Una guida per (non) comprendere la meccanica quantistica

Nonostante il suo enorme successo come struttura per comprendere cosa fa la natura, la meccanica quantistica ci dice molto poco su come funziona la natura

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Una guida per (non) comprendere la meccanica quantistica
Una guida per (non) comprendere la meccanica quantistica

La meccanica quantistica è allo stesso tempo bella e frustrante.

Il suo potere esplicativo non ha eguali. Armati del macchinario della teoria quantistica, abbiamo svelato i segreti dell’energia atomica, indovinato il funzionamento interno della chimica, costruito elettronica sofisticata, scoperto il potere dell’entanglement e molto altro ancora. Secondo alcune stime, circa un quarto del nostro PIL mondiale dipende dalla meccanica quantistica.

Eppure, nonostante il suo enorme successo come struttura per comprendere cosa fa la natura, la meccanica quantistica ci dice molto poco su come funziona la natura. La meccanica quantistica fornisce un potente insieme di strumenti per fare previsioni con successo su cosa faranno le particelle subatomiche, ma la teoria stessa è relativamente silenziosa su come quelle particelle subatomiche si muovono effettivamente nella loro vita.

Ad esempio, prendiamo il concetto familiare di un salto quantistico. Un elettrone in un atomo cambia i livelli di energia e quindi assorbe o emette energia sotto forma di un fotone di radiazione. Niente di grave, vero? Ma come fa l’elettrone a “saltare” da un livello energetico a un altro? Se si muove senza intoppi, come letteralmente qualsiasi altra cosa nell’Universo, vedremmo anche l’energia coinvolta cambiare senza intoppi. Ma non lo facciamo.

Quindi l’elettrone scompare magicamente da un livello energetico e riappare magicamente in un altro? Se è così, tu, lettore, nomina un altro oggetto fisico nell’Universo che si comporta in questo modo. Già che ci sei, per favore dammi una descrizione fisica dello svolgimento di questo atto magico. Aspetterò.

La meccanica quantistica tace completamente su come l’elettrone cambia gli orbitali; afferma semplicemente blandamente che lo fa e ci dice quali risultati aspettarsi quando ciò accadrà.



Come possiamo comprendere questo fenomeno? Come possiamo fare i conti con una teoria che non spiega come funziona qualcosa? Gli scienziati hanno lottato con queste domande sin da quando è stata sviluppata la meccanica quantistica e hanno escogitato diversi modi per dare un senso ai processi coinvolti nel comportamento quantistico. Esploriamo tre di queste interpretazioni della meccanica quantistica per vedere se qualcuna di esse soddisfa le nostre brame di un “perché” dietro tutta questa strana fenomenologia.

L’interpretazione di Copenaghen

I partecipanti alla Conferenza di Copenaghen del 1930. Niels Bohr è il secondo da sinistra in prima fila e Werner Heisenberg è seduto a destra.
I partecipanti alla Conferenza di Copenaghen del 1930. Niels Bohr è il secondo da sinistra in prima fila e Werner Heisenberg è seduto a destra. – SSPL/Getty Images

Se non sei il tipo di persona che si preoccupa per le piccole cose, l’interpretazione di Copenaghen della meccanica quantistica è per te. Come le altre due interpretazioni che esploreremo in questo articolo, non esiste un’interpretazione precisa e definitiva di Copenaghen, piuttosto è una raccolta di idee che condividono un insieme di valori simili.

In questo caso, quei valori sono meglio espressi come “stai zitto e calcola“.

L’interpretazione di Copenaghen è stata così nominata negli anni ’50 ma fa risalire il suo lignaggio ad alcune delle figure fondatrici della teoria quantistica che risiedevano in quella città all’inizio del XX secolo: Werner Heisenberg e Niels Bohr.

Heisenberg e Bohr hanno sostenuto ampiamente (e talvolta in modo sgarbato) che la fisica subatomica è semplicemente strana. Così strana, infatti, che sarebbe senza speranza per i nostri deboli cervelli umani inventare immagini, storie e descrizioni di ciò che sta realmente accadendo. Siamo creature della fisica classica, dopotutto, immerse in un mondo macroscopico. Quel mondo macroscopico non informa solo la nostra intuizione; limita anche la nostra stessa immaginazione.

