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La parte più irreale della fisica quantistica è decisamente reale

Tempi strani per il gatto di Schrödinger.
04 febbraio 2015, 1:00pm

I fisici della University of Queensland, in Australia, stanno offrendo nuove prove a favore della realtà più logica eppure pienamente irreale della fisica quantistica: la fondamentale indeterminatezza della funzione d'onda, il calcolo mitico che sembrerebbe implicare la possibilità di sovrapporre realtà e verità.

I punti materiali subatomici nel mondo quantistico amano comportarsi come nuvole di possibilità (onde) anziché come punti, una caratteristica del "dualismo onda-particella," e l'interpretazione della faccenda è domanda aperta e fonte di grande amarezza tra i fisici. La nuova ricerca suggerisce che potrebbe darsi che la parte più strana dell'argomento sia realmente strana e controintuitiva come sembra.

Un po' di contesto:

La fisica quantistica con tutte le sue apparenti stranezze e bizzarrie è una faccenda di onde.

La realtà, quando è lasciata a se stessa, è indeterminata. Qui e sono, in realtà, probabilmente qui e probabilmente lì; è o non è in realtà significa probabilmente è e probabilmente non è. Il gatto di Schrödinger è probabilmente vivo e probabilmente morto. Niente, in sé, è solo probabilmente niente, il che significa che è probabilmente qualcosa. Probabilmente qualcosa significa non niente.

Tutta questa probabilità è data dalle funzioni d'onda, che sono davvero la cosa più importante. E possiamo guardare alle funzioni d'onda solo come principi di quanto qualcosa possa essere vero, come la posizione di un elettrone. Ma una funzione d'onda può essere rovinata se, diciamo, decidiamo di effettuare una misurazione abbastanza precisa per dire dove si trovi effettivamente la particella in un determinato momento. Una misura del genere "collassa" la funzione d'onda—spazzando via le sue informazioni probabilistiche, lasciandoci con solo la particella nel punto particolare nel momento particolare, non più in molti punti in molti momenti. Il che sono molte meno informazioni di quelle contenute nell'onda originale.

Matt Liefer, un ricercatore al Perimeter Institute for Theoretical Physics nell'Ontario, ha una buona spiegazione dell'intero casino tra funzioni d'onda/realtà sul suo sito. Ha elaborato il fenomeno in termini più precisi, del tipo: "Quando acquistiamo nuove informazioni riguardo lo stato epistemico classico (la variabilità casuale), per esempio misurando la posizione di una particella, quella subisce anche un cambiamento instantaneo. Tutto il valore che assegnamo ai punti nello spazio delle fasi che hanno posizioni diverse dai valori misurati è riportato a zero e il resto della variabilità casuale è rinormalizzata." (Qui la rinormalizzazione può essere pensata come un'improvvisa riduzione dall'indeterminatezza ad un valore effettivo.)

Se le particelle esistono in quanto reali e determinate entità quando le misuriamo, dobbiamo chiederci cosa fosse l'onda in principio. Ha fornito informazioni reali riguardo a un sistema probabilistico reale, ma cosa stavamo guardando? La realtà a grana fine è proprio così? Un mucchio di nuvole di possibilità dove le cose possono essere molte cose?

Questa è un'interpretazione, ma non la sola. L'alternativa è dire che la funzione d'onda è solo un principio riguardo ciò che siamo in grado di conoscere di un certo sistema particellare o, piuttosto, riguardo quali sono i limiti della nostra conoscenza del sistema. Dunque potremmo guardare alla descrizione probabilistica di una particella e dire che la particella IRL non ha scelto di trovarsi in una posizione esatta in un momento esatto, e sta davvero esistendo in una manciata di realtà possibili contemporaneamente, o potremmo dire che la particella è ovviamente in questo o quell'altro posto in qualsiasi momento, di sicuro, e semplicemente non abbiamo accesso a quelle informazioni finché non effettuiamo una misurazione.

Nei termini del gatto di Shröedinger, la domanda di prima sarebbe come chiedere se il gatto non osservato nella scatola con eguale probabilità di essere vivo o morto, sia sia vivo che morto, o se il gatto sia davvero semplicemente vivo o morto e noi descriviamo la situazione in modo probabilistico per ingannarci, perché non abbiamo accesso alle informazioni finché non apriamo la scatola.

L'esempio del gatto fa sembrare la domanda un po' goffa, perché ovviamente ò è vivo o è morto. Come può un gatto essere sia vivo che morto? Non può, ma le particelle non sono gatti, né sono lune. Einstein espresse così la sua frustrazione per la questione delle funzioni d'onda: "Crede davvero che la luna esista solo quando la si guarda?"

