguaglianza di Bell, il moto accelerato senza campo e la realta’ del potenziale magnetico, alcuni punti di vista alternativi alla interpretazione usuale dei fenomeni quantistici.

L’interpretazione di Copenhagen

I tentativi di spiegare il comportamento della luce come onda particella o elettroni in termini di idee classiche di onde e particelle, da osservazioni fatte sul comportamento della materia in larga scala sembra essere impossibile. La contraddizione essenziale si verifica tra il comportamento delle particelle localizzate e le onde non localizzate, sintetizzati dal primo fisico nella frase “dualità onda-particella di materia.”

Quando gli scienziati incontrano un paradosso, può essere un’opportunità per imparare qualcosa di nuovo. Con più posti di lavoro o forse con più risultati sperimentali, la scienza può progredire. Ma per gli accademici universitari, in particolare quelli delle università del Vecchio Mondo, è difficile ammettere una contraddizione, un possibile errore nei risultati e ancora più difficile ammettere che non è possibile per loro risolvere il problema. La formazione di uno scienziato accademico si sviluppa in un ambiente individualistico e competitivo per trovare la soluzione dei problemi, dove viene premiato quello che ha la risposta migliore rispetto ad un altro scienziato. Lo scienziato di laboratorio la cui attrezzatura è il prodotto del lavoro collettivo di migliaia di mani, spesso non è a conoscenza di questo fatto e parla del “mio” lavoro, dei “miei” risultati, I “miei” progressi Nelle discussioni di un seminario, la posta in gioco non è solo la difesa delle idee di una persona, ma la persona – per non parlare della questione degli stipendi, dei sussidi e delle promozioni.

Per Heisenberg , la contraddizione della dualità onda particellare doveva essere intollerabile – e ancor più la sua incapacità di spiegarlo. Bene, se il grande professore non conosce la risposta, chiaramente questo è inconoscibile.

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Bohr (a sinistra) e Heisenberg (al centro)

Questo scienziato altamente conservatore era figlio di un insegnante di lingue. Aveva preso parte alla repressione delle forze sovietiche bavaresi nel 1918 (scrisse in seguito: “Sono un giovane di 17 anni e l’ho considerato una specie di avventura … Era come giocare a guardie e ladri …” [6]). Nella seconda guerra mondiale era il capo del programma di armi nucleari naziste. La sua crescita e formazione in una filosofia classica no

lo faceva sentire rifiutato solo accettando i limiti sfocati e le contraddizioni implicite dalla dualità onda-particella; Gli ha anche dato un’arma filosofica per respingere qualsiasi interpretazione dialettica o materialista della meccanica quantistica.

Nel suo saggio classico sul “principio di indeterminazione” Heisenberg spiegato che un esperimento che tenta di misurare quale fenditura passa l’oggetto ( per individuare l’oggetto, e quindi vedere comportarsi come una particella) influenzerà sufficiente per distruggere il loro comportamento di onda. Se si utilizza un microscopio per osservare la particella mentre passa attraverso la fessura, allora la lunghezza d’onda della luce usata dal microscopio deve essere abbastanza piccola da distinguere una fessura dall’altra. Ma se la lunghezza d’onda della luce è abbastanza breve da fare ciò, la luce avrà ancora abbastanza impulso per cambiare la direzione dell’oggetto e cambiare il modello di interferenza. Da questo, Heisenbergderiva il suo principio di incertezza: “Quando la posizione è determinata con maggiore precisione, lo slancio è conosciuto con meno precisione e viceversa.” [7 ]

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Un impulso breve è la somma di molte onde di diverse lunghezze che sono cancellati in tutto parti , tranne dove il polso è forte

Questo risultato nasce come conseguenza della geometria dell’esperimento e del comportamento come una particella di luce (che dice che la luce di una certa lunghezza d’onda è equivalente ai fotoni con un certo impulso ). Niels Bohr , in un documento con Heisenberg all’Università di Copenaghen, preferì avvicinarsi a questo risultato in un altro modo. Supponiamo, ha detto, che possiamo produrre un breve impulso di luce accendendo una fonte di luce e poi spegnerlo rapidamente. da

Dal punto di vista della teoria della particella, la sorgente emette un gran numero di fotoni che viaggiano nella stessa relativamente piccola regione dello spazio.

