ARTICOLO SULLA FISICA QUANTISTICA E LE SUE “implicazioni filosofiche”

L’esperimento di  Schrödinger:PARADOSSO GATTO VIVO/GATTO MORTO

(Erwin Schrödinger)

Per comprendere i limiti della fisica quantistica,bisogna comprenderla,sviscerarla,analizzarla. Difficile dunque spiegarla,anche perche’ chi scrive(il sottoscritto) nonostante provenga da studi scientifici,non ha una conoscenza di settore,ne possiede un adeguato approccio a questa materia…….bastera’ la volonta’,la voglia di scrivere,di capire,di sintetizzare e realizzare qualcosa di utile,che possa essere culturalmente apprezzata e facilmente compresa??….a voi l’ardua sentenza.

Prima della descrizione di questo famoso esperimento mentale si considerino alcuni principi fondamentali(opportunamente sintetizzati e semplificati) su cui si basa la meccanica quantistica:

– 1 –    Principio di indeterminazione (Heinsenberg, 1927) : non si possono conoscere
contemporaneamente posizione e velocità di un corpo con la precisione che si
desidera. Vi è un limite naturale invalicabile a questa precisione indicato dalla
costante di Planck (circa 10 alla -30).

Questo principio, dal contenuto “drammaticamente” negativo, afferma in altre parole che all’uomo non è dato di “conoscere” la realtà fisica con la precisione che desidera. Vi è un limite invalicabile insito nella natura stessa delle cose.

Il principio di indeterminazione può essere anche formulato affermando che i corpi “microscopici” non compiono traiettorie continue per cui, in meccanica quantistica, il concetto di traiettoria continua, che è alla base della meccanica classica, decade :
sul movimento dei corpi non si può fare nessuna affermazione deterministica. Al più si può conoscere la probabilità di trovare (facendo una misura) una particella in un certo punto dello spazio.

La meccanica quantistica è quindi una teoria probabilistica in cui si può al massimo determinare (in modo deterministico) la probabilità della posizione di una particella. In meccanica quantistica si deve rinunciare definitivamente ad ogni nozione di moto  in termini di traiettoria continua !!! Al massimo si può pensare che la probabilità di trovare una particella viaggia nello spazio. E’ essa (la probabilità) che segue traiettorie classiche !!!

Nella meccanica quantistica le particelle sono probabilistiche mentre le probabilità
sono deterministiche.

– 2 –    Principio di corrispondenza : la meccanica quantistica non può esistere senza
la meccanica classica. Siccome non si può affermare nulla circa il moto dei corpi
quantistici (microscopici), per misurarne le proprietà dinamiche (posizione, velocità,
energia ecc.) li dobbiamo fare interagire con oggetti “classici” (macroscopici) che
seguono la meccanica classica e di cui, quindi, sappiamo “tutto”. Tramite le
modificazione di questi oggetti classici (detti “strumenti di misura”) siamo così in
grado di avere informazioni sugli oggetti quantistici.

– 3 –    Principio di sovrapposizione : un corpo (od un sistema di corpi) si può trovare
contemporaneamente in più stati. Un corpo può cioè, per esempio, avere
diversi valori di energia. Solo attraverso il processo di misura si determina un
valore ben preciso. Più precisamente, un corpo potrebbe essere in uno stato
corrispondente all’energia  1  ed dall’energia  2  con una probabilità per ciascuno
dei due valori. Potrebbe essere all’energia  1  al  30 %  ed all’energia  2  al
70 % . Ciò significa che facendo molte misure, il corpo verrà trovato il  30 %
dei casi con energia  1  ed il  70 %  dei casi con energia  2 .

Questi principi sono in apparente antitesi con il “buon senso”. La meccanica quantistica è allora
una grande dimostrazione di come il cosiddetto “buon senso” sia erroneo e fuorviante, perché
prodotto dall’esperienza di vita in un ambiente di cui i nostri sensi ne avvertono solo alcuni aspetti.(fonte:Arrigo Amadori:Pagine di matematica e fisica)

Dopo aver chiarito i principi su cui si basa la fisica quantistica veniamo ora all’esperimento mentale di Schrödinger , introdotto nel 1935 per evidenziare in modo vivido le difficoltà teoriche del processo di misurazione in meccanica quantistica.

