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Cosa ci dice effettivamente la teoria quantistica sulla realtà?

Quasi un secolo dopo la sua fondazione, fisici e filosofi non lo sanno ancora, ma ci stanno lavorando

La nascita della fisica quantistica nei primi anni del 1900 ha chiarito che la luce è composta da unità minuscole, indivisibili, o quanti, di energia, che noi chiamiamo fotoni. L’esperimento di Young, quando viene fatto con singoli fotoni o anche singole particelle di materia, come elettroni e neutroni, è un enigma da contemplare, sollevando domande fondamentali sulla natura stessa della realtà. Alcuni lo hanno perfino usato per sostenere che il mondo quantistico è influenzato dalla coscienza umana, dando alle nostre menti un’agenzia e un posto nell’ontologia dell’universo. Ma il semplice esperimento fa davvero un caso del genere?

Nella moderna forma quantistica, l’esperimento di Young consiste nel trasmettere singole particelle di luce o materia a due fenditure o aperture tagliate in una barriera opaca. Dall’altro lato della barriera c’è uno schermo che registra l’arrivo delle particelle (diciamo, una lastra fotografica nel caso dei fotoni). Il buon senso porta ad aspettarsi che i fotoni passino attraverso una fessura o l’altra e si accumulino dietro ogni fessura.

Non lo fanno. Piuttosto, vanno in alcune parti dello schermo ed evitano gli altri, creando bande alternate di luce e oscurità. Queste cosiddette frange di interferenza, il tipo che si ottiene quando due insiemi di onde si sovrappongono. Quando le creste di un’onda si allineano con le creste di un’altra, si ottiene un’interferenza costruttiva (bande luminose), e quando le creste si allineano con le depressioni si ottiene un’interferenza distruttiva (oscurità).

Ma c’è solo un fotone che passa attraverso l’apparecchio in qualsiasi momento. È come se ogni fotone attraversasse entrambe le fessure contemporaneamente e interferisse con se stesso. Questo non ha un senso classico.

Dal punto di vista matematico, tuttavia, ciò che passa attraverso entrambe le fessure non è una particella fisica o un’onda fisica, ma qualcosa chiamato una funzione d’onda, una funzione matematica astratta che rappresenta lo stato del fotone (in questo caso la sua posizione). La funzione d’onda si comporta come un’onda. Colpisce le due fenditure e le nuove onde emanano da ogni fenditura sull’altro lato, si diffondono e alla fine interferiscono l’una con l’altra. La funzione d’onda combinata può essere usata per calcolare le probabilità di dove si potrebbe trovare il fotone.

Il fotone ha un’alta probabilità di essere trovato dove le due funzioni d’onda interferiscono costruttivamente ed è improbabile che possano essere trovate in regioni di interferenza distruttiva. La misurazione, in questo caso l’interazione della funzione d’onda con la lastra fotografica, si dice che “collassa” la funzione d’onda. Passa dall’espandersi prima della misurazione al picco in uno di quei luoghi in cui il fotone si materializza dopo la misurazione.

Questo evidente collasso indotto dalla misurazione della funzione d’onda è la fonte di molte difficoltà concettuali nella meccanica quantistica. Prima del crollo, non c’è modo di dire con certezza dove atterrerà il fotone; può apparire in uno qualsiasi dei luoghi di probabilità diversa da zero. Non c’è modo di classificare la traiettoria del fotone dalla sorgente al rivelatore. Il fotone non è reale nel senso che un aereo che vola da San Francisco a New York è reale.

Werner Heisenberg, tra gli altri, interpretò la matematica per indicare che la realtà non esiste fino a che non viene osservata. “L’idea di un mondo reale oggettivo le cui parti più piccole esistono oggettivamente nello stesso senso in cui esistono le pietre o gli alberi, indipendentemente dal fatto che le osserviamo o meno … è impossibile”, ha scritto. Anche John Wheeler ha usato una variante dell’esperimento a doppia fenditura per sostenere che “nessun fenomeno quantistico elementare è un fenomeno fino a quando non viene registrato (fenomeno osservato, fenomeno” indelebilmente registrato “).”

