Scienza leggera: alcune “bizzarrie” della fisica quantistica

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Può un gatto essere vivo o morto allo stesso tempo? Può un oggetto essere in due posti diversi nello stesso momento? La realtà esiste se noi non la osserviamo? E infine: esiste un solo Universo o infiniti universi paralleli?

Il “gatto di Schrödinger” è un famoso paradosso scientifico che illustra le “stranezze” della meccanica quantistica

Normalmente si crede che la scienza e gli scienziati abbiano a che fare con ciò che è certo, esatto: o bianco o nero. Lo stesso aggettivo “scientifico” nella sua accezione più comune è sinonimo di “rigoroso”. Eppure, da ormai un secolo gli scienziati (o almeno una parte) devono accettare il fatto che non solo la risposta esatta ad alcune domande (quali ad esempio alcune di quelle scritte sopra) non esiste, ma che lo stesso porsi certe domande non ha significato.

Tutto cominciò a cavallo tra ‘800 e ‘900, quando i fisici furono costretti a ripensare completamente la loro disciplina per spiegare alcuni fenomeni che la fisica classica non era in grado di spiegare. Nacque così la meccanica quantistica, una teoria che descrive il comportamento del mondo microscopico (come ad esempio ciò che accade negli atomi). Il fatto è che, nonostante il suo evidente successo, questa teoria porta con sè stranezze e stramberie che appaiono assurde agli occhi dell’uomo comune, ma anche ad alcuni stessi fisici, tra cui lo stesso Einstein che non ne accettò mai alcuni aspetti, venendo poi smentito dagli esperimenti (sì, avete capito bene: Einstein si sbagliò, almeno su alcune cose).

Nel 1906 al fisico inglese J. J. Thomson venne assegnato il premio Nobel per la fisica per aver scoperto l’elettrone, dimostrando che si trattava di una particella. Trentuno anni dopo, suo figlio, G. P. Thomson venne insignito del premio Nobel per aver dimostrato che l’elettrone era un’onda. Chi aveva ragione? Tutti e due, padre e figlio, entrambi i premi Nobel sono meritati. Perché l’elettrone è sia un’onda, sia una particella (così come qualsiasi altra cosa…compresi noi stessi). Ciò che accade è che se prepariamo un esperimento per verificare che l’elettrone è una particella, esso ci si rivela come tale, ma se l’esperimento è volto a dimostrare che si tratta di un’onda, l’elettrone si comporta come un’onda. Qual è la realtà? Entrambe le cose o nessuna delle due cose. Siamo noi osservatori a determinare come la realtà ci appare. Di più: la realtà – come noi la concepiamo normalmente – semplicemente non esiste fino a quando noi non la osserviamo: siamo noi – osservandola ossia interagendo con essa – a “crearla”. Non solo quindi non è possibile rispondere alla domanda: le cose sono onde o particelle?, ma la domanda stessa è priva di senso. Tra parentesi: nel mondo macroscopico le cose non mostrano il loro comportamento ondulatorio per questioni “tecniche”, ma qualsiasi cosa, anche noi stessi, è allo stesso tempo una “particella” e anche un’onda.
[cliccate qui per maggiori spiegazioni e sulla storia di un famoso esperimento a riguardo portato a termine a Bologna]

Una parentesi: qui non si sta parlando delle idee strambe di qualche ciarlatano o di extra-terrestri che hanno costruito le piramidi, bensì di teorie ricavate da equazioni matematiche, in molti casi confermate da evidenze sperimentali e quotidianamente trattate dai maggiori fisici al mondo, rigorosissimi e serissimi scienziati.

Anche se è difficile da accettare, un’altra stranezza è che un elettrone può essere in due posti diversi nello stesso momento. Non si tratta solo di una teoria, bensì di un fatto confermato da numerosi esperimenti. Questo fenomeno è osservabile solo per oggetti molto, molto piccoli, ma è vero per qualsiasi oggetto: anche noi – matematicamente – non siamo esattamente in un posto preciso dello spazio. Come detto all’inizio, diversi tra gli stessi fisici che contribuirono all’inizio del secolo scorso allo sviluppo di questa teoria, rimasero esterrefatti e scettici a riguardo, e provarono a dimostrare di essersi sbagliati (!) o perlomeno a cercare spiegazioni più intuitive che risolvessero questi paradossi. Senza peraltro riuscirci.

Il fisico Erwin Schrödinger (Vienna, 12 agosto 1887 – Vienna, 4 gennaio 1961)

La bizzarria secondo cui la realtà come noi la intendiamo prende forma solo quando noi la osserviamo condusse Schrödinger (uno dei padri della meccanica quantistica) ad immaginare un esperimento mentale che è il simbolo di queste assurdità. Immaginiamo di mettere un gatto dentro ad una scatola insieme ad un atomo radioattivo, un rivelatore di particelle e una capsula che contiene veleno. In un dato momento, per la sua natura radioattiva, l’atomo emetterà una particella che verrà registrata da un rivelatore che a sua volta farà scattare un meccanismo che libererà il veleno che ucciderà il gatto. Tutto dentro la scatola.

Fino a quando noi non osserviamo cosa è accaduto nella scatola, la meccanica quantistica (rigorose equazioni matematiche) ci dice che l’atomo ha emesso e non ha emesso la particella, ossia il veleno si è liberato e non si è liberato, ossia il gatto è vivo e morto allo stesso tempo. Solo quando noi apriamo la scatola, la realtà ci si svela in una della due possibilità: il gatto sarà vivo o morto. Finché noi non osserviamo, ciò che è dentro la scatola è due cose allo stesso tempo. In altre parole – ci sono esperimenti raffinatissimi che lo dimostrano – basta guardare un oggetto per fargli cambiare comportamento. E’ assurdo, ma è così. Più tecnicamente si dice che la probabilità che il gatto sia vivo o morto è rappresentata da una descrizione matematica chiamata funzione d’onda. Appena guardiamo cosa fa il gatto, questa funzione collassa in uno dei due stati (stato “vivo” e stato “morto”), ossia il gatto (o qualsiasi oggetto) decide come mostrarsi a noi, ma prima entrambe le possibilità sono vere.

