La meccanica quantistica è nata negli anni ’20 e da allora gli scienziati non sono ancora riusciti a mettersi d’accordo su come interpretarla al meglio.
Molte interpretazioni, inclusa l’interpretazione di Copenaghen presentata da Niels Bohr e Werner Heisenberg, e in particolare l’interpretazione di von Neumann-Wigner, affermano che la coscienza della persona che conduce il test influenza il suo risultato.
D’altra parte, Karl Popper e Albert Einstein pensavano che esista una realtà oggettiva. Erwin Schrödinger presentò il famoso esperimento mentale che coinvolge il destino di uno sfortunato gatto che mirava a descrivere le imperfezioni della meccanica quantistica.
In un recente articolo, i finlandesi Jussi Lindgren e Jukka Liukkonen, che studiano la meccanica quantistica nel loro tempo libero, danno uno sguardo al principio di indeterminazione che è stato sviluppato da Heisenberg nel 1927.
Secondo l’interpretazione tradizionale del principio, la posizione e la quantità di moto non possono essere determinate simultaneamente con un grado di precisione arbitrario, poiché la persona che esegue la misurazione influenza sempre i valori.
Nel loro studio, però, Lindgren e Liukkonen hanno concluso che la correlazione tra una posizione e la quantità di moto, cioè la loro relazione, è fissa.
In altre parole, la realtà è un oggetto che non dipende dalla persona che lo misura.
Lindgren e Liukkonen hanno utilizzato l’ottimizzazione dinamica stocastica nel loro studio. Nel quadro di riferimento della loro teoria, il principio di indeterminazione di Heisenberg è una manifestazione dell’equilibrio termodinamico, in cui le correlazioni di variabili casuali non svaniscono.
“Le osservazioni suggeriscono che non vi è alcuna ragione logica per cui i risultati dipendano dalla persona che conduce la misurazione. Secondo il nostro studio, non c’è nulla che suggerisca che la coscienza della persona possa disturbare i risultati o creare un determinato risultato o realtà“, spiega Jussi Lindgren.
Questa interpretazione supporta le interpretazioni della meccanica quantistica che supportano i principi scientifici classici. “L’interpretazione è oggettiva e realistica e, allo stesso tempo, il più semplice possibile. Ci piace la chiarezza e preferiamo rimuovere tutto il misticismo“, afferma Liukkonen.
I ricercatori hanno pubblicato il loro articolo nel dicembre 2019, all’interno del quale utilizzano anche l’analisi matematica come strumento per spiegare la meccanica quantistica. Il metodo che hanno utilizzato era la teoria del controllo ottimale stocastico, che è stata utilizzata per risolvere sfide come il modo in cui inviare un razzo dalla Terra alla Luna.
Seguendo il rasoio di Occam, la legge della parsimonia che prende il nome da Guglielmo di Ockham, i ricercatori hanno ora scelto la spiegazione più semplice tra quelle che si adattano alle osservazioni.
“Studiamo la meccanica quantistica come teoria statistica. Lo strumento matematico è chiaro, ma alcuni potrebbero pensare che sia noioso. Ma una spiegazione è davvero una spiegazione, se è vaga?” chiede Lindgren.
Oltre allo studio della meccanica quantistica, Lindgren e Liukkonen hanno molte altre cose in comune: erano entrambi membri dello stesso club di matematica alla Kuopio Lyceum High School, entrambi hanno svolto ricerche post-laurea ed entrambi hanno carriere come funzionari statali.
Liukkonen ha terminato il suo dottorato di ricerca con una tesi sull’ecografia endoscopica delle articolazioni e attualmente lavora come ispettore presso l’Autorità per le radiazioni e la sicurezza nucleare.
Cos’è la meccanica quantistica?
Come ci spiega Wikipedia, la meccanica quantistica è la teoria fisica che descrive il comportamento della materia, della radiazione e le reciproche interazioni, con particolare riguardo ai fenomeni caratteristici della scala di lunghezza o di energia atomica e subatomica, dove le precedenti teorie classiche risultano inadeguate.
Come caratteristica fondamentale, la meccanica quantistica descrive la radiazione e la materia sia come fenomeni ondulatori che come entità particellari, al contrario della meccanica classica, che descrive la luce solamente come un’onda e, ad esempio, l’elettrone solo come una particella.
Questa inaspettata e controintuitiva proprietà della realtà fisica, chiamata dualismo onda-particella, è la principale ragione del fallimento delle teorie sviluppate fino al XIX secolo nella descrizione degli atomi e delle molecole. La relazione tra natura ondulatoria e corpuscolare è enunciata nel principio di complementarità e formalizzata nel principio di indeterminazione di Heisenberg.
Esistono numerosi formalismi matematici equivalenti della teoria, come la meccanica ondulatoria e la meccanica delle matrici; al contrario, ne esistono numerose e discordanti interpretazioni riguardo all’essenza ultima del cosmo e della natura, che hanno dato vita a un dibattito tuttora aperto nell’ambito della filosofia della scienza.
La meccanica quantistica rappresenta, assieme alla teoria della relatività, uno spartiacque rispetto alla fisica classica, portando alla nascita della fisica moderna.
Attraverso la teoria quantistica dei campi, generalizzazione della formulazione originale che include il principio di relatività ristretta, essa è a fondamento di molte altre branche della fisica, come la fisica atomica, la fisica della materia condensata, la fisica nucleare, la fisica delle particelle, la chimica quantistica.
Effetti quantistici
Esistono numerosi esperimenti che hanno confermato o che hanno permesso di intuire la natura della materia e dalla radiazione a scale microscopiche descritta dalla meccanica quantistica.
Molti di questi esperimenti hanno portato alla scoperta di effetti quantistici, spesso controintuitivi rispetto alla meccanica classica. Dal punto di vista storico, l’effetto fotoelettrico e lo studio dello spettro del corpo nero sono stati fra i primi esperimenti a mostrare la natura quantistica del campo elettromagnetico, che ha portato alla scoperta e alla formulazione teorica del fotone e alla verifica della legge di Planck, secondo la quale l’energia dei fotoni è proporzionale alla loro frequenza.
Lo spettro dell’atomo di idrogeno ha invece portato prima allo sviluppo del modello atomico di Bohr-Sommerfeld, poi ha permesso di formulare e verificare l’equazione di Schrödinger.
L’effetto tunnel consiste nella possibilità, negata dalla meccanica classica, di un elettrone di superare una barriera di potenziale anche se non ha l’energia per farlo.
Gli esperimenti sull’entanglement quantistico sono stati fondamentali nel rigettare il paradosso EPR. In tempi più recenti, la superconduttività e la superfluidità hanno attirato sempre maggiore attenzione per i possibili sviluppi tecnologici, fenomeni che sono studiati dalla fisica della materia condensata. L’effetto Casimir è stato invece fondamentale per comprendere le fluttuazioni quantiche dei campi nel vuoto, ed è legato alla scoperta dell’energia del vuoto.
