venerdì, gennaio 23, 2015

Il gatto di Schrödinger (per newbie)

Alcune espressioni vengono citate per atteggiarsi a conoscitori di qualche argomento scientifico o letterario e diventano virali con l'aiuto dei media che utilizzano spesso riferimenti di tipo culturale per dare maggior credito ai contenuti che propongono: ho sentito negli ultimi anni utilizzare "il gatto di Schrödinger" per titoli di serie TV, in dibattiti, sui giornali e sulla rete, ma quanti hanno veramente inteso il senso del paradosso che lo scienziato aveva pensato ispirandosi forse al suo animale da compagnia?

La meccanica quantistica si basa su alcune ipotesi che ne determinano i meccanismi di calcolo ma che vanno accettate come fondamenta solide se si crede che la teoria sia completa e cioè che descriva tutti i parametri che la natura mette in gioco per far funzionare l'universo così come lo osserviamo; tra questi parametri però non ci sono le caratteristiche che normalmente utilizziamo per descrivere un oggetto macroscopico, come posizione e velocità. La conseguenza è che gli oggetti quantistici, per la teoria, non posseggono tali caratteristiche, almeno fino a quando non andiamo ad osservarli.

Provo a fare un parallelismo utilizzando come partenza una delle teorie più conosciute ed utilizzate ancora oggi: la gravitazione universale di Newton. La famosa formula, che ha funzionato alla perfezione fino al 1916 (anno della pubblicazione della relatività generale), dice che due corpi si attraggono proporzionalmente alla loro massa (più sono pesanti e più si attraggono) ed inversamente alla loro distanza (più sono lontani e meno si attraggono) ma non descrive in alcun modo i meccanismi che stanno dietro a tale attrazione; leggendo la formula si può soltanto immaginare una forza invisibile, la gravità, che agisce su tutti i corpi dotati di massa, ma non sapendo come tale forza si propaghi nello spazio ed a che velocità lo faccia. Ebbene, pur non conoscendo questi particolari, con quella formula l'uomo ha messo in orbita satelliti, sparato missili, calcolato e previsto i movimenti dei corpi celesti, etc...
Solo con Einstein e la sua relatività abbiamo compreso alcuni meccanismi di distorsione dello spazio-tempo e reso la teoria, oltre che infallibile nei calcoli, anche comprensibile nel funzionamento.

Tornando alla meccanica quantistica proprio la sua infallibilità predittiva ha fatto pensare che le ipotesi su cui fonda fossero una perfetta descrizione del funzionamento dell'universo e che i parametri in gioco fossero esaustivi, che non mancasse nulla, insomma che fosse una teoria completa, un po' come poteva sembrare a suoi tempi la teoria di Newton (sebbene molti fisici per anni non esitarono a criticare la gravità generale per la sua "superficialità").

Vorrei ribadire quali sono queste basi fondamentali così scandalose da aver innescato uno dei dibatti scientifici più aspri e profondi nella storia della fisica. Molto semplicemente una delle ipotesi di partenza della meccanica quantistica è che non ci possano essere informazioni inerenti ad un oggetto quantistico (es. un elettrone) fino a quando non si effettui una misura su di esso: detta così potrebbe sembrare una banalità perché anche nel mondo macroscopico per conoscere alcune informazioni dobbiamo eseguire delle misure. La differenza è che, se giochiamo con una palla, possiamo chiudere gli occhi (smettere di osservare equivale a smettere di misurare) ed essere certi che la palla, se tirata nella giusta direzione, ci colpirà in faccia, mentre  nel infinitesimamente piccolo le traiettorie delle particelle proprio non esistono e quindi la particella non avrà alcuna posizione (o velocità) fino a quando non andremo ad osservarla (e solo allora potrebbe colpirci in pieno)!! O almeno così la teoria quantistica ci racconta per poter funzionare bene.

Ed il paradosso? Il povero gatto viene chiuso in una scatola insieme ad un meccanismo che innesca la fuoriuscita di veleno nel momento in cui un atomo particolare decade (emette radiazione); siccome il decadimento è un meccanismo quantistico, nessuno potrà dire (seguendo i diktat della teoria) se l'atomo è decaduto o meno fino a quando qualcuno non aprirà la scatola. Fino ad allora l'atomo sarà in una sovrapposizione di stati (sia decaduto che non decaduto) e di conseguenza anche il malcapitato felino si troverebbe in uno stato latente di "morto" e "non morto" fino all'intervento del crudele scienziato che, aprendo la scatola ed osservando (cioè misurando), potrebbe dare notizie sulla salute del gatto e sul decadimento dell'atomo. Tutto ciò risulta incomprensibile per noi che viviamo in un mondo in cui, pur non osservando continuamente la luna, conosciamo bene la sua posizione ed anche possiamo prevederne l'influenza sulle maree (anche se è nuvoloso e non possiamo goderne la visione); nel mondo quantistico le cose sembrerebbero diverse ma è pur vero che queste sovrapposizioni di stati spariscono mano a mano che gli oggetti diventato più grandi e mi sento di rassicurare tutti i possessori di gatti: il vostro gatto probabilmente è vivo a casa che vi aspetta facendo le fusa!