Ma se proviamo a capire l’esperimento dalla prospettiva dell’onda, scopriamo che è necessario un gran numero di onde di lunghezza diversa per produrre un impulso breve. La lunghezza d’onda è equivalente alla quantità di moto come un risultato della dualità onda-particella quindi un breve impulso è una vasta gamma di moto , anche se la posizione di ciascun fotone è noto con precisione. Da un impulso lungo otteniamo il risultato opposto: il momento è noto esattamente, ma la posizione dei fotoni è meno accurata. Questo è di nuovo il principio dell’incertezza – ma senza i microscopi, o la distorsione prodotta dall’osservatore, o qualsiasi altro accessorio introdotto da Heisenberg . Per Bohrquesto lascia la dualità onda-particella della materia al centro, con il principio di indeterminazione come conseguenza intrinseca, mentre per Heisenberg è l’atto di osservazione che è più importante.

Tuttavia, per Heisenberg e Bohr principio di indeterminazione s’ si trasforma in un’opportunità per costruire un edificio di matematica e filosofica della interpretazione di Copenhagen del comportamento CUANTUM -la espressione matematica (o, più precisamente, la matematica scusa) per negare la realtà materiale . Hanno assicurato che l’ analisi di Heisenberg dell’esperimento a doppio slot, nonché l’analisi delle proprietà dell’impulso della luce di BohrErano esempi di una legge generale che divenne nota come “principio di complementarità”: è impossibile arrivare a osservare contemporaneamente onde e particelle. È solo possibile osservare o particelle -a porzione di materia rilevato sulla strada per passare attraverso la fessura senza interferenze-modello, o osservare onde d’urto non -a localizzate che passa attraverso le due scanalature, con una figura di interferenza. Ma ogni tentativo di osservare entrambi fallisce di dovere. Quindi la contraddizione è stata risolta, affermando che la domanda semplicemente non dovrebbe essere posta, perché, se richiesto, non si può mai rispondere. “Vedrai onde o particelle, ma mai entrambe le cose.”

Inoltre: tutto ciò che si può fare è osservare; La fisica deve essere vista come la scienza del prodotto dei processi di misurazione e speculazione oltre la quale non possono essere giustificati. La questione di dove fosse la particella prima che la sua posizione fosse determinata è trascurabile. La particella si materializza come risultato dell’atto di osservazione. Nel gergo – “l’atto di misurazione causa un collasso istantaneo nella funzione d’onda”. Quello che succede, vedi, è che il processo di misurazione casuale seleziona esattamente una delle molte possibilità consentite e l’onda si trasforma istantaneamente in un episodio localizzato per riflettere quella scelta.

Sarcasticamente, ma certamente, si sapeva che Feynman si riferiva a questo come “la magia della funzione di collasso delle onde”. [8] Che l’osservatore possa influenzare ciò che osserva non è una nuova idea. Ma questo è qualcosa di molto diverso. Per Heisenberg e Bohr l’osservatore non riguarda solo ciò che vede: l’osservatore lo crea.

Questo è solo un segno per sottolineare la mancanza di una logica formale alla luce delle prove degli aspetti combinati delle onde e delle particelle della materia. L’alternativa sarebbe stata accettare la dualità onda-particella come un esempio ben piazzato dell’unione e dell’interpretazione degli opposti in movimento su piccola scala; In altre parole, accetta che i concetti rigidi non sono adeguati per il movimento. Tale atteggiamento potrebbe essere il punto di partenza per un’indagine più approfondita, per una maggiore osservazione sperimentale e più teoria. Quali deduzioni, osservazioni, strumenti matematici dovremmo esaminare per ottenere una conoscenza più approfondita di questo fenomeno? Ma invece, per ragioni politiche – perché il materialismo dialettico (marxismo) è stato bandito per lo studio dagli insegnantiborghese – arriviamo a un punto morto, dove ogni ulteriore indagine è considerata impossibile prima dell’inspiegabile:

“Il punto è che le leggi della logica formale si rompono quando superano determinati limiti. Questo, con tutta certezza, si applica ai fenomeni del mondo subatomico, dove le leggi dell’identità, della contraddizione e dei mezzi esclusi non possono essere applicate. Heisenberg difende la posizione della logica formale e idealismo, e così inevitabilmente alla conclusione che un fenomeno contraddittorio presso il livello subatomico non può essere affatto compresa dalla mente umana. Tuttavia, la contraddizione non è nel fenomeno osservato a livello subatomico, ma nel tremendamente vecchio e inadeguato schema mentale della logica formale. Ciò che viene chiamato “paradossi della meccanica quantistica” è proprio questo. Heisenbergnon può accettare l’esistenza di contraddizioni dialettiche, e quindi preferisce invertirle in un misticismo filosofico – “non possiamo sapere” e tutto il resto “[9]

 

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Fotografia di una camera a bolle in cui i tour sono visti di particelle cariche all’interno di un campo magnetico

Le sfide dell’interpretazione di Copenaghen

Sfortunatamente per Heisenberg , lo sviluppo della tecnologia moderna ha permesso agli scienziati di dimostrare che il percorso di una particella subatomica è molto reale. È comune osservare il percorso delle particelle negli esperimenti di fisica ad alta energia in cui velocità e posizione possono essere determinate senza raggiungere i limiti di incertezza. Heisenberg ha difeso la sua posizione contro tali prove dicendo che il suo principio di indeterminazione era rilevante solo per prevedere il futuro. Ma ha anche detto che “questa conoscenza del passato è di natura puramente speculativa … è una questione di credenza personale se tale speculazione riguardante la storia passata dell’elettrone può essere attribuita ad alcune realtà fisiche o no”. [10] Questo, ” Facciamo il gatto fuori del della borsa ( ‘Let ‘s get il gatto della borsa’, vale a dire’. siamo sinceros’-) “per usare un’espressione inglese -” è una questione di fede personale “. Lo stesso Heisenberg ammette che la sua interpretazione idealistica del comportamento quantistico è una scelta ideologica. E la sua via di fuga alternativa – che il principio di indeterminazione è rilevante solo per prevedere il futuro – è una dichiarazione notevolmente scarsa. Se la quantità di moto èconosciuta solo con un certo grado di precisione, possiamo solo prevedere la posizione futura con un certo grado di accuratezza. Non c’è nulla di nuovo o particolarmente profondo in questo.

Il fisico Max Born [11] sviluppò un’interpretazione alternativa della dualità onda-particella che evitò l’idealismo dell’interpretazione di Copenaghen. Edwin Schrodingerha mostrato come calcolare la “funzione d’onda della meccanica quantistica” di un sistema. Born non ha interpretato le funzioni d’onda di Schrodingercome oggetti fisici, ma come un modo per descrivere la probabilità che una particella si trovi in ​​una posizione particolare. Ad esempio, nell’esperimento del doppio slot c’è una funzione d’onda per l’arrivo da uno slot e c’è una funzione d’onda per l’arrivo dall’altro slot. La probabilità di arrivare lì è la grandezza della sovrapposizione delle funzioni d’onda per quella posizione, in un modo molto simile all’ampiezza di un’onda d’acqua, che è la somma delle diverse onde in un punto sulla superficie dell’acqua . Eistein ha spiegato l’idea in questo modo:

 “… è stato dimostrato che è impossibile associare movimenti definiti di punti di massa con queste onde di Schrodinger – e che, dopo tutto, è stato lo scopo originale dell’intera costruzione.

La difficoltà sembrava insormontabile finché non fu sopraffatta da Born in un modo tanto semplice quanto inaspettato. I campi d’onda di Broglie – Schrodinger non devono essere interpretati come una descrizione matematica di come un evento si svolge nel tempo e nello spazio, anche se, naturalmente, si riferiscono a un tale evento. Sono piuttosto una descrizione matematica di ciò che possiamo veramente sapere sul sistema. Servono solo a fare affermazioni statistiche e previsioni sui risultati di tutte le misurazioni che possiamo ottenere sul sistema. “[12] 

Come sottolinea Einstein , un aspetto importante di questa visione del comportamento quantistico è che le funzioni d’onda non dovrebbero avere un’esistenza fisica. Le particelle di materia esistono, interagiscono, passano attraverso i solchi, si muovono negli atomi. Ma le funzioni d’onda ad esse associate sono mezzi per un fine, un meccanismo matematico che consente ai fisici di calcolare le probabilità di una situazione o la combinazione di situazioni – la probabilità che un elettrone in un atomo di idrogeno abbia una particolare energia (o è un’energia individuale o la propria ?), o la probabilità che una particella di luce arrivi a un rivelatore da diversi passi possibili. Quando ci sono molte particelle, le probabilità sono tradotte nella densità degli arrivi -altri nel picco luminoso nell’esperimento del doppio slot, nullo nel picco scuro.

