di Enrico Maria Fenoaltea
COPENAGHEN, CENTRO DELLA RIVOLUZIONE DELLA FISICA MODERNA
Nei primi del Novecento il mondo della fisica vive una “crisi”, un’ondata di nuove scoperte portarono, infatti, alla formulazione di un diverso modo di interpretare alcuni fenomeni fisici e tale nuova concezione è alla base della fisica moderna. Ma perché parliamo di fisica in questo numero in parte dedicato alle tradizioni dei paesi scandinavi? Ce lo racconta Enrico Maria Fenoaltea, Dottore in Fisica di Base dell’Università di Padova.
Dott. Fenoaltea, ci ha omaggiato della sua disponibilità per parlare di fisica in questo numero della rivista dedicato ai paesi scandinavi. Effettivamente “googlando” le parole “fisica” e “Copenaghen” si viene rimandati alla dicitura “Interpretazione di Copenaghen”; a cosa si fa riferimento?
Come forse saprete, nei primi del Novecento ci fu una sorta di rivoluzione nel campo della fisica classica che portò alla nascita della fisica moderna. I personaggi a cui si deve questa scoperta, tra gli altri, furono Einstein, Compton, Bohr e Heisenberg. In particolare, questi ultimi due lavorarono a Copenaghen negli anni 20 e sembra, appunto, che fu proprio Heisenberg a coniare negli anni 50 la dicitura “Interpretazione di Copenaghen” per riferirsi alle nuove teorie formulate in quel periodo.
Come nacque questa rivoluzione nel mondo della fisica classica?
La “crisi” della fisica classica dei primi del Novecento ebbe inizio con gli esperimenti in cui si è osservato per la prima volta che la luce si comportava come se fosse composta di particelle, dette fotoni […]. Tali “particelle quantistiche” sono particelle la cui probabilità di essere trovate in una certa posizione è determinata dall’intensità di un’onda: la meccanica quantistica non è deterministica[…]. Secondo l’odierna interpretazione di Copenaghen della meccanica quantistica, le osservabili fisiche non preesistono alla misura e quindi la natura probabilistica dei processi fisici, nel contesto quantistico, non è epistemica ma intrinseca al sistema stesso. Ciò rende prive di senso supposizioni (di tipo deterministico) relative alle caratteristiche di un fenomeno prima della misura.
Quindi se è la misura che “genera” l’osservabile fisico, si può descrivere il sistema a prescindere dalla sua misura?
È proprio per investigare questa domanda che nacque il famosissimo paradosso di Schrödinger!
Cioè?
Erwin Schrödinger, nel 1935, indagò i risvolti di questa interpretazione a livello macroscopico tramite il suo celebre esperimento mentale, noto come “il gatto di Schrödinger”. Egli ipotizza un sistema costituito da una scatola di acciaio, al cui interno si trovano: un contatore Geiger con una sostanza radioattiva in quantità tale che ci sia una probabilità del 50% che, nel tempo di un’ora, uno dei suoi atomi si disintegri; una fiala di cianuro, che si romperà e rilascerà il veleno solo nel caso in cui avvenga la disintegrazione dell’atomo; un gatto, che dunque ha una probabilità del 50% di morire o rimanere in vita. Solo all’apertura della scatola sarà possibile verificare se il gatto sia vivo o morto, ma in quell’ora di tempo in che stato si trova l’animale? Se l’interpretazione di Copenaghen fosse vera per il gatto, allora esso si troverebbe in una sovrapposizione dei due stati, ovvero sarebbe sia vivo che morto. Questa situazione non è aderente alla realtà, ne consegue che, a livello macroscopico, afferma Schrödinger, l’interpretazione sopra citata contraddice il senso comune. Egli con questo esperimento mentale trovò un esempio di come un sistema classico possa essere in qualche modo associabile ad un sistema quantistico e debba, distaccandosi dall’esperienza comune, sottoporsi alle sue leggi.
