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In primo piano

[Scienza] La meccanica quantistica e il paradosso del gatto di Schrödinger, di Stefania Bergo

paradosso-gatto-Schrödinger-equazione-dirac

Da "Equazione di un amore" alla meccanica quantistica, parte I: la meccanica quantistica e il paradosso del gatto di Schrödinger spiegati alla signora Maria.


In fisica quantistica, nessun oggetto ha una posizione definita se non quando interagisce con qualcosa d’altro. Come se le cose non esistessero sempre, ma si materializzassero in un luogo preciso solo quando sbattono contro uno sguardo.
Equazione di un amore, di Simona Sparaco

Equazione di un amore è un romanzo di Simona Sparaco, ed. Giunti. Sono rimasta colpita, da nerd, per il coinvolgimento di una teoria fisica cui è deputato la descrizione di un legame sentimentale, un segno indelebile che due amanti lasciano nella vita l'uno dell'altra, indivisibili per sempre dopo aver intrecciato almeno un po' le loro anime in un amore senza fine, come se avessero senso di esistere solo nel momento in cui sono per qualcun altro.
Tuttavia, l'equazione presa in causa, per cui tutti sembrano avere ultimamente un'ammirazione estatica, arrivando addirittura a tatuarsela sulla pelle, cioè quella di Dirac, impropriamente ridotta a (∂ + m) ψ = 0, in realtà non ha nulla a che vedere con la teoria romanticamente resa dalla scrittrice. Dirac definì la sua creatura "l'equazione della bellezza", è vero, ma lui non pensava all'amore. Per un fisico la bellezza sta nella simmetria dell'universo. E infatti l'equazione suddetta descrive proprio la simmetria tra materia e antimateria. Mentre quanto scritto nell'incipt del romanzo ha a che fare con gli stati sovrapposti descritti da un'altra equazione, decisamente meno piacevole alla vista e difficilmente tatuabile.

Se mi permette signora Maria, la invito a seguirmi nuovamente in un viaggio, questa volta alla scoperta della meccanica quantistica, così magari mettiamo un po' d'ordine in questo minestrone di teorie ed equazioni approssimative. La prendo per mano e la porto nell'infinitamente piccolo, le va? Lasci pure "Equazione di un amore" sul tavolo, lo finirà poi...

Che cos'è la meccanica quantistica?

Nella meccanica quantistica, la branca della fisica che descrive il comportamento della materia molto, molto piccola, come le particelle atomiche, viene introdotto un modello che prevede un dualismo corpuscolare-ondulatorio.

Non si spaventi, signora Maria, le spiego meglio...

Se io fossi un elettrone, ad esempio, sarei un pallino ma per me non varrebbero le leggi della fisica del vecchio buon Newton, pur essendo caratterizzato da una massa e da altri parametri tipici della fisica classica; a differenza dei corpi massicci, come gli uomini e i pianeti, potrei essere visto anche come un'onda, tipo quelle del mare, caratterizzata da una frequenza di fluttuazione, che descrive quanto rapidamente mi muovo nello spazio, e da una lunghezza d'onda. Il mondo delle cose molto piccole, infatti, segue leggi diverse da quelle suggerite dal nostro intuito (dalla fisica classica di Newton) e anche se può sembrare incomprensibile  e assurda, la meccanica quantistica è una delle maggiori rivoluzioni della fisica del secolo scorso e probabilmente la descrizione della Natura più vicina alla realtà.

L'equazione di  Schrödinger

Tra i tanti fisici che hanno studiato il modello ondulatorio della materia, Schrödinger ha partorito quanto segue:


«Bleah!».
No signora Maria, non faccia così, mi lasci spiegare. Le prometto che arriveremo a quella teoria ritenuta così romantica...

Allora, tutta l'accozzaglia di lettere qui sopra, è un modo matematico per descrivere la natura ondulatoria della materiaψ(r,t) è detta funzione d'onda e ci racconta quali siano le caratteristiche di una particella, per esempio l'elettrone, o meglio tutti gli stati che può assumere.

Mi spiego meglio: se parlassimo di una persona, ad esempio della signora Franca, la sua vicina di casa, potremmo dire che la funzione d'onda descrive tutti gli stati d'animo che la signora Franca può assumere. 

Ma il volo pindarico di questa equazione è che le soluzioni non descrivono con precisione questi stati (d'animo), ma ne danno solo una probabilità. Ad esempio, l'equazione può esprimere la probabilità che un elettrone si trovi, in un dato istante, in un determinato punto dello spazio, ma non lo può affermare con certezza.

Tornando alla signora Franca, è come se potessimo solo supporre, anche se con buona probabilità, che sia felice, dato che di solito il lunedì c'è la sua soap opera preferita su Rete4, ma non possiamo affermarlo con certezza (magari oggi le gira male, chissà...). Anche se in realtà non potremmo applicare le leggi della meccanica quantistica alla signora Franca, dato che non è certo una particella subatomica, anzi, è pure in leggero sovrappeso.

Nella fisica quantistica non si parla di certezza, quindi, solo di probabilità. E funziona. Paradossalmente funziona.

Il paradosso del gatto e il ruolo dello "sguardo".

