L’interpretazione della meccanica quantistica

Abbiamo visto nello scorso articolo l’importanza della scoperta dell’effetto fotoelettrico.

Nel 1923 Arthur Holly Compton fece un esperimento inviando un fascio monocromatico di raggi X su un blocco di grafite e misurò la direzione e l’intensità dei raggi X uscenti.

L’esperimento evidenziò che la radiazione uscente veniva deviata in tutte le direzioni e che la frequenza dell’energia in uscita era molto più piccola di quella del fascio in entrata. La logica spiegazione di tali riscontri era che i singoli fotoni urtassero contro gli elettroni della materia e, colpendoli, fossero deviati e perdessero essi stessi energia; in pratica si comportavano come palle da biliardo che ne colpivano altre.

La teoria ondulatoria avrebbe previsto che la radiazione elettromagnetica, interagendo con gli atomi di grafite, avrebbe dovuto mantenere la stessa frequenza della radiazione incidente e inoltre che la deviazione dei raggi X derivata dal passaggio nella grafite avrebbe dovuto essere molto minore.

La scoperta dell’effetto Compton convinse in maniera pressoché definitiva la comunità scientifica che la radiazione elettromagnetica possedeva anche una natura corpuscolare.

Compton ottenne il Nobel per la Fisica nel 1927 grazie a questa scoperta.

Considerare l’energia come composta da quantità discrete (corpuscoli) e non da onde era l’unico modo per interpretare correttamente i dati sperimentali derivanti dallo studio dell’effetto fotoelettrico e dell’effetto Compton. Veniva così resa evidente la natura corpuscolare della luce e si apriva la strada ai paradossi della Meccanica Quantistica, quale ad esempio la doppia natura ondulatoria e corpuscolare dei quanti, che vedremo in seguito.

La meccanica quantistica fornisce molte informazioni sulla realtà e permette di spiegare dei fenomeni altrimenti inspiegabili con la fisica classica. Non è un lusso di cui si può fare a meno ma una teoria fisica indispensabile per comprendere ciò che ci circonda. Ma qual è il quadro di riferimento generale a cui la meccanica quantistica riconduce? Quale tipo di realtà viene in effetti descritta? Su questo non c’è alcun accordo e qui nascono le molteplici interpretazioni che andremo di seguito a conoscere.

La cosiddetta “Interpretazione di Copenaghen” è stata sviluppata soprattutto da Niels Bohr e da Werner Heisenberg  (con  Pauli, Dirac, Born ed altri), negli anni 1924-27. Rappresenta l’interpretazione standard della meccanica quantistica ed è a questa visione che Einstein si oppose fortemente.

Secondo questa interpretazione la funzione d’onda descrive un insieme di possibilità tutte co-presenti e solo il processo della misura la fa collassare in un unico e solo stato osservabile. Secondo questa interpretazione la realtà è probabilistica e non è determinata a priori (viene negato il “realismo” e il “determinismo”), il ruolo dell’osservatore è quindi cruciale.

Interpretazione di De Broglie-Bohm: questa interpretazione (“Guide Wave Interpretation”) fu proposta originariamente da Louis de Broglie e poi migliorata e sostenuta da David Bohm. Fa parte del gruppo detto “a variabili nascoste”. Secondo questa teoria ad ogni tipo di particella è associata un’onda (“onda pilota”) che guida il moto della particella.

L’onda pilota è ben reale e permea tutto l’universo, costituendone l’ordine implicato (non manifesto), che Bohm considera avere una struttura ologrammica, in quanto lo schema globale è riprodotto in ogni sua singola parte. Quello che noi possiamo osservare è solo l’ordine esplicato, che risulta dall’elaborazione che il nostro cervello effettua delle onde di interferenza.

Poiché Bohm riteneva che l’universo fosse un sistema dinamico, utilizzò il termine “Olomovimento” per descrivere la natura del cosmo.

Nello spiegare il processo di entanglement (correlazione), Bohm afferma che le due particelle che noi vediamo come distinte ma interconnesse sono una cosa sola ad un livello di realtà più profondo. Se due telecamere differenti riprendessero lo stesso pesce in un acquario, infatti, noi potremmo avere la percezione di vedere due pesci stranamente interconnessi tra loro. Ogni cambiamento nei movimenti dei due pesci, infatti, sarebbe sincrono.

Ciò che nei due televisori sembra diviso, noi sappiamo trattarsi di un’unica entità nell’acquario. Allo stesso modo le due particelle entangled costituirebbero un’unità su un piano di realtà più fondamentale di quello che i nostri sensi percepiscono.

L’interpretazione statistica è un’estensione dell’interpretazione probabilistica di Max Born della funzione d’onda. La funzione d’onda non viene considerata un’entità reale e viene negato che possa essere applicata ad un sistema individuale (come un fotone o una particella); essa descrive semplicemente il comportamento statistico di un insieme di sistemi, allo stesso modo in cui le leggi probabilistiche descrivono il comportamento delle molecole di un gas nel suo insieme.

I misteri dei quanti non sarebbero affatto diversi dai “misteri” relativi ai numeri che potrebbero uscire da un lancio di dadi. Il dualismo onda/particella non esiste proprio in questa interpretazione!

Einstein fu un convinto sostenitore dell’interpretazione statistica e disse:

“Il tentativo di concepire la descrizione quantistica teorica come la descrizione completa dei sistemi individuali porta a interpretazioni teoriche innaturali, che diventano immediatamente non necessarie se si accetta che l’interpretazione si riferisca ad insiemi di sistemi e non a sistemi individuali”.

Non esiste, a tutt’oggi, una interpretazione della meccanica quantistica univoca e condivisa da tutti; esistono solo molte interpretazioni sulla realtà che sottende determinati fenomeni.

Erwin Schrödinger nel 1935 propone alla comunità scientifica un esperimento mentale (ideale), con lo scopo di evidenziare le palesi incongruenze della teoria quantistica con l’ordinaria percezione della realtà.

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 viene azionato 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… dopo aver quindi aspettato un’ora che cosa troveremo all’apertura della scatola?

La funzione d’onda ci dice che il gatto è in uno stato di superposizione, 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, fino a quando l’osservazione non è avvenuta, due stati evidentemente opposti e inconciliabili sono entrambi presenti!

L’esperimento è stato congegnato per traslare i paradossi quantistici presenti nella realtà subatomica nella realtà macroscopica e dimostrare la loro insostenibilità o quantomeno la loro incompletezza.

Secondo la teoria della decoerenza quantistica il gatto non sarebbe mai in stato di superposizione, indipendentemente dall’osservazione o meno, perché 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! Nell’interpretazione di Copenhagen sostenuta da Bohr, invece, solo al momento della misura (cioè dell’osservazione) potremo avere la scelta di uno stato piuttosto che di un altro.

Questo paradosso ci fa riflette su come voler 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 descritto dalla fisica classica che sembra essere generato dall’interazione di ciò che è in superposizione con un osservatore o con l’ambiente stesso.

La prossima volta capiremo quali sono questi stati e chi, con la sua “indeterminazione”, ce li spiegò.

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