E quindi cosa concluse Schrödinger?
Schrödinger, nel proprio trattato “Die Naturwissenschaften”, partendo da questo esempio, arriva ad affermare che le leggi della meccanica quantistica possono essere applicate soltanto in linea teorica a dimensioni macroscopiche, poiché esse nella realtà non possono essere indagate fisicamente isolandole dal loro ambiente. Infatti, il gatto e l’atomo radioattivo non potranno mai essere isolati dall’ambiente esterno e dunque interagiranno con esso (entagled), il che li renderà impossibili da descrivere come una sovrapposizione quantistica (cosiddetta perdita di coerenza).
E se volessimo concentrarci anche sul ruolo dell’osservatore?
Questo aspetto fu discusso dal fisico Eugene P. Wigner, nel suo trattato “Symmetries and reflections” (1967), tramite l’analisi del paradosso “L’amico di Wigner”. Lo scienziato immagina di stare in un sistema composto dalla scatola di Schrödinger e dal laboratorio in cui si trova, sorvegliata da un amico. Wigner si allontana per un’ora. Al suo ritorno egli non conosce la sorte del gatto né la conseguente reazione dell’amico, che dunque sono due stati sovrapposti (gatto morto-amico triste + gatto vivo-amico felice); l’unico modo per sciogliere il dilemma è chiedere all’amico, il quale, rispondendo, fa collassare la funzione d’onda, rendendo determinato lo stato del sistema (analogamente alla situazione del gatto di Schrödinger). La questione è: può essere il ruolo dell’amico semplicemente di osservatore, pur essendo egli parte del sistema? In altri termini: quando è corretto definire collassata la funzione d’onda? Per Wigner infatti lo è nel momento in cui l’amico gli riferisce la situazione, ma per l’amico essa collassa nell’istante in cui egli stesso guarda il gatto, quindi precedentemente al ritorno dello scienziato. È evidente che assume un ruolo determinante la presenza di un essere cosciente, l’amico in questo caso, in grado di compiere misure sul sistema […]. Nella propria pubblicazione Eugene P. Wigner si preoccupa di discutere in senso generale la questione sollevata in precedenza: egli afferma che le regole dettate dall’interpretazione di Copenaghen della meccanica quantistica sono valide solo nel caso in cui un sistema sia osservato da “lontano” in quanto, in caso contrario, si entrerebbe a far parte del sistema stesso e questa situazione non sarebbe descrivibile con le regole che si conoscono.
Quindi anche la fisica, nell’immaginario collettivo considerata la scienza “esatta” per eccellenza, non può prescindere dalla “coscienza”?
Beh, si è molto discusso su questo tema e il dibattito è certamente aperto, ma soffermandoci su quanto detto su Schrödinger e Wigner, possiamo dire che il soggetto osservatore assume un ruolo sempre più rilevante, in quanto coscienza. Vi lascio con una riflessione in merito, presa da una delle lezioni di Richard Feynman su questo argomento. Arrivederci!
“Quando osserviamo un certo fenomeno non possiamo fare a meno di disturbarlo in una certa quantità minima, il disturbo è necessario per la consistenza del punto di vista. L’osservatore fu talvolta importante nella fisica prequantistica, ma solo in senso piuttosto banale. Fu sollevato il problema: se un albero in una foresta cade e non vi è nessuno a sentirlo cadere, esso fa rumore? Un vero albero che cade in una vera foresta, fa rumore naturalmente, anche se lì non c’è nessuno. […] potremmo chiedere: c’è stata una sensazione del suono? No, le sensazioni, presumibilmente, hanno a che fare con la coscienza. E se le formiche siano coscienti, o se vi fossero formiche nella foresta, o se fosse cosciente l’albero, non lo sappiamo. Lasciamo il problema come sta.”
[Richard Feynman in una delle sue lezioni (1961-1963)]
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