domenica, gennaio 11, 2015

Coscienza e materia

Gli ominidi esistono da due milioni di anni, la vita sulla terra forse da cinque milioni. Al di là della possibilità che esistano altre civiltà aliene nell'universo, sicuramente la vita è stata la conseguenza di un evoluzione lenta e faticosa che è sfociata nel culmine attuale, apparentemente in modo casuale, apice in cui esseri senzienti scrutano il mondo e se stessi, alimentando la propria curiosità con domande sempre più profonde sulla natura che li ha partoriti e li circonda.
Questa premessa che sembrerebbe scontata, è invece indispensabile per cercare di percepire quanto ininfluenti siano stati, fino ad oggi, l'uomo e la sua coscienza nei confronti dell'evoluzione del universo, in divenire da circa 14 miliardi di anni; quello che la storia cosmologica ci insegna (rinnegato soltanto da uno sparuto gruppo di incalliti creazionisti), viene messo in discussione da alcune dottrine, incrociando temi di fisica quantistica e di metafisica, sostenendo che al centro dei fenomeni della natura c'è la coscienza umana, che con il suo sguardo implacabile cambia il corso degli eventi od addirittura in grado di creare gli eventi stessi.

Al di là del fatto che ognuno è libero di credere nella parapsicologia o all'esistenza di eventi come la psicocinesi, ciò che bisogna puntualizzare è che questi "fenomeni" non hanno giustificazioni per ora in ambito scientifico e che appoggiare una discussione su temi legati al potere della mente umana, semplicemente facendo riferimento alla meccanica quantistica, è una falsificazione di ciò che in realtà sappiamo.

Eppure gli scienziati hanno discusso per quasi un secolo dei paradossi della fisica quantistica molte volte sconfinando nelle speculazioni più incredibili, partendo dai gatti zombi (sia vivi che morti allo stesso tempo), passando appunto per il collasso della funzione d'onda ed arrivando alle teorie più articolate come quella degli infiniti universi paralleli che si creerebbero ad ogni scelta dell'osservatore. I fisici però hanno il diritto di scomodare la fantascienza, perché è il loro ambito quello di lanciare lo sguardo oltre il conosciuto, discutendo delle teorie più bizzarre, ma sempre sapendo in quanto studiosi competenti, che queste possono essere verificate o meno, ed in ultima analisi sparire senza nemmeno arrivare alla pubblicazione; meno diritti dovrebbero arrogarsi quelli che di scienza capiscono poco e saccheggiano le teorie per trovare appoggio ai loro quesiti mistici, cercando di far confluire il linguaggio scientifico in una discussione metafisica che non ha nulla a che vedere con i metodi empirici di cui la realtà fisica esige.

Una giustificazione alla confusione che la teoria quantistica ha portato in ambito interpretativo è proprio la sua perfezione predittiva: i calcoli che ne scaturiscono descrivono così bene il mondo che ci circonda che sembrerebbero il frutto di un modello teorico molto vicino ai meccanismi reali dell'universo. Quindi anche le ipotesi su cui poggia la teoria acquistarono credibilità ed il gatto contemporaneamente vivo e morto, rinchiuso nella sua scatola, aspettò incredulo pure lui, di essere "osservato" per mettere fine a quello stato imbarazzante di sovrapposizione. Mentre Einstein passava gli ultimi anni della sua vita a cercare di confutare questa reputazione di teoria completa, i risultati che di esperimento in esperimento giungevano dai laboratori di tutto il mondo sembravano smentire il genio tedesco e supportare la solidità dei principi e delle ipotesi su cui poggia la meccanica quantistica. Non dobbiamo dimenticare però che il primo sguardo, quello più ingenuo, verso una nuova scoperta lascia un imprinting notevole nella conoscenza di chi verrà dopo e sebbene negli anni siano stati fatti molti passi in direzioni diverse, rimane ancora la pietra miliare di quella che fu battezzata "interpretazione di Copenaghen" risalente al 1930 circa.

E' celebre tra i fisici il titolo ironico di una pubblicazione scientifica che intitolava all'incirca così:
Would Bohr be born if Bohm were born before Born?

Tralasciando il gioco di parole, sono stati in molti a chiedersi se quella primordiale interpretazione a cui appunto diede un grande contributo Niels Bohr, sarebbe rimasta così a lungo la più accettata, se invece altri contributi come quelli di David Bohm fossero giunti prima od avessero avuto maggior eco. Nei prossimi post proverò a riassumere i principi che stanno alla base delle diverse interpretazioni per cercare poi di capire dove le più recenti idee aprano degli spiragli nella comprensione di questo fantastico mondo delle particelle.