Il gatto di Schrödinger nella vita reale

Gli scienziati sostengono sia possibile dimostrare come il gatto di Schrödinger potrebbe esistere nella vita reale, e non solo negli esperimenti mentali. Utilizzando oggetti quantistici sempre più grandi, affermano, un gatto a due stati sovrapposti sembra inevitabile. Ora agli scienziati non resta che scoprire cosa impedisce la sovrapposizione nei più grandi oggetti quantistici.

Cos’è l’esperimento mentale del gatto di Schrödinger? È un esperimento ideato da Erwin Schrödinger fisico austriaco vincitore del Nobel per la fisica nel 1933, che in realtà non possedeva un gatto, ma che lo rese protagonista di un esperimento mentale che venne battezzato “paradosso del gatto di Schrödinger“. Il paradosso ha condotto a una nuova comprensione della meccanica quantistica.

Schrödinger immaginò appunto un gatto dentro una scatola sigillata e, insieme al gatto, un meccanismo che, nell’arco di tempo in cui il gatto stava nella scatola – ovvero un’ora – poteva scattare e causare il rilascio di un veleno (letale per il gatto) oppure no, con uguale probabilità. L’osservatore non è ha conoscenza di cosa avviene dentro la scatola e quindi, trascorsa l’ora non è in grado di dire se il gatto sia ancora in vita o sia deceduto: può solo dire qual è la probabilità di ciascuna delle due situazioni, ovvero il 50 per cento per ognuna.

Siamo quindi in una condizione di indeterminazione nella quale non si conosce la sorte del povero felino. Ovviamente, per sciogliere il dubbio, l’unica opzione è aprire la scatola e guardare dentro: nel farlo l’indeterminazione collassa e si acquisisce una certezza circa lo stato del gatto.

Adottando un punto di vista differente si può ragionare ammettendo che il gatto dentro la scatola è allo stesso tempo vivo o morto con la stessa probabilità. Proprio questo è l’assunto alla base del paradosso ideato da Erwin Schrödinger. Sembra ovvio che parlare di un essere vivente vivo o morto nello stesso istante sembra non avere senso. Però quando si parla di particelle come ad esempio un elettrone che può avere due stati differenti prima di una misurazione è un’idea ottima che spiega alcuni fenomeni che avvengono nel mondo microscopico.

Il paradosso di Schrodinger vuole riproporre l’indeterminazione che funziona molto bene per le particelle atomiche (il mondo microscopico), a oggetti o creature del nostro mondo ordinario (il mondo macroscopico). Parlare di gatti che possono essere vivi e morti allo stesso tempo è certamente paradossale, però si tratta di un paragone che vuole evidenziare la stranezza del comportamento delle particelle atomiche: se un essere vivente si comportasse come loro allora si potrebbe considerarlo vivo e morto nello stesso tempo.

Dopo molti dibattiti, la comunità scientifica dell’epoca raggiunse un consenso con “l’interpretazione di Copenaghen. Questa interpretazione  fondamentalmente afferma che la meccanica quantistica può essere applicata solo ad atomi e molecole, ma non può descrivere oggetti molto più grandi.

Forse si sbagliavano.

Come spiega il ricercatore Stefan Forstner: “Negli ultimi due decenni circa, i fisici hanno creato stati quantistici in oggetti composti da trilioni di atomi, abbastanza grandi da essere visti ad occhio nudo. Tuttavia, questo non ha ancora incluso la sovrapposizione spaziale“.

Ma come fa una funzione d’onda a diventare un oggetto “reale”? Questo è ciò che i fisici chiamano il “problema della misurazione quantistica”. Se esiste un meccanismo che rimuove il potenziale di sovrapposizione quantistica da oggetti di grandi dimensioni, dovrebbe in qualche modo “disturbare” la funzione d’onda e questo disturbo creerebbe calore. Se il calore viene rilevato, ciò implica che la sovrapposizione quantistica su larga scala è impossibile. Se tale calore viene escluso, è probabile che alla natura non dispiaccia “essere quantistica” anche nel mondo macroscopico. In quest’ultimo caso, con l’avanzare della tecnologia potremmo mettere grandi oggetti, forse anche esseri senzienti, in stati quantistici.

I fisici non sanno ancora quale sia il processo che  prevenga le sovrapposizioni quantistiche su oggetti macroscopici. Secondo alcuni si tratta di un campo cosmologico sconosciuto. Altri sospettano che la gravità possa avere qualcosa a che fare. Negli ultimi dieci anni, i fisici hanno cercato una traccia di calore che indicasse un disturbo nella funzione d’onda. Per scoprirlo, occorre un metodo in grado di sopprimere (il più perfettamente possibile) tutte le altre fonti di calore “in eccesso” che potrebbero ostacolare una misurazione accurata. Dovremmo inoltre tenere sotto controllo un effetto chiamato “backaction” quantistico, in cui l’atto di osservare crea calore.

Nella ricerca effettuata, spiega Fostner, si è cercato di ideare un esperimento, che potrebbe rivelare se la sovrapposizione spaziale è possibile per oggetti di grandi dimensioni. I migliori esperimenti finora non sono stati in grado di raggiungere questo obiettivo.

L’esperimento ideato da Fostner e dal suo team usa risonatori a frequenze molto più alte di quelle usate abitualmente. Come gli sperimenti precedenti, occorre un sistema che porti la temperatura a 0,01 gradi Kelvin sopra lo zero assoluto. Con questa combinazione di temperature molto basse e frequenze molto alte, le vibrazioni nei risonatori subiscono un processo chiamato “condensazione di Bose”. Si dovrebbe utilizzare inoltre una diversa strategia di misurazione che non guarda affatto al movimento del risonatore, ma piuttosto alla quantità di energia che possiede. Questo metodo sopprimerebbe il calore di backaction.

Singole particelle di luce entrerebbero nel risonatore e rimbalzerebbero avanti e indietro un paio di milioni di volte, assorbendo l’energia in eccesso. Alla fine abbandonerebbero il risonatore, portando via l’energia in eccesso. Misurando l’energia delle particelle di luce che escono, sarà possibile determinare se c’era del calore nel risonatore. Se fosse presente calore, ciò indicherebbe che una fonte sconosciuta ha disturbato la funzione d’onda. E questo significherebbe che è impossibile che la sovrapposizione avvenga su oggetti macroscopici.

L’esperimento proposto da Fostner è impegnativo. Potrebbero volerci anni di sviluppo, milioni di dollari e molti abili fisici sperimentali. Potrebbe però rispondere a una delle domande più affascinanti sulla nostra realtà: è tutto quantistico quello che ci circonda? Per Fostner è importante capirlo.

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