I nuovi trucchi di Schrodinger! Oggetti con due temperature allo stesso tempo?

I nuovi trucchi di Schrodinger! Oggetti con due temperature allo stesso tempo?

Potresti non capire nulla in fisica, ma dovresti aver sentito dell'esperimento mentale di Schrödinger, in cui il gatto è posto in una scatola con un elemento radioattivo e può essere sia vivo che morto. Questo è uno strano fenomeno creato dalla meccanica quantistica.

Recentemente, i fisici dell'Università di Exeter (Inghilterra) hanno scoperto che una simile somiglianza può essere vista a temperature: gli oggetti possono avere due temperature al livello quantico. Questo strano paradosso quantistico è la prima relazione completamente nuova di incertezza quantistica che verrà formulata nel corso di decenni.

Un altro principio di Heisenberg

Nel 1927, il fisico tedesco Werner Heisenberg formulò un postulato: più accuratamente si misura la posizione di una particella quantistica, meno accuratamente capirai la sua quantità di moto e viceversa. Questa regola è ora chiamata il principio di incertezza di Heisenberg.

La nuova incertezza quantistica, dove più accuratamente si conosce la temperatura, meno si può dire dell'energia e viceversa, ha implicazioni molto maggiori per la nanoscienza che studia oggetti incredibilmente piccoli (più piccoli di nanometri). Questo principio cambierà il modo in cui gli scienziati misurano la temperatura di cose estremamente piccole, come i punti quantici. Negli anni '30. Heisenberg e Niels Bor hanno stabilito una relazione tra l'incertezza tra energia e temperatura su una scala non quantistica. L'idea era che se volevi sapere la temperatura esatta dell'oggetto, sarebbe meglio immergerlo in un "serbatoio" (un bagno con acqua o una camera con aria) con una temperatura nota, permettendo al corpo di saturarsi lentamente con questa temperatura. Questo è chiamato equilibrio termico.

Questo equilibrio termico viene mantenuto dall'oggetto mentre il serbatoio scambia costantemente energia. Di conseguenza, l'energia dell'oggetto si muove su e giù in quantità infinitamente piccole, il che rende impossibile una determinazione esatta. Se vuoi conoscere l'energia esatta nell'oggetto, dovrai isolarla in modo che non possa entrare in contatto con nulla. Tuttavia, l'isolamento non consente di calcolare con precisione la temperatura utilizzando il serbatoio. Queste restrizioni rendono incerta la temperatura e, quando si passa a una scala quantistica, i colori si addensano ancora di più.

Nuovo rapporto di incertezza

Anche se un tipico termometro ha energia che sale e scende leggermente, è ancora rilevabile in un intervallo ridotto. Ma questo non funziona a livello quantico, dove tutto ritorna al famoso gatto Schrödinger. Questo esperimento mentale suggeriva di chiudere il gatto in una scatola di veleno, attivata dal decadimento di una particella radioattiva. Secondo le leggi della meccanica quantistica, una particella può decomporsi o non collassare allo stesso tempo. Cioè, finché non apri la scatola, il gatto sarà allo stesso tempo vivo e morto. Questo è un fenomeno di sovrapposizione. I ricercatori hanno usato la matematica e la teoria per prevedere con precisione in che modo la sovrapposizione influenza il calcolo della temperatura degli oggetti quantici. Si scopre che un termometro quantistico sarà nella sovrapposizione di stati energetici allo stesso tempo, il che porta all'incertezza della temperatura.

Nel nostro mondo, un termometro può segnalare che un oggetto è tra 31 e 32 gradi Fahrenheit. Nel caso quantico, il termometro dirà che l'oggetto è simultaneamente dotato di entrambe le temperature. I contatti tra oggetti in una scala quantistica sono in grado di creare sovrapposizioni ed energia. La vecchia relazione di incertezza ignorava questi effetti perché non erano importanti per gli oggetti non quantici. Ora è importante se è necessario determinare l'indice di temperatura di un punto quantico.

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