Questa analisi del comportamento quantistico è essenzialmente il metodo utilizzato in tutte le applicazioni pratiche della   meccanica quantistica. A volte è stato descritto come il ” chiudere up e calcolare ” ( blocco e calcolare un’espressione spesso accreditato, forse a torto, a Feynman), una reazione comprensibile all’idealismo e al misticismo di altre interpretazioni. Ad esempio, quando uno scienziato industriale inizia a progettare uno schermo televisivo, questo sarà il metodo che userà. Gli elettroni lasciano qui i filamenti caldi con questa probabilità, dando origine a questa corrente; essi sono accelerati dal campo magnetico al di là, e vengono reindirizzati a quella posizione sullo schermo (tuttavia, se il capo del dipartimento di ricerca per chiedere, naturalmente, naturalmente, che il percorso non esiste)

Lo stesso Feynman utilizza questo metodo -particles più probabilità , nel suo quantum elettrodinamica lavoro descritto nel suo libro, che è comprensibile e accessibile QED – La strana teoria della luce e materia QED- La strana teoria della luce e della materia). elettrodinamica quantistica sé è un grande successo previsioni teoriche con osservazioni sperimentali sono coerenti con un elevato livello di precisione.

Un altro esperimento con doppio slot è stato recentemente condotto presso le università di Rowan e Harvard dallo scienziato Shahriar Afshar . I risultati di questi esperimenti pubblicati sul web , contraddicono direttamente il principio di complementarità di Bohr . Il principio di complementarità assicura che non sia possibile osservare simultaneamente il comportamento dell’onda e della particella. Ma i risultati di Afshar suggeriscono diversamente. I loro esperimenti sono oggetto di una discussione dettagliata nei weblog http://irims.org/blog/index.php/questions(Un buon esempio di come Internet possa aprire dibattiti a un ampio pubblico per la discussione, in contrasto con il processo revisionista segreto usato dai media scientifici tradizionali). La copia di un articolo che descrive alcuni di questi risultati è disponibile su http://irims.bluemirror.net/quant-ph/030503/

Diversamente l’esperimento creato Heisenberg su come per rilevare quale fenditura passa la particella, Afshar utilizza una lente e fotorivelatori situato dietro le frange di interferenza per osservare i fotoni che passano attraverso le fessure. Nella forma semplice del fotone del suo esperimento (descritto verbalmente sul web ma i cui risultati non sono ancora disponibili al pubblico), un lampo di luce nella posizione di un’immagine di slot mostra inequivocabilmente che il fotone passa attraverso lo slot. Il fotone si trova in quella fessura e si comporta come una particella.

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L’esperimento Afshar (2004/05). Lo slot per attraverso il quale il fotone è passato viene rilevato da una lente situata dietro il modello di interferenza. Fili sottili nella parte scura del disegno. Mostrano che ci sono ancora interferenze. Bohr lo disse l’osservazione simultanea delle proprietà del l’onda e le particelle erano impossibili. Se Afshar è successo , è che Bohr aveva torto.

Secondo il principio di complementarità di Bohr , un modello di interferenza – comportamento ondulatorio – non dovrebbe essere osservato allora.

Afshar controlla se l’interferenza è ancora presente oppure no, posizionando fili sottili nelle posizioni precedentemente misurate delle parti scure del modello di interferenza. Anche quando osservi i fotoni che passano attraverso le fessure, puoi mostrare che i fili sono ancora nella parte scura del modello di interferenza; il fotone è stato osservato comportandosi come una particella e un’onda. I risultati degli esperimenti di Afshar non sono ancora pubblici e i suoi esperimenti non sono stati ancora ripetuti da altri, il che sarà una prova importante della loro accuratezza. Ma se Afshar è corretto, il principio della complementarità di Bohr sarà finito.