-In una stanza perfettamente isolata dall’esterno, un perfido e cinico fisico chiude un atomo radioattivo, una fiala di un potente veleno e un gatto. L’atomo è in uno stato tale per cui, a una certa ora, avrà uguale probabilità di essere o no decaduto. Il fisico ha anche collegato l’atomo al veleno in modo che questo sia liberato se l’atomo decade. Il veleno è abbastanza potente da uccidere immediatamente il gatto.

All’ora stabilita il fisico aprirà la stanza. Cosa troverà? Un attimo prima dell’apertura, lo stato che descrive il sistema totale della stanza (atomo più fiala più gatto) sarà con probabilità del 50% nella configurazione in cui l’atomo non è decaduto, la fiala di veleno è intatta, il gatto è illeso. Ma con altrettanta probabilità il fisico si troverà davanti all’atomo decaduto, il veleno liberato e il gatto morto.

Quando il fisico apre la stanza, la meccanica quantistica dice (nella sua interpretazione più usuale) che avviene un processo di “misurazione”. In generale, questo processo forza il sistema misurato a compiere una scelta. Se per esempio il fisico avesse più convenzionalmente deciso di osservare il solo atomo, gli avrebbe imposto, al momento convenuto, di “compiere una scelta”. Un attimo prima della misura l’atomo si sarebbe trovato in uno stato di sovrapposizione tra l’essere decaduto o meno. Un attimo dopo la misura, l’atomo si sarebbe trovato nello stato “decaduto” o in quello “intatto”: senza sovrapposizione.

Questo postulato della meccanica quantistica può sembrare strano al neofita. Ma trasferirlo al mondo macroscopico dell’esperienza quotidiana eleva questa stranezza al rango di paradosso. Torniamo infatti al nostro gatto. La sovrapposizione in due stati dell’atomo è adesso trasferita — sembrerebbe — anche a un oggetto macroscopico di esperienza quotidiana. È l’intero sistema della stanza (atomo più fiala più gatto) a essere in uno stato di sovrapposizione di due possibilità. .

La cosiddetta “interpretazione di Copenhagen”, secondo cui la scienza è fatta dagli umani, non tratta che delle misurazioni che questi compiono, di più non è lecito chiedersi: domande su cosa sia dello stato prima della misura sono senza significato. (La maggior parte dei fisici ha in effetti rinunciato a queste domande accontentandosi pragmaticamente degli spettacolari risultati sperimentali della teoria: un approccio che Feynman battezzò “zitto e calcola”.)

Schrödinger fece notare col suo paradosso le difficoltà di questo punto di vista. Il momento della misurazione è, come ricordato più sopra, quello in cui lo stato cessa di essere in una sovrapposizione di più possibilità, e compie una scelta. Se si svuota questo processo di connotazioni umane o psicologiche (ragione per cui alle volte si parla semplicemente di riduzione della stato invece di misurazione), non è più così naturale pensare che la misurazione o riduzione avvenga quando la coscienza umana entra in gioco. La fisica non dovrebbe trattare in fin dei conti gli esseri umani in modo speciale.

Entrambe le possibilità potrebbero in fin dei conti essere entrambe vere, il gatto morto e il fisico che ne vede il cadavere, e il gatto vivo col fisico che ne prende atto. Questa è più o meno l’interpretazione dei “molti mondi” proposta da Everett nel 1957. Ad ogni simile biforcazione, tutte le possibilità coesistono in universi paralleli che non interagiscono.

Questa proposta ha, non sorprendentemente, attirato enormemente l’attenzione dei mezzi di comunicazione. Ma anche di qualche fisico: recentemente il fisico Max Tegmark ha proposto provocatoriamente un “suicidio quantico” in cui uno sperimentatore sottopone se stesso, invece di un gatto, a un esperimento potenzialmente fatale, magari con possibilità molto alte a proprio sfavore. Se la teoria dei molti mondi è corretta, non c’è da avere paura: in almeno uno dei mondi paralleli lo sperimentatore rimarrà vivo.

In ogni caso, molti fisici sono rassicurati dal progresso relativamente recente nella comprensione della cosiddetta decoerenza. I sistemi quantistici in sovrapposizione di stati sono caratterizzati dalla possibilità di interferenza tra questi stati. La decoerenza è la perdita di questa possibilità dovuta all’interazione dinamica con l’ambiente. Nell’esempio del gatto, i due stati perdono la possibilità di interferire tra loro immediatamente dopo l’apertura della stanza; ma questo è ormai compreso come un processo dinamico, che avviene in tempi brevissimi (e stimabili con qualche ipotesi semplificativa), e non come un postulato filosofico come nell’interpretazione di Copenhagen. La decoerenza non chiarisce cosa avviene alla biforcazione, ma almeno spiega come mai il problema non riguarda il mondo classico della nostra esperienza quotidiana, e rende meno mistica l’interpretazione del processo di misura.

Il problema è comunque ancora aperto; oltre a quelle già ricordate, ci sono diverse altre interpretazioni. Per esempio, la teoria delle “storie consistenti” (che fa uso essenziale della decoerenza), la cosiddetta meccanica di Bohm, l’interpretazione transazionale… Una possibilità più radicale, infine, è di apportare modifiche alle regole matematiche della meccanica quantistica(secondo la piu’ semplice interpretazione di Albert Einstein).

Nato per contestare l’interpretazione probabilistica e dualistica della meccanica quantistica, il paradosso del gatto di Schrödinger diventò successivamente uno degli esempi più noti per mettere in luce le implicazioni filosofiche e misteriose della fisica quantistica, come se lo scopo del fisico fosse quello di mostrare nuove vie di riflessione, e divenne così spesso il punto di partenza per approfondimenti filosofici dati da conseguenze che lui voleva mettere in ridicolo. Quando si dice ironia della sorte!

Il paradosso del gatto non mise affatto tutti d’accordo, infatti, nel corso di una sua conferenza del 1952 dal titolo L’immagine attuale della materia, tenuta dallo stesso Schrödinger, a 17 anni di distanza dalla pubblicazione del paradosso, la questione tornò alla ribalta. In questa occasione affermò che la materia in quel momento storico si poteva definire “vacillante e malsicura” e che all’epoca dei fatti non esisteva un’immagine oggettiva della realtà. Il fisico, noto per la sua equazione, arrivò ad affermare che l’immagine della materia che doveva costruire non esistesse affatto in quel momento e che esistevano tutt’al più frammenti con un valore di verità solamente parziale.

Ciò che traspare dalle parole del noto fisico è una completa insicurezza e un senso di impotenza.

La materia appare ambivalente, da una parte viene descritta come un’insieme di atomi e di particelle, dove ogni unità ha un suo ruolo e soprattutto una propria individualità, e dall’altra abbiamo il concetto di campo, dove non si parla più di una particella che provoca un effetto, ma di un tutt’uno, di un’intera regione di spazio, di un campo, che agisce attraverso delle onde, esercitando una forza in un punto non definito. “L’opinione oggi più accertata è piuttosto che tutto, assolutamente tutto, è a un tempo particella e campo. Tutto ha nello stesso tempo la struttura continua, ben conosciuta, del campo, come anche la struttura discreta, ben conosciuta, della particella.” (HEISENBERG 2002, p. 41).

Albert Einstein, pur avendo contribuito alla nascita della meccanica quantistica, criticò sempre la teoria dal punto di vista concettuale. Per Einstein era inconcepibile che una teoria fisica potesse essere valida e completa  pur descrivendo una realtà in cui esistono delle mere probabilità di osservare alcuni eventi e in cui queste probabilità non sono statistiche ma ontologiche. Le critiche di Einstein si riferiscono alla meccanica quantistica nella “interpretazione” di Bohr e della scuola di Copenaghen .

(Einstein e Bohr)

Einstein non accettava l’assunto della teoria in base al quale qualcosa esiste solo se viene osservato, sosteneva inoltre che la realtà (fatta di materia, radiazione, ecc…) sia un elemento oggettivo, che esiste indipendentemente dalla presenza o meno di un osservatore e indipendentemente dalle interazioni che può avere con altra materia o radiazione. Bohr, al contrario, sosteneva che la realtà (dal punto di vista del fisico, chiaramente) esiste o si manifesta solo nel momento in cui viene osservata anche perché, faceva notare, non esiste neanche in linea di principio un metodo atto a stabilire se qualcosa esiste mentre non viene osservato. È rimasta famosa, tra i lunghi e accesi dibattiti che videro protagonisti proprio Einstein e Bohr, la domanda di Einstein rivolta proprio a Bohr “Allora lei sostiene che la Luna non esiste quando nessuno la osserva?”. Bohr rispose che la domanda non poteva essere posta perché concettualmente priva di risposta, ma famosa rimase l’affermazione finale di Einstein:”Dio non gioca a dadi”.

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