Paradossi della fisica quantistica
La fisica quantistica è piena di paradossi. Intanto, cos’è un paradosso? E’ una legge fisica il cui enunciato, pur essendo esatto, apparentemente sembra errato. Più avanti parleremo di due dei più famosi paradossi della fisica quantistica, il paradosso del gatto di Schródinger e quello dell’amico di Wigner.
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Paradossalmente, anche se a un primo approccio sembrerebbe non avere a che fare con il mondo psichico di cui ci occupiamo, i paradossi della fisica quantistica ci fanno nascere con stupore sempre la stessa domanda:”Ma quindi che cos’è la realtà?” “Esiste davvero qualcosa di oggettivo per tutti?” L’osservato e l’osservatore forse non sono così separati come sembra…
La funzione d’onda nella meccanica quantistica
Per capire almeno sommariamente i paradossi della fisica quantistica abbiamo bisogno di conoscere alcune nozioni fondamentali.
La meccanica quantistica è alla base di quasi tutta la fisica moderna, perché spiega molte cose, dalla struttura degli atomi all’attrazione dei magneti. Ma le sue basi concettuali continuano a lasciare i ricercatori alla ricerca di risposte.
Le sue equazioni non riescono a prevedere l’esito esatto di una misurazione, come ad esempio la posizione di un elettrone, ma solo le probabilità che possa produrre valori precisi.
Gli oggetti quantistici, come gli elettroni, vivono in una nuvola di incertezza, codificata matematicamente in una “funzione d’onda“, che cambia forma proprio come le onde del mare. Ma quando viene misurata una proprietà, come la posizione di un elettrone, si ottiene sempre un valore preciso.
Interpretazione di Copenaghen e il collasso della funzione d’onda
Negli anni ’20, i pionieri della teoria quantistica Niels Bohr e Werner Heisenberg, formularono teorie che presero il nome di interpretazione di Copenaghen, dal nome della città in cui visse Bohr.
Si afferma, tra l’altro, che l’atto di osservare un sistema quantistico fa “collassare” la funzione d’onda da una curva sparsa a un singolo punto di dati.
L’interpretazione di Copenaghen però ha lasciato aperta la domanda del perché sia necessario applicare regole diverse al mondo quantistico dell’atomo e al mondo classico delle misurazioni di laboratorio e dell’esperienza quotidiana.
Ma c’è anche da dire che, sebbene gli oggetti quantistici vivano in stati incerti, l’osservazione sperimentale dà risultati inequivocabili, tipici del mondo classico.
Il paradosso del gatto di Schródinger
Consideriamo un famoso esperimento di pensiero ideato dal fisico tedesco Erwin Schródinger, uno dei fondatori della Meccanica quantistica e premio Nobel per la fisica nel 1933, per illustrare il principio di incertezza della meccanica quantistica.
Lo scienziato ha ideato un curioso esperimento teorico o mentale, noto col nome di paradosso del gatto di Schrödinger.
In una scatola perfettamente isolata dall’esterno, collochiamo un contatore Geiger con una piccolissima quantità di sostanza radioattiva, un martelletto, una fiala di cianuro e un gatto.
Quando il contatore Geiger rileva un decadimento radioattivo, il martelletto entra in azione e la fiala si spezza, uccidendo così il gatto.
La sostanza radioattiva è in quantità così minima che nell’arco di un’ora c’è il 50% di probabilità che un atomo sia decaduto, ed abbia quindi liberato della radioattività, e un 50% di probabilità che non sia accaduto nulla.
Visto che è impossibile sapere, prima di aprire la scatola, se il cianuro è uscito o meno dalla fiala, fintanto che la scatola rimane chiusa il gatto si trova in uno stato indeterminato: può essere sia vivo sia morto.
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Sovrapposizione di stati
Solo aprendo la scatola questa “sovrapposizione di stati” si risolverà, in un modo o nell’altro. La vita del gatto è di fatto nelle nostre mani: può sembrare paradossale, ma il senso è che l’osservazione determina il risultato dell’osservazione stessa.
La funzione d’onda ci dice che il gatto è in uno stato di sovrapposizione, cioè è sia vivo, sia morto e solo quando apriamo la scatola abbiamo il collasso della funzione d’onda e potremo trovare il gatto o vivo o morto.
Il paradosso sta proprio nel fatto che, finché non avviene l’osservazione, sono entrambi presenti due stati evidentemente opposti e inconciliabili.
Ma il gatto non sarebbe mai in stato di sovrapposizione, indipendentemente dall’osservazione o meno. Infatti la sostanza radioattiva interagirebbe fin da subito con il contatore Geiger e sarebbe obbligata a scegliere uno stato (decadimento o non decadimento) e quindi il gatto sarebbe sempre o solo vivo o solo morto!
Perciò l’esperimento, nel traslare i paradossi quantistici presenti nella realtà subatomica nella realtà macroscopica, ne dimostra la loro insostenibilità.
Trasferire la realtà subatomica nel mondo macroscopico dà origine a degli evidenti paradossi, quali la presenza simultanea di uno stato di vita e di morte che è impossibile da riscontrarsi nell’esperienza quotidiana.
Esiste un passaggio tra lo stato descritto dalla fisica quantistica e quello descritta dalla fisica classica che sembra essere generato dall’interazione di ciò che è in sovrapposizione con un osservatore o con l’ambiente stesso.
Una precisazione:l’esperimento è solo mentale, per fortuna i nostri fisici non hanno messo nessun gatto nella scatola!
Estensione del paradosso o paradosso dell’amico di Wigner
Eugene Wigner era convinto che la coscienza sia la chiave del processo di misurazione in meccanica quantistica.
In questo esperimento mentale il fisico immagina che, in sua assenza, un amico compia l’esperimento del gatto di Schrödinger.
Lui verrà quindi a sapere se il gatto era vivo o morto solo al momento del suo rientro nel laboratorio. Abbiamo qui due sistemi: la “scatola” col gatto e il “laboratorio” con l’amico e la scatola.
Due esiti sono possibili al rientro di Wigner: “gatto morto + amico triste” e “gatto vivo + amico felice”.
Ebbene, secondo Wigner lo stato di sovrapposizione è terminato fin dall’osservazione dell’amico, perché è proprio la coscienza ad agire come il vero catalizzatore del collasso della funzione d’onda.
Finché Wigner è lontano, deve valere la sovrapposizione tra i due stati del laboratorio: “gatto vivo/amico felice” e “gatto morto/amico triste”.
Il punto è che nel laboratorio c’è l’amico del fisico, che, aprendo la scatola mentre quest’ultimo è lontano, svolge il ruolo di osservatore del sistema “scatola” e fa “collassare” lo stato di quest’ultima su uno dei due possibili (“gatto vivo” e “gatto morto”).
Per logica, allora, poiché l’indeterminazione dello stato del sistema “laboratorio” è dovuta solo all’indeterminazione del sistema “scatola”, si ha che anche lo stato del sistema “laboratorio” dovrebbe collassare già prima che Wigner ritorni. Qui sta il paradosso.
Wigner presentò questo paradosso in un suo articolo riguardante il problema mente-corpo alla luce della meccanica quantistica. Successivamente lo integrò nel suo libro Simmetrie e riflessioni, del 1967. Attualmente questa sua interpretazione della meccanica quantistica è nota come “coscienza causa del collasso“.
Finora l’esperimento era stato solo “pensato”, in modo inconfutabile, ma senza una dimostrazione pratica. La teoria sembra sia stata dimostrata nel 2019 da un gruppo di ricerca dell’Università di Edimburgo (Regno Unito) in collaborazione con istituti di ricerca di Innsbruck (Austria) e di Grenogle (Francia).
Misurazione di un fotone
L’esperimento mentale del fotone di Wigner inizia con un singolo fotone polarizzato che, se misurato, può avere una polarizzazione orizzontale o una polarizzazione verticale. Ma prima della misurazione, secondo le leggi della meccanica quantistica, il fotone esiste allo stesso tempo in entrambi gli stati di polarizzazione: nella cosiddetta sovrapposizione.
Wigner immaginava un amico in un altro laboratorio che misurava lo stato di questo fotone e memorizzava il risultato, mentre Wigner osservava da lontano.
Wigner non possiede le informazioni sulla misurazione conosciute dal suo amico. Quindi è costretto ad assumere che il fotone e la sua misurazione siano in una sovrapposizione di tutti i possibili risultati dell’esperimento.
Ma questo è in netto contrasto con il punto di vista dell’amico, che ha effettivamente misurato la polarizzazione del fotone e l’ha registrata.
Quindi le due realtà contemporanee sono in contrasto tra loro.
Conclusioni
La questione scientifica fondamentale sottostante è questa: i due osservatori vedrebbero la stessa cosa? Esiste una realtà oggettiva indipendente dall’osservatore, secondo la meccanica quantistica? Le scelte operate da un osservatore influenzano il risultato di un altro osservatore?
Ciò che è osservabile lo è in relazione ad un osservatore, qualunque cosa sia l’osservatore (uomo, macchina, computer, particella elementare). Non esiste una realtà oggettiva indipendente dall’osservatore.
Le assunzioni di località, indipendenza e realismo, assunzioni sovrane in fisica classica, non sono compatibili con la meccanica quantistica, non valgono nel mondo dell’infinitamente piccolo.
L’osservatore, probabilmente, potrebbe interferire con l’esperimento. In altre parole, la coscienza umana potrebbe in qualche modo controllare i fenomeni che hanno luogo nell’universo.