Ordine del caos

“La dialettica è un metodo di conoscenza e interpretazione del mondo naturale e sociale. È un modo di guardare l’universo, che inizia con l’assioma che tutto è in uno stato costante di cambiamento e fluttuazione. Ma non è solo quello. La dialettica ci spiega che il cambiamento e il movimento implicano la contraddizione e possono avvenire solo attraverso le contraddizioni. Quindi, invece di una linea di progresso scorrevole e ininterrotta, abbiamo una linea interrotta da periodi improvvisi ed esplosivi in ​​cui i cambiamenti lenti e accumulati (cambiamento quantitativo) subiscono una rapida accelerazione, in cui la quantità viene trasformata in qualità. La dialettica è la logica della contraddizione. ” [13]

L’immagine della realtà emersa dalla meccanica quantistica e dalla scienza moderna mostra movimenti e cambiamenti continui e irrequieti a livello atomico e subatomico. Gli atomi sono collegati da uno scambio continuo di particelle tra le particelle; gli elettroni nelle molecole si spostano da un atomo all’altro; energia e materia vengono scambiate, le particelle vengono trasformate nel loro opposto e poi ricombinate. La caratteristica centrale e distintiva di questa teoria è il cambiamento attraverso gli stadi e non come un processo continuo.

Lo sviluppo della scienza moderna in questo senso conferma e approfondisce il materialismo dialettico. Tuttavia, decadendo lentamente nei fondamenti della fisica moderna c’è un’assurdità – una contraddizione logica, non dialettica. Senza un approccio dialettico applicato al movimento e al cambiamento non c’è modo di uscire da questa contraddizione.

I fisici moderni sono stati costretti ad accettare che i concetti che erano state precedentemente considerate separatamente devono riferirsi, che non possono essere considerati in modo isolato, ma come aspetti, anche se diverso, il mondo fisico interconnesso. In particolare, il concetto di movimento avente fisico deve essere ampliato per rendere gli aspetti onda e particella simultanee di materia. Quando la materia si muove, il fisico può descrivere il processo come momento, che è la massa del corpo in movimento a causa della sua velocità. D’altra parte, un’onda è un processo fisico diverso. È una commozione della superficie di un volume d’acqua o di un campo elettrico, per esempio, ed è un processo in cui l’energia si muove. Un fisico potrebbe descrivere un’onda per la sua lunghezza, dal picco di un’onda all’altra. Momentum e lunghezza d’onda sono due astrazioni dissimili utilizzate per descrivere due processi diversi. Tuttavia, dopo il lavoro sugli effetti fotoelettrici di Einstein , e dopo il lavoro teorico dei fondatori della meccanica quantistica, i fisici furono costretti ad accettare questo slancio, una caratteristica della materia che si comporta come una particella, è direttamente correlata alla lunghezza d’onda, che è una caratteristica della materia che si comporta come un’onda.

La maggior parte della confusione che circonda la meccanica quantistica, aumentata e propagata da Bohr e Heisenberg , è legata all’insistenza che concetti come onda e particella o quantità di moto e lunghezza d’onda devono essere tenuti separati – “abbiamo due immagini contraddittorie della realtà “come espresso da Einstein. Questa confusione ha radici profonde nel rifiuto – o nella mancanza di consapevolezza – della dialettica da parte dei fisici moderni. “D’altra parte, ma poi dall’altro”, dice agonizzare sulla loro accademici, mentre scelta apparentemente contraddittorie tra le opzioni, speculando perché il mondo è sempre così. Il fatto che queste proprietà apparentemente contraddittorie possano essere presenti simultaneamente è non solo possibile ma anche universale. Luce e oscurità, caldo e freddo, nord e sud, onde e particelle, una combinazione inevitabile e inesorabile è impossibile senza l’esistenza dell’altro e che sorgono cambiamento e movimento:

“Mentre la logica formale cerca di eliminare la contraddizione, il pensiero dialettico si aggrappa ad esso. La contraddizione è una caratteristica essenziale di ogni essere. Si trova nel cuore della materia stessa. È la fonte di tutti i movimenti, i cambiamenti, la vita e lo sviluppo. La legge della dialettica che esprime questa idea è la legge dell’unità e la compenetrazione degli opposti “. [14])

E non è tutto, ma nella sua insistenza sul riduzionismo – una particella, un fotone – scienziati, goffa e inconsapevolmente distruggere la realtà vivente che in origine ha cominciato a indagare. Nelle immagini di Hitachi dell’esperimento della doppia fenditura, a che punto diventa visibile il comportamento ondulatorio della materia? Dopo 8 elettroni? Sicuramente no – gli elettroni sembrano essere arrivati ​​arbitrariamente, senza uno schema evidente. Dopo 270? Dopo 2.000? Anche dopo i 6.000 il modello è ancora vago. L’interpretazione delle probabilità di Bohrconsente ai fisici di calcolare la probabilità relativa che la particella arrivi in ​​una determinata posizione. Ma la probabilità, o la funzione d’onda, è solo una proprietà delle statistiche del sistema, e ogni singolo arrivo può accadere (quasi) ovunque.

Realizziamo il comportamento ondulatorio della materia solo quando abbiamo molte particelle. Inoltre, in un gas osserviamo le leggi che collegano la temperatura, il volume e la pressione quando abbiamo molte molecole. Le qualità ondulatorie emergono nella transizione dalla quantità alla qualità; una molecola o una particella è imprevedibile, ma molti obbediscono a leggi ben definite che ne conformano le proprietà statistiche. Si osservano sia le onde che le particelle – particelle individuali, che nei grandi gruppi hanno le proprietà (schemi di interferenza) delle onde.

A questo proposito, esperimenti con singole particelle e le immagini del tipo di l’ ottenuti in esperimenti Hitachi anche contraddicono direttamente il principio di complementarità di Bohr . Data l’evidenza, i sostenitori del l’interpretazione di Copenhagen, come Dirac , devono riuscire a imitare descrivere fotoni, dicendo che un fotone passa attraverso entrambe le fenditure e interferisce con se stesso e poi – in un impeto di fumo, quando la il mago “agita” la sua bacchetta – la funzione d’onda collassa.

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Una delle possibili funzioni d’onda per un singolo elettrone nell’atomo di idrogeno

È comune fare rappresentazioni, come qui, di un atomo circondato da una “nuvola” di elettroni. Un’interpretazione di questa immagine, che è comune tra i fisici, è che l’elettrone è in qualche modo allungato sulla regione occupata dalla nuvola. È vero che l’elettrone si muove molto velocemente. Una nuvola è forse il modo di rappresentare la velocità del movimento e il fatto che l’elettrone possa essere ovunque nella regione ombreggiata. Ma c’è solo un elettrone nell’atomo di idrogeno. Per qualche piccolo istante l’elettrone si muoverà attraverso una regione minuscola, definita e localizzata. Non c’è più allungamento nello spazio di quello di un semplice fotone che si allunga attraverso due slot in un esperimento a doppio slot. Supporre che qualcos’altro sarebbe tornare ancora una volta al misticismo di Dirac, “Il fotone interferisce solo con se stesso” e il crollo della magia della funzione d’onda.

Se abbiamo molti atomi e sovrapponiamo un’immagine di ciascuno, allora vedremmo una nuvola, vedremmo la funzione d’onda e la sua grandezza, la probabilità relativa di un elettrone in una particolare posizione. La funzione d’onda descrive il comportamento di molti atomi, ma dice molto poco sull’elettrone associato a un singolo atomo. Qui sta la forza e la debolezza della meccanica quantistica.

Ma c’è un percorso? Sì, solo se la nozione è intesa dialetticamente. Il percorso è il percorso lungo il quale si muovono le particelle. Quando la particella è in movimento, non è in alcuna posizione; È in procinto di passare da una posizione all’altra. Si muove attraverso un percorso definito. Ma dire che è qui o là in un dato momento non ha senso. Si sta muovendo da qui a lì. Cioè la confusione che nasce da un non – interpretazione dialettica del movimento, il tentativo di dire che la particella è qui ad un particolare punto nel tempo, che Heisenberg sfruttata per sviluppare misticismo che “il percorso non esiste”.