Questa interpretazione della meccanica quantistica è detta interpretazione di Copenhagen perché in quella città venne sviluppata intorno agli anni ’30 del secolo passato. Nonostante contenga concetti strampalati, questa visione tuttavia, introducendo l’idea del collasso della funzione di onda, ci riporta ad un mondo “rassicurante”, dove il gatto, alla fine, è vivo o morto, e non due cose allo stesso tempo.

Esistono però altre interpretazioni per spiegare questi fenomeni così stravaganti, ma il prezzo da pagare per accettarle è molto alto. Una tra queste è l’interpretazione degli universi paralleli, inizialmente formulata da un fisico americano di nome Everett nel 1957. Secondo questa idea – per rimanere all’esempio del gatto – quello che accade non è che il gatto ci si sveli essere vivo o morto quando noi lo osserviamo, ma la realtà si divide in tanti mondi paralleli. Uno di questi contiene il gatto vivo e l’altro Foto di Jumpiil gatto morto. In altre parole, esiste un numero enorme – forse infinito – di universi e qualsiasi cosa che ha avuto la possibilità di accadere in un certo modo nel passato, ma non è accaduta nella realtà in cui viviamo, è successa in qualcuno dei possibili universi. La realtà non è quindi interpretata come un’unica storia che si muove su un unico cammino, bensì come un albero a molti rami dove l’esito di ogni evento ha preso forma nel “suo mondo”, con la “sua storia”. Ogni cosa nel nostro Universo – inclusi noi stessi e anche l’Undici – ha un equivalente in altri universi che vivono “parallelamente” al nostro.

La teoria degli universi paralleli – qui spiegata in termini “colloquiali” – ha fondamenti matematici e fisici assai complessi e profondi che richiederebbero spiegazioni troppo complicate, ma resta il fatto che concettualmente ci richiede uno sforzo mentale ai limiti e anzi, direi oltre le nostre possibilità.

La storia della scienza è un continuo porre in discussione teorie e costruzioni mentali che appaiono “rassicuranti” e tutto sommato alla portata delle capacità immaginative della nostra mente. Tuttavia i fisici moderni cominciano a pensare che le domande che ci facciamo siano troppo “piccole” rispetto alle risposte che possiamo trovare e che semplicemente sia poco sensato porsele nei termini “rassicuranti” a cui siamo abituati.

Centinaia di anni dopo Galileo tendiamo ancora a spiegarci il mondo con visioni “atropo-centriche” e con interpretazioni che risolvano i paradossi della realtà, riconducendoci a concetti “afferrabili” dalla nostra mente. La meccanica quantistica da cent’anni sfida le nostre capacità mentali e la nostra “piccola” rappresentazione del mondo e forse le ha già lasciate indietro. Forse dovremmo accettare che le cose sono molto più complicate o perlomeno meno “afferrabili” e che i paradossi non sono paradossi…ma, per usare le parole del famoso fisico Feynman, sono “solo un conflitto tra la realtà com’è e come noi pensiamo che dovrebbe essere”.

Vedi anche: http://www.newscientist.com/special/seven-wonders-of-the-quantum-world

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3 commentiCosa ne è stato scritto

  1. agatarobles

    Si chiama “l’apparire del bello” il libro di Umberto Curi che dovrebbe uscire a giorni. Tra le altre cose, il saggio mette in relazione i diversi effetti della bellezza su Narciso e su Ulisse: il primo ne rimane abbagliato, viene da essa travolto e si perde; il secondo, Ulisse, in qualche modo se ne serve, la utilizza, ma i suoi beni più cari sono gli affetti, la patria, sono i pensieri che impediranno a tanta bellezza di annientarlo e ucciderlo. Ulisse, fermo nel suo scopo, nella sua volontà e nei suoi desideri, fa ritorno a casa. Tutto questo per dire che quello che noi facciamo è interpretare la realtà, attraverso regole e sistemi che chiamiamo scienza. Sperimentiamo la realtà e questo lo facciamo con il nostro pensiero e le nostre conoscenze ma non possiamo dire di essere noi a creare la realtà manmano che la sveliamo. Le montagne e i prati esistono, prima che la luce del sole ne sveli i colori. Noi ci limitiamo a dare nomi alle cose, ma le cose, a differenza di quanto pensavano i popoli primitivi, esistono a prescindere dai nomi. E il gatto, se lo sottoponiamo nel chiuso di una scatola all’azione di un veleno ad azione rapida “è morto” anche prima che noi lo si veda. Il nostro cervello, abile, abilissimo con le immagini, può creare tutti i mondi possibili ed è possibile che altri mondi esistano, fino a prova contraria e nelle playstation. Ma, intanto, quel gatto nella scatola è morto, credetemi.

  2. warez

    anche una donna prima di contrattualizzare i sentimenti per lei, ha una funzione d’onda complessa, che infatti invariabilmente ti acceca, confonde, disorienta, come in una sofisticata guerra elettronica, salvo poi, dopo il passo istituzionale o biologico (nascita di un figlio), la sua funzione d’onda collassa in qualcos altro che solo l’esperimento della convivenza potrà farti scoprire, questo qualcos altro lo decide lei e tutto sarà chiaro dopo aver aperto la black box. Schroedinger era un grande, ma non ha avuto le palle per un simile esperimento. Mentecatto.