Un'altra caratteristica della meccanica quantistica, è che gli stati di cui dicevo sopra, esistono tutti simultaneamente e ne viene scelto uno solo nel momento in cui qualcuno osserva il sistema. Secondo il fisico tedesco Heisenberg (padre del Principio di Indeterminazione... ne parleremo un'altra volta, signora Maria) prima dell'osservazione, una particella vive soltanto in una condizione "potenziale", in cui tutti i suoi stati possibili sono sovrapposti. È l’atto di osservare che costringe l'elettrone, ad esempio, a passare dalla "condizione potenziale" alla "condizione reale", mantenendo uno solo di questi stati. Siamo noi osservatori, quindi, a determinare quale stato assuma la particella.
Questo, oltre ad essere paradossale perché non logico per noi abituati alla meccanica classica, suggerisce anche che esistano universi paralleli...

Ok, signora Maria, forse ho esagerato. Le spiego meglio facendo un esempio non mio, quello che Schrödinger stesso fece per chiarire la frase qui sopra. Con un gatto!


Il “Paradosso del gattofu formulato da Schrödinger nel 1935. Deriva da un immaginario esperimento in cui un gatto vine inserito in una scatola che può essere isolata, cioè chiusa ermeticamente. Nella stessa scatola, ci sono una sorgente radioattiva, un contatore geiger (misura le radiazioni) e una fialetta di veleno che viene rotta da un martelletto legato alla disintegrazione dell’atomo (per via della sua natura radioattiva). Riassumendo il funzionamento del meccanismo: quando la sorgente radioattiva, supponiamo uranio, decade, emette delle radiazioni che vengono rilevate dal contatore geiger; quando le rileva, aziona un martelletto che manda in frantumi la fialetta di veleno. E il gatto muore!
Ma perchè Schrödinger utilizza un esempio così articolato?
Perché, da bravo fisico, al contrario mio, non può utilizzare un esempio preso dalla realtà macroscopica che tutti possiamo constatare, dominata dalle leggi della fisica classica, per spiegare ciò che accade alla materia infinitamente piccola, descritta invece dalla meccanica quantistica. Può solo mettere in relazione le due realtà: ciò che succede al gatto è legato a ciò che succede all'atomo, in altre parole è la lente di ingrandimento degli eventi atomici, quantistici.
Ora, l’emissione radioattiva può avvenire o no, o meglio, ricordando che nella meccanica quantistica si parla solo di probabilità e non di certezza, possiamo dire che ci sia la stessa probabilità che l'atomo decada  emettendo radiazione (e di conseguenza il gatto sia morto) o che non decada affatto (e di conseguenza il gatto sia vivo), 50 e 50. Quindi, per l’ambiente esterno, cioè per noi che siamo lì a guardare la scatola chiusa, il gatto è sia vivo sia morto fino a che la scatola non viene aperta e guardiamo dentro.

Noti la differenza, signora Maria, tra l'affermare che il gatto possa essere vivo O morto, discorso tipico della fisica classica, e il dire che il gatto sia vivo E morto allo stesso tempo, discorso tipico della meccanica quantistica. 

Si parla, appunto, di stati (l'essere vivo o morto) sovrapposti, esistenti nel medesimo istante.
Con questa valutazione paradossale Schrödinger voleva spiegare che solo l’osservazione determina lo stato (la condizione del gatto), cioè, fino a quando non si osserva aprendo la scatola, non si sa se il gatto sia vivo o morto, o meglio, il gatto è sia vivo sia morto, come dicevamo, in una sovrapposizione di stati. Quando si apre la scatola, uno dei due stati collassa e resta solo l'altro, cioè lo stato "il gatto è vivo", ad esempio... e anche un po' irritato per essere stato chiuso tutto quel tempo. Questo, in modo del tutto affascinante, almeno per me, implica anche che ci siano due universi paralleli, uno in cui il gatto è vivo e uno in cui il gatto è morto, con al stessa probabilità di esistere, ed è solo l'osservazione che determina in quale dei due universi siamo.

Appare evidente che la concezione quantistica della realtà, riporti l’uomo, l’osservatore, al centro della scena. Il ruolo dell’osservatore è quindi quello di decidere il momento di porre fine ad uno stato sovrapposto e quindi far passare la materia da una "condizione potenziale" a una "condizione reale",  lo sguardo di cui parlava la Sparaco.

Ecco, per oggi mi fermo qui, credo abbia abbastanza informazioni da far decantare prima del prossimo viaggio nella meccanica quantistica (Entanglement quantistico, la fantasmatica azione a distanza), signora Maria. Continui pure con la lettura di "Equazione di un amore". 


Stefania Bergo
Non ho mai avuto i piedi per terra e non sono mai stata cauta. Sono istintiva, impulsiva, passionale, testarda, sensibile. Scrivo libri, insegno, progetto ospedali e creo siti web. Mia figlia è tutto il mio mondo. Adoro viaggiare, ne ho bisogno. Potrei definirmi una zingara felice. Il mio secondo amore è l'Africa, quella che ho avuto la fortuna di conoscere e di cui racconto nel mio libro.
Con la mia valigia gialla, 0111Edizioni.

About Stefania Bergo

Il blog culturale degli scrittori emergenti: letteratura, webmagazine, travel&living, arte, promozioni speciali e servizi editoriali.
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