Ma la teoria quantistica non è del tutto chiara su cosa costituisca una “misurazione”. Semplicemente postula che il dispositivo di misurazione debba essere classico, senza definire dove si trova un confine tra la classica e la quantum, lasciando così la porta aperta a coloro che pensano che la coscienza umana deve essere invocato per il collasso. Lo scorso maggio, Henry Stapp e colleghi hanno sostenuto, in questo forum , che l’esperimento della doppia fenditura e le sue varianti moderne forniscono la prova che “un osservatore consapevole può essere indispensabile” per dare un senso al regno quantistico e che una mente transpersonale è alla base del mondo materiale .

Ma questi esperimenti non costituiscono una prova empirica di tali affermazioni. Nell’esperimento della doppia fenditura fatto con singoli fotoni, tutto ciò che si può fare è verificare le previsioni probabilistiche della matematica. Se le probabilità sono confermate nel corso dell’invio di decine di migliaia di fotoni identici attraverso la doppia fenditura, la teoria afferma che la funzione d’onda di ogni fotone è crollata, grazie a un processo mal definito chiamato misurazione. Questo è tutto.

Inoltre, ci sono altri modi per interpretare l’esperimento della doppia fenditura. Prendi la teoria di de Broglie-Bohm , che dice che la realtà è sia l’onda che la particella. Un fotone si dirige verso la doppia fenditura con una posizione definita in ogni momento e passa attraverso una fessura o l’altra; quindi ogni fotone ha una traiettoria. Sta cavalcando un’onda pilota, che attraversa entrambe le fenditure, interferisce e quindi guida il fotone in una posizione di interferenza costruttiva.

Nel 1979, Chris Dewdney e colleghi del Birkbeck College di Londra simulavano la previsione della teoria per le traiettorie di particelle che attraversavano la doppia fenditura. Nell’ultimo decennio, gli sperimentalisti hanno verificato che tali traiettorie esistono, sebbene utilizzando una tecnica controversa chiamata misurazioni deboli. Nonostante la controversia, gli esperimenti dimostrano che la teoria di de Broglie-Bohm rimane in corsa come spiegazione del comportamento del mondo quantistico.

Fondamentalmente, la teoria non ha bisogno di osservatori o misurazioni o di una coscienza non-materiale.

Nemmeno le cosiddette teorie del collasso , che sostengono che le funzioni d’onda collassano a caso: più il numero di particelle nel sistema quantico è tanto più probabile è il collasso. Gli osservatori si limitano a scoprire il risultato. Il team di Markus Arndt dell’Università di Vienna in Austria ha testato queste teorie inviando molecole sempre più grandi attraverso la doppia fenditura. Le teorie di collasso predicono che quando particelle di materia diventano più massicce di qualche soglia, non rimarranno in una sovrapposizione quantistica di passare attraverso entrambe le fenditure contemporaneamente, e questo distruggerà il modello di interferenza. La squadra di Arndt ha sentito una molecola con più di 800 atomi attraverso la doppia fenditura e continua a vedere interferenze. La ricerca della soglia continua.

Roger Penrose ha la sua versione di una teoria del collasso, nella quale più massiccia è la massa dell’oggetto in sovrapposizione, più velocemente collasserà in uno stato o nell’altro, a causa delle instabilità gravitazionali. Di nuovo, è una teoria indipendente dall’osservatore. Non è necessaria alcuna consapevolezza Dirk Bouwmeester dell’Università della California, Santa Barbara, sta testando l’idea di Penrose con una versione dell’esperimento a doppia fenditura.

Concettualmente, l’idea è di mettere semplicemente un fotone in una sovrapposizione di passare attraverso due fenditure contemporaneamente, ma anche di porre una delle fenditure in una sovrapposizione di essere in due posizioni contemporaneamente. Secondo Penrose, la fessura spostata rimarrà in sovrapposizione o collasserà mentre il fotone è in volo, portando a diversi tipi di schemi di interferenza. Il collasso dipenderà dalla massa delle fenditure. Bouwmeester ha lavorato a questo esperimento per un decennio e potrebbe presto essere in grado di verificare o confutare le affermazioni di Penrose.

Se non altro, questi esperimenti stanno dimostrando che non possiamo avanzare pretese sulla natura della realtà, anche se le affermazioni sono motivate matematicamente o filosoficamente. E dato che neuroscienziati e filosofi della mente non sono d’accordo sulla natura della coscienza, le affermazioni che collassa le funzioni d’onda sono premature nel migliore dei casi e fuorvianti e sbagliate nel peggiore dei casi.

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