Immagine: Wikimedia Commons

"Un'interpretazione popolare che si libera di questo gatto zombie è che la funzione d'onda sia solo uno strumento matematico con solo una corrispondenza vaga con questa realtà sottostante," mi ha detto Alessandro Fedrizzi, autore principale di un nuovo studio su Nature Physics. "Se la funzione d'onda rappresenta meramente la nostra ignoranza, o conoscenza ridotta, dello stato effettivo del gatto—presumibilmente: assolutamente morto, o assolutamente vivo)—non ci sono problemi."

"Guardare nella scatola svela lo stato, fine della storia, le sovrapposizioni precedenti esistevano solo perché non sapevamo altro," ha spiegato Fedrizzi. "I nostri risultati, ad ogni modo, escludono questa particolare interpretazione della funzione d'onda. Mostriamo che se c'è una realtà sottostante, la funzione d'onda è in corrispondenza diretta con essa."

Pensate a cosa significa. Se la funzione d'onda non è solo un espediente matematico, ma una descrizione di una effettiva realtà IRL, il gatto è IRL, sia morto che vivo. I gatti ovviamente sono giganteschi aggregati di materia (come lo sono le lune) e in quanto tali non giocano secondo le stesse regole delle particelle, ma come principio fondamentale riguardo la natura della realtà, sarebbe difficile trovare qualcosa di meglio che la realtà al massimo della sua indivisibilità.

Dunque, come fa uno a provare che la mancanza di conoscenza implicata da una funzione d'onda è in realtà un principio sulla realtà—in cui una mancanza di conoscenza significa che c'è una reale mancanza di proprietà di cui avere conoscenza—piuttosto che un principio riguardo le nostre limitazioni in quanto osservatori?

La risposta comincia con quella che è nota come ortogonalità, che, nel senso più generale, significa che due cose sono ad angoli retti una rispetto all'altra, ma nel senso delle particelle significa che due proprietà non si sovrappongono.

"Una delle caratteristiche che definisce la meccanica quantistica è che non possiamo perfettamente distinguere gli stati quantistici a meno che non siano ortogonali uno rispetto all'altro," ha detto Fedrizzi. "Per restare all'esempio del gatto, 'vivo' e 'morto' sono ortogonali, dunque quei due li possiamo distinguere. Ma se gli stati non sono ortogonali, ad esempio 'vivo' contro 'vivo+morto,' non possiamo distinguerli perfettamente. Un esempio più rilevante per stati non ortogonali sarebbe la luce polarizzata. La luce può essere polarizzata verticalmente o orizzontalmente, e quei due stati sono ortogonali. Ma potrebbe anche essere polarizzata diagonalmente."

L'interpretazione di questa limitazione varia a seconda di come guardiamo alle funzioni d'onda. Se assumiamo che la funzione d'onda sia solo una rappresentazione della nostra limitata conoscenza di un certo sistema, allora possiamo dire che la polarizzazione diagonale e la polarizzazione orizzontale siano davvero solo rappresentazioni di qualche realtà più profonda, ma ancora non osservabile, in cui le due proprietà si sovrappongono. Dunque, la domanda in questi termini è se l'indistiguibilità di due proprietà non ortogonali significhe che sono davvero non indistinguibili, o se non possiamo distinguerle in quanto osservatori limitati, o meno.

"Considerate un mazzo di carte" ha offerto Fedrizzi. "Ora, c'è una variabile casuale di 'carte rosse,' e un'altra di 're.' Se ti chiedo di prendere una carta dal mazzo e dirmi a quale variabile casuale appartiene quella carta, tu sarai in linea di massima in grado di determinarlo. Ad ogni modo, se se ti capita un re rosso, non puoi. Perché il re rosso appartiene a entrambe le variabili: qui è dove si sovrappongono."

Facendola breve, nell'esperimento misuriamo quali siano queste sovrapposizioni di variabilità casuale, e scopriamo che non sono abbastanza ampie per spiegare completamente perché non possiamo distinguere certi stati quantici," ha detto Fedrizzi.

Dunque c'è qualcosa di più profondo che è reale e non è semplicemente un principio riguardo ciò che siamo capaci di osservare. "Mostriamo che se c'è una realtà sottesa, la funzione d'onda è in diretta corrispondenza con essa," ha detto Fedrizzi.

Benvenuti in un mondo di gatti in parte vivi in parte morti. Interpretate la cosa come vi pare.