Potrebbe esserci un modo per aggirare un problema relativo al gatto di Schrödinger, il famoso esperimento mentale basato su un gatto che descrive lo strano comportamento delle particelle subatomiche.
Lo sfortunato ed immaginario gatto è contemporaneamente vivo e morto all’interno di una scatola, o esiste in una sovrapposizione di stati “morto” e “vivo”, proprio come esistono particelle subatomiche in una sovrapposizione di molti stati contemporaneamente.
Guardare dentro la scatola, però, cambia lo stato del gatto, che diventa o vivo o morto.
Ora, tuttavia, uno studio pubblicato nel New Journal of Physics descrive un modo per dare una sbirciatina al gatto senza definirne il destino.
Nel mondo normale, il semplice guardare un oggetto non sembra cambiarlo. Ma ingrandendolo abbastanza, si scopre che non è così.
“Normalmente pensiamo che guardare non ci costi nulla“, ha spiegato l’autore principale dello studio Holger F. Hofmann, professore associato di fisica all’Università di Hiroshima in Giappone. “Ma questo non è corretto. Per guardare qualcosa, questa deve essere illuminata e la semplice presenza della luce cambia l’oggetto“. Questo perché anche un singolo fotone di luce trasferisce energia da o verso l’oggetto che stai osservando.
Hofmann e Kartik Patekar, che all’epoca era uno studente universitario in visita all’Università di Hiroshima ed è ora all’Istituto indiano di tecnologia di Bombay, si sono chiesti se esista un modo di guardare l’oggetto senza “pagare il prezzo”.
Il loro studio ha permesso di individuare una struttura matematica che separa l’interazione iniziale (guardare il gatto) dalla lettura (sapere se è vivo o morto).
“La nostra motivazione principale era guardare con molta attenzione al modo in cui avviene una misurazione quantistica“, ha affermato Hofmann. “E il punto chiave è che separiamo la misurazione in due passaggi“.
In questo modo, Hoffman e Patekar sono in grado di supporre che tutti i fotoni coinvolti nell’interazione iniziale, o sbirciare il gatto, siano catturati senza perdere alcuna informazione sullo stato del gatto.
Quindi, prima della lettura, tutto ciò che c’è da sapere sullo stato del gatto (e su e come guardarlo lo ha cambiato) è ancora disponibile.
È solo quando leggiamo le informazioni che ne perdiamo alcune.
“La cosa interessante è che il processo di lettura seleziona uno dei due tipi di informazioni e cancella completamente l’altro“, ha affermato Hofmann.
Ecco come hanno descritto il loro lavoro richiamandosi al gatto di Schrödinger.
Supponiamo che il gatto sia ancora nella scatola, ma invece di guardare all’interno per determinare se il gatto è vivo o morto, abbiamo installato una macchina fotografica fuori dalla scatola che può in qualche modo scattare una foto al suo interno (per il bene dell’esperimento mentale, ignora il fatto che le fotocamere fisiche non funzionano in questo modo).
Una volta scattata la foto, la fotocamera ha due tipi di informazioni: come il gatto è cambiato a seguito della foto scattata (ciò che i ricercatori chiamano un tag quantico) e se il gatto è vivo o morto dopo l’interazione.
Nessuna di queste informazioni è stata ancora persa. E a seconda di come si sceglie di “sviluppare” l’immagine, si recupera l’una o l’altra informazione.
Pensiamo al lancio di una moneta, spiega Hofmann.
Possiamo scegliere di sapere se una moneta è stata lanciata e sta volando in aria o se è atterrata su testa o croce. Ma non possiamo avere contemporaneamente entrambi gli stati. Inoltre, se sappiamo come è stato modificato un sistema quantistico e se tale modifica è reversibile, è possibile ripristinare il suo stato iniziale. (Nel caso della moneta, la rilanceresti.)
“Prima devi sempre disturbare il sistema, ma a volte puoi annullarlo“, ha detto Hofmann.
In termini di gatto, ciò significherebbe scattare una foto, ma invece di svilupparla per vedere chiaramente il gatto, svilupparla in modo tale da riportare il gatto al suo stato indeterminato di vivo e morto.
Fondamentalmente, la scelta di leggere, e quindi conoscere lo stato, comporta un compromesso tra la risoluzione della misurazione e il suo disturbo, che sono esattamente uguali, dimostra il documento. La risoluzione si riferisce a quante informazioni vengono estratte dal sistema quantistico e il disturbo si riferisce a quanto il sistema viene irreversibilmente modificato.
In altre parole, più dettagliatamente conosciamo lo stato attuale del gatto, più diventano irrimediabili le modifiche che provochiamo.
“Quello che ho trovato sorprendente è che la possibilità di annullare il disturbo è direttamente correlata alla quantità di informazioni che si ottengono sull’osservabile” o alla quantità fisica che stanno misurando, ha detto Hofmann. “La matematica è piuttosto precisa su questo“.
Sebbene lavori precedenti abbiano già indicato la possibilità di ottenere un compromesso tra risoluzione e disturbo in una misurazione quantistica, questo articolo è il primo a quantificare la relazione esatta, ha spiegato Michael Hall, un fisico teorico della Australian National University.
“Per quanto ne so, nessun risultato precedente ha la forma di un’uguaglianza esatta relativa alla risoluzione e al disturbo, questo rende l’approccio nel documento molto pulito“.