Nell’esperimento a doppio slot non è possibile prevedere dove andrà la particella dopo le fessure, piuttosto che in media. C’è una mancanza di determinazione, nel senso che la precisa traiettoria non può essere prevista in anticipo. Ma questo è diverso dalla mancanza di causalità. La particella sopra dove fa come risultato di una catena causale di eventi. Il dispositivo spara la particella nelle fessure; passa attraverso uno di loro; fino alla schermata del rilevatore. E ci sono molti esempi nella natura dei sistemi causali ma non deterministici. Se un oggetto scivola come una diapositiva sulla superficie irregolare di una collina, arriverà in un luogo impossibile da determinare in anticipo. Se parti da una posizione leggermente diversa nella parte superiore, arriverai in una posizione ampiamente diversa nella parte inferiore. L’imprevedibilità non esclude la causalità. In realtà, la scienza moderna sta cominciando a capire che la causalità è spesso espressa attraverso l’ imprevedibilità , che è necessariamente espressa attraverso il cambiamento:

“A prima vista, ci sembra che ci siamo persi in un vasto numero di incidenti. Ma questa confusione è solo apparente. Fenomeni accidentali che appaiono costantemente e scompaiono dall’esistenza come bagliori , come le onde sulla superficie dell’oceano, esprimono un processo più profondo, che non è casuale ma necessario. In un punto decisivo, questo bisogno si rivela attraverso l’incidente. ” 

La meccanica quantistica, o nuova fisica, incorporava elementi importanti della vecchia fisica nelle loro descrizioni matematiche. La matematica della teoria ondulatoria, le tecniche per risolvere equazioni integrali e anche la rappresentazione a matrice della funzione d’onda (che è stata rivista e sviluppata negli ultimi anni con l’applicazione di formule vettoriali e di matrici alla teoria del segnale digitale) sono elementi dei metodi matematici della fisica classica che costituiscono una componente essenziale della teoria della meccanica quantistica. Il vecchio è presente nel nuovo. È stato un potente progresso nello sviluppo della meccanica quantistica che una grande varietà di strumenti matematici di questo tipo erano disponibili e potevano essere incorporati dalla fisica classica. Tuttavia, per sviluppare ulteriormente,

I sistemi non lineari con una dipendenza sensibile dalle condizioni iniziali che portano all’imprevedibilità sono oggetto della teoria del caos. La somiglianza tra il comportamento dei sistemi caotici e l’ imprevedibilità del comportamento della materia su piccola scala suggerisce una spiegazione forse analoga, e questo di solito è il soggetto dinamico della ricerca scientifica. Il fatto che un gran numero di particelle mostri un comportamento ondulato ben definito potrebbe essere la prova della natura dinamica sottostante – più o meno allo stesso modo degli schemi negli “strani attrattori””Dei sistemi non lineari sono un sintomo di una causalità sottostante. Una particella individuale è imprevedibile; Molte particelle hanno un comportamento ben definito. L’ordine nasce dal caos – la quantità diventa qualità – come in altri complicati sistemi non lineari.

Con lo sviluppo dei computer – un prodotto diretto della conoscenza dei semiconduttori dalla meccanica quantistica – la scienza può ora esplorare questi sistemi non lineari, qualcosa che la matematica classica non può fare. Forse sarà in questa regione, nella fisica dei sistemi caotici non lineari, che è possibile una conoscenza più approfondita della dualità delle ondulazioni . O forse no. Forse la soluzione è in più dati sperimentali. Con il progresso della tecnologia sarà possibile rendere i nuovi esperimenti più accurati e completi. Impareremo di più sulla realtà della fisica. Alcune idee saranno scartate, altre riviste, alcune sviluppate ulteriormente e altre incorporate in nuove.

Le nuove teorie che ignorano la natura dialettica della realtà materiale che utilizzano concetti rigidi e fissi che ignorano o respingere i contraddizioni del movimento sarà sicuro nelle prove sperimentali. Questo sembra essere il caso dell’interpretazione di Copenaghen se gli esperimenti Afshar sono confermati. L’interazione tra l’osservatore e l’osservato ha molte facce e separare l’una dall’altra porta inevitabilmente all’errore, come il misticismo dell’interpretazione di Copenaghen. La causa e l’effetto possono cambiare posizione, l’osservatore può influenzare l’osservato e l’osservato può influenzare l’osservatore. Ma fondamentalmente, come base, la realtà è materiale, esiste, e non è creata osservando.