Avvicinati a un pesce rosso e chiedi i suoi pensieri sulla meccanica dei fluidi. Potresti sentire “blub blub“, ma probabilmente non otterrai molte intuizioni. Secondo Heisenberg e Bohr, quando si tratta del mondo subatomico, siamo solo pesci rossi. Potremmo sperimentare alcuni dei risultati di questo strano mondo, ma dovremmo ritenerci fortunati di essere stati in grado di fare progressi nella sua comprensione.

Non appena i fisici hanno scoperto che il mondo subatomico sembra giocare secondo regole diverse, argomenterebbe la Scuola di Copenaghen, avrebbero dovuto saltare il tentativo di capire il “perché” dietro quelle regole per concentrarsi solo sui risultati ottenuti dagli esperimenti. È assolutamente senza speranza cercare di descrivere come si svolge effettivamente un salto quantistico; invece, dovremmo consolarci con la consapevolezza che accade e che possiamo fare previsioni certe al riguardo.

Quindi l’interpretazione di Copenaghen della meccanica quantistica rimane il più vicino possibile alla matematica grezza che alimenta le previsioni della teoria quantistica. Questo ne fa l’interpretazione più “popolare” (ho usato virgolette perché è l’interpretazione predefinita insegnata nei libri di testo delle scuole di specializzazione e ha trovato alcuni forti sostenitori. Ma la stragrande maggioranza dei fisici non pensa alle interpretazioni, poiché sono impegnati a scrivere proposte di sovvenzione. In molti modi, vivono l’interpretazione di Copenhagen).

Alcune delle affermazioni che potresti trovare in una tipica interpretazione simile a Copenaghen includono:

  • L’universo subatomico è fondamentalmente non deterministico. Quando gli elettroni passano attraverso una doppia fenditura, per esempio, e atterrano in un punto casuale su uno schermo, nemmeno l’elettrone sa dove atterrerà. I meccanismi profondi dell’Universo impediscono a chiunque di conoscere in anticipo il risultato preciso di un esperimento quantistico.
  • Detto questo, possiamo fare previsioni su cosa potrebbe accadere. Per ogni sistema subatomico, possiamo stabilire le probabilità di come potrebbe evolversi. Queste probabilità sono date da una funzione d’onda e l’evoluzione della funzione d’onda è governata dall’equazione di Schrödinger. Quando effettuiamo una misurazione, questa funzione d’onda “collassa” e il sistema sembra trovarsi in uno stato specifico.
  • Il mondo macroscopico non gioca secondo queste stesse regole e c’è uno schema di transizione dal regno quantistico a quello classico noto come principio di corrispondenza, così mentre affronti la tua vita quotidiana, non devi preoccuparti di tutte queste stranezze quantistiche.

L’interpretazione dei molti mondi

Se ritieni che l’interpretazione di Copenaghen non sia soddisfacente, non sei solo. L’interpretazione di Copenaghen si rifiuta categoricamente di riconoscere come o perché una di queste cose funzioni davvero. Come fa un elettrone a viaggiare attraverso le doppie fenditure? Cosa succede per fondere il mondo quantistico in quello classico? E cosa diavolo sta succedendo con le misurazioni per creare uno stato definitivo?

Quest’ultima domanda infastidì Erwin Schrödinger a non finire. Lasciate a se stesse, le funzioni d’onda dei sistemi quantistici si evolvono secondo l’equazione di Schrödinger, che sputa fuori una gamma potenzialmente vertiginosa di probabilità. Il problema è che non appena “misuriamo” il sistema quantistico, la funzione d’onda collassa, evaporando con un puff, solo per essere sostituita da una particella. Schrödinger si chiedeva cosa rendesse le misurazioni così speciali: come funzionano i sistemi quantistici secondo due insiemi di regole radicalmente diverse, una quando nessuno sta guardando e l’altra quando qualcuno sta guardando?

