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!

Non esiste più quel "locale" di una volta...

Basta digitare su di un motore di ricerca il termine "quantistico" oppure "entanglement" per capire che il significato prettamente scientifico di queste parole sia stato utilizzato per giustificare il nascere di movimenti mistico/religiosi in stile "new age": da dove nasce la connessione tra la seria ricerca dei fisici del secolo scorso e questa ondata di pseudo-spiritualità?

L'origine delle visioni più mistiche della meccanica quantistica devono essere ricercate nella sua interpretazione più ortodossa e primordiale, quella cosiddetta di Copenaghen, in cui si delineavano le caratteristiche di un mondo fisico nuovo, quello appunto quantistico, che non aveva più nulla a che vedere con quello classico del macrocosmo di cui tutti abbiamo esperienza quotidiana; in particolare nel mondo dei quanti, secondo l'interpretazione concordata dai maggiori esperti nel 1927, non valevano più i principi di realtà e di località, che ora cercherò di spiegare meglio.

Il realismo fisico, quello tanto caro ad Einstein, è definito dalla proprietà degli oggetti di possedere caratteristiche misurabili preesistenti all'osservazione (e quindi alla misurazione) per cui il fatto che un oggetto sia al centro di un esperimento o meno, non cambia la realtà fisica di quell'oggetto che si evolverebbe comunque indipendentemente dal nostro esame: la fisica dei quanti non sembrerebbe ammettere questa realtà perché ad ogni nostra misurazione l'oggetto quantistico (pensiamo ad un elettrone od un altra particella) cambia la propria caratteristica ed il proprio comportamento.

Per spiegare con un analogia questa evoluzione della fisica del microcosmo pensiamo a cosa accade quando immergiamo un termometro in un bicchiere pieno d'acqua per misurarne la temperatura: anche se in modo impercettibile l'immersione del termometro (che avrà una certa temperatura) andrà a turbare la temperatura dell'acqua nel bicchiere che però, essendo un oggetto macroscopico, non si accorgerà quasi della nostra azione; se però riduciamo sempre di più le dimensioni del bicchiere fino a fargli contenere una sola molecola di acqua, comprendiamo subito che il gesto di mettere a contatto il termometro con questa minuscola goccia, cambierà inevitabilmente la temperatura della stessa. Purtroppo ciò che accade a livello di particelle è ancora più complesso di ciò che ho provato a descrivere con l'esempio appena citato e comportamenti duali (onda o particella) hanno fatto emergere un mondo microscopico completamente bizzarro e casuale fino ad originare una interpretazione non realistica della fisica delle microcosmo: quindi secondo l'interpretazione di Copenaghen gli oggetti quantistici si trovano in una sovrapposizione di stati fino a quando qualcuno non li osserva (il famoso gatto vivo e morto di Schrödinger).

Il principio di non località è ancora più sconvolgente di quello del non realismo ed infatti è quello più  utilizzato dai vari santoni per giustificare una connessione universale che vedrebbe l'umanità ed il cosmo stesso in uno stato di entanglement: tralasciando le visioni mistiche, effettivamente a livello quantistico succede una cosa completamente lontana dalla nostra esperienza quotidiana che ci induce immediatamente a pensare più alla magia che alla scienza.
Se prendiamo due particelle create appositamente con caratteristiche complementari (ad esempio con spin opposti) e le allontaniamo ad enorme distanza una dall'altra, nel momento stesso in cui interagisco con una delle due, l'altra istantaneamente ed indipendentemente dalla distanza reagirà come se fosse collegata alla prima; in pratica si assiste ad un teletrasporto dell'informazione quantistica e questo ha creato speculazioni su possibili ed imminenti costruzioni della macchina per il teletrasporto, di invisibili connessioni celebrali tra tutti gli uomini sulla Terra, di possibili giustificazioni alla telecinesi e chi più ne ha più ne metta.

Innanzi tutto chiariamo immediatamente che entrambi i principi di non realtà e non località sono validi esclusivamente per il microscopico mondo delle particelle, poi specifichiamo che il principio di non realtà è stato messo in discussione da interpretazioni più moderne come la decoerenza quantistica e la meccanica di Bohm ed infine rassegnamoci al fatto che scendendo a scale infinitesimamente piccole la materia non si comporta come siamo abituati a pensare ed effettivamente il principiò di non località è stato dimostrato tramite il teorema di Bell e diversi esperimenti di tipo EPR.
Se fosse ancora vivo Einstein probabilmente dovrebbe rassegnarsi oggi al fatto che nonostante tutti i  suoi sforzi di dimostrare il contrario, non c'è proprio più il "locale" di un tempo...