Che la materia ha d’onda e proprietà delle particelle al tempo stesso è intrigante, ma che non è una giustificazione per abbandonare la realtà fisica. A livello macroscopico, abbiamo creato astrazioni che ci aiutano a descrivere, conoscere e utilizzare il mondo che ci circonda. Vediamo una roccia, o di una particella di materiale leggermente più grande, e vediamo che esso può essere utilizzato come uno strumento , o di un’arma. Vediamo le onde nel mare e costruiamo barche che possono attraversarle. Perché sarebbe così disastroso scoprire che a piccole scale la materia a volte ha le proprietà di un’onda e talvolta di una particella? Un fotone passa attraverso uno slot. Fino a uno schermo, molto spesso in luoghi in cui le frange di interferenza sono più forti e mai dove sono al buio. Secondo i risultati di Afshar (non ancora pubblicato) è possibile vedere con quale slot è passato – è una particella. Tuttavia, dove molti di loro vanno, in media, è determinato da un’equazione d’onda – è un’onda. Interessante. Qualcosa su cui riflettere. Ma per favore -nessuna più funzione d’onda collassa o percorsi imbarazzanti. La scienza e la tecnologia possono avanzare in modo significativo con una più profonda, dialettica e materialista come questi fenomeni si verificano conoscenza e la meticolosa pulizia dell’assurdo, mistica e non scientifico normalmente mascherato nella “filosofia della scienza”.

Gli scienziati e gli ingegneri del futuro capiranno meglio la realtà. E con la tecnologia del futuro che l’umanità pianificherà e svilupperà collettivamente, sarà possibile allontanare l’umanità dall’attuale difficile lotta per le necessità della vita. La selvaggia barbarie del sistema capitalista, l’orribile disuguaglianza, tutta la brutalità e la ferocia, non saranno che uno spiacevole lontano ricordo. E anche questo, come la macchia di un elettrone su uno schermo, svanirà col tempo.

Referenze

(*) Eugenesia: applicazione delle leggi biologiche dell’eredità alla perfezione della specie umana.

[1] La citazione è tratta dal lavoro originale di Heisenberg sul Principio di incertezza, pubblicato nel 1927 nel giornale tedesco Zeitschrift für Physik , volume 43, p. 172-198. Una traduzione inglese è disponibile in Quantum Theory and Measurement , Wheeler and Zurek , 1983.

[2] L’ esperimento a doppio slot di Young , come dimostrato il 24 novembre 1803 alla Royal Society of London , non usava effettivamente un doppio slot; invece un sottile raggio di sole è stato diviso per il bordo di una carta sottile, ottenendo lo stesso risultato della doppia fessura.

[3] Paul Dirac , I principi della meccanica quantistica , 1930.

[4] Paul Dirac , The Evolution of the Physicist’s Picture of Nature , Scientific American208 (5) (1963)

[5] Albert Einstein e Leopold Infeld , The Evolution of Physics , 1938

[6] DC Cassidy e M Baker ( eds .), Werner Heisenberg : una bibliografia dei suoi scritti1984

[7] Heisenberg , carta dell’incertezza , come nella nota 1.

[8] Per esempio, in QED , la strana teoria della luce e la materia 1985 Feynman dice a pagina 76, in una nota di materiale che spiega come per calcolare le probabilità sommando le funzioni d’onda: “Prendendo questo principio in mente dovrebbe aiutare gli studenti a evitare la confusione con cose come “il pacchetto di riduzione” di onda ‘e magia simile”. 

[9] Alan Woods e Ted Grant , Reason in Revolt , 1995

[10] Heisenberg : principi fisici della teoria quantistica , 1930.

[11] Max Born , ebreo tedesco e amico di Einstein , che lasciò la Germania nel 1933 per sfuggire all’antisemitismo, è il nonno dell’attrice e cantante Olivia Newton- John .

[12] Albert Einstein , On Quantum Physics , 1940

 

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