L’argomentazione di Schrödinger culminò nel suo famoso esperimento del gatto nella scatola, che usò per mostrare quanto fosse ridicolo il crescente consenso sull’interpretazione di Copenhagen. Il rifiuto di Heisenberg e Bohr di rispondere alla semplice domanda sul perché la misurazione fosse così speciale alla fine portò Schrödinger ad abbandonare completamente l’intero campo, concludendo che “era dispiaciuto di averci avuto a che fare“.

Ma altri hanno raccolto la sfida. Negli anni ’50, il fisico Hugh Everett esaminò questo problema di misurazione della meccanica quantistica e trovò una soluzione elegante ma radicale: e se non esistesse qualcosa come la misurazione? E se i sistemi quantistici semplicemente si evolvessero o interagissero tramite l’equazione di Schrödinger in ogni momento e in ogni caso?

Non è così folle. Ciò che chiamiamo “misurazione” è in realtà solo una serie di interazioni subatomiche. Gli elettroni colpiscono un rilevatore, dove interagiscono con gli atomi nel dispositivo, che interagiscono con gli elettroni nel filo che esce dal retro, che interagiscono con i fotoni che fuoriescono da un display, che interagiscono con le molecole nel mio occhio, eccetera. Sono solo particelle quantistiche che fanno le loro cose, non è necessario uno strano “collasso“.

Ma quando le particelle quantistiche interagiscono, le loro funzioni d’onda si sovrappongono e possono diventare entangled. Condividono, cioè, uno stato quantistico unificato, una singola funzione d’onda che descrive simultaneamente entrambe le particelle. E se seguiamo una qualsiasi catena di interazioni, finiamo per intrappolare l’intero Universo con se stesso, una funzione d’onda quantistica universale che sussume l’intero cosmo.

Roba pesante. Ma come conciliare l’esistenza di questa funzione d’onda universale con le probabilità che osserviamo nei nostri esperimenti? Se spariamo un elettrone contro uno schermo, a volte andrà a sinistra ed a volte a destra. Come fa l’Universo a sapere quale scegliere?

La funzione d’onda universale risponde con “Perché non entrambe?

Questa è la parte “molti” dell’interpretazione a molti mondi della meccanica quantistica: ogni volta che ha luogo un’interazione quantistica la funzione d’onda universale si divide in più sezioni, con ciascuna sezione contenente una copia identica del cosmo eccetto per i diversi esiti dell’interazione. Nel nostro esempio, un universo contiene il nostro elettrone che va a sinistra, e un altro universo contiene il nostro elettrone che va a destra. Entrambi gli universi contengono gli osservatori (cioè noi) che annotano diligentemente i risultati del nostro esperimento quantistico apparentemente casuale.

Perso nel multiverso

Sebbene sfacciatamente semplice e seducente, l’interpretazione a molti mondi della meccanica quantistica presenta alcuni inconvenienti.

Innanzitutto, mentre di solito si parla di questa interpretazione in termini poetici, sollevando l’allettante possibilità che i tuoi doppelgänger vivano tutte le scelte alternative che hai affrontato nella vita, la vera portata dell’interpretazione dei molti mondi è molto meno sexy. Ogni interazione quantistica – e intendo ogni interazione quantistica – porta a una scissione dell’universo. Ogni volta che due atomi si fondono in ogni stella in ogni galassia dell’intero universo, ogni emissione o assorbimento di radiazione, ogni minuscolo salto quantico all’interno dei semiconduttori del dispositivo che stai osservando in questo momento… tutti costantemente, incessantemente creano più universi separati.

Mentre leggete questo articolo, trilioni e incalcolabili trilioni di voi vengono creati proprio ora, vivendo vite esattamente identiche tranne che in qualche stella casuale in qualche galassia casuale, un nucleo di idrogeno muto casuale è andato da questa parte invece che da quella.

Sebbene questo fatto non escluda l’interpretazione dei molti mondi, richiede un certo livello di intenso impegno nei confronti dell’idea (e, sì, ci sono fisici con quel livello di impegno).

E poi c’è il problema delle probabilità. In molti mondi, sei sicuro di sperimentare determinati risultati, ma nella meccanica quantistica, abbiamo solo incertezze. Ricordi l’intera faccenda del gatto nella scatola? E se cambiassimo le cose e ti mettessimo nella scatola? Entra nella scatola e c’è una probabilità del 50% che sarai vivo quando riapriremo la scatola. Per addolcire l’affare, diciamo che otterrai un miliardo di dollari se sopravvivi.

Perché potresti esitare ad accettare quella scommessa? Perché la possibilità della tua morte sembra molto reale. Ma nell’interpretazione dei molti mondi, la versione di te che muore non sarà presente per sperimentarlo: sperimenterai solo la realtà in cui ti svegli e te ne andrai più ricco di un miliardo di dollari.

Allora perché non accetti la scommessa? Perché nessuno ha accettato la scommessa? Come ho detto, è difficile conciliare il fatto sperimentale delle probabilità casuali con i risultati garantiti dati da questa interpretazione.

L’interpretazione dell’onda pilota

Ma forse c’è un modo diverso per affrontare il problema. L’interpretazione di Copenaghen afferma che la funzione d’onda è un mero trucco matematico, solo un modo per assegnare probabilità ai risultati. L’interpretazione a molti mondi eleva la funzione d’onda alla massima supremazia, affermando che non ci sono altro che funzioni d’onda che si intrecciano per sempre l’una con l’altra.

Ecco un terzo approccio: forse le particelle della fisica subatomica sono reali, ma lo sono anche le loro funzioni d’onda. Questa idea fu proposta per la prima volta da Louis de Broglie, il fisico che per primo ebbe l’idea della dualità onda-particella per la materia. Ha suggerito che ogni particella è associata alla propria onda. Questa onda si evolve come le onde sono solite fare, propagandosi e riflettendosi e così via, e quelle onde guidano le particelle verso le loro traiettorie finali.

Alla fine, de Broglie abbandonerà questa idea a favore del crescente consenso attorno all’interpretazione di Copenaghen (non è chiaro se attraverso le sue stesse conclusioni o la prepotenza di Heisenberg e Bohr). Ma decenni dopo, il fisico David Bohm avrebbe ripreso l’idea e l’avrebbe concretizzata.

Questa interpretazione dell’onda pilota (nota anche come meccanica de Broglie-Bohm o meccanica Bohmiana) afferma che le vere posizioni delle particelle ci sono nascoste, anche se seguono sempre traiettorie prestabilite. Viene così spazzato via il non determinismo dell’interpretazione di Copenaghen: sia le onde pilota che le loro particelle seguono sempre percorsi deterministici; semplicemente non ne veniamo a conoscenza.

Come nell’interpretazione a molti mondi della meccanica quantistica, qui non c’è collasso della funzione d’onda perché le onde stesse esistono davvero. Ottieni ancora la stessa catena di interazioni e l’intreccio infinito che consuma l’universo, quindi alcuni critici sostengono che la teoria dell’onda pilota è semplicemente la teoria dei molti mondi ma con passaggi aggiuntivi.

Proprio come le altre interpretazioni, anche in questo caso emergono problemi quando guardi più da vicino. Ad esempio, in questa interpretazione, le posizioni delle particelle, non solo i loro stati quantistici, diventano entangled. Ciò significa che i movimenti di un atomo di idrogeno nella galassia di Andromeda influenzano letteralmente le molecole all’interno del tuo corpo.

Mentre l’entanglement sembra essere radicato in qualsiasi interpretazione della meccanica quantistica, molte persone sostengono che questo livello di entanglement sia un ponte troppo lontano. Distrugge completamente ogni nozione di località; come possiamo fidarci dei risultati dei nostri esperimenti più basilari se i movimenti delle particelle al loro interno sono influenzati da forze che attraversano l’intero Universo?

C’è anche il problema della relazione tra le onde e le loro particelle, che è decisamente unidirezionale. Non abbiamo deciso molto tempo fa con Newton che per ogni azione c’è una reazione uguale e contraria? Perché le onde agiscono sulle particelle ma non viceversa?

L’attenzione alle posizioni pone problemi anche alla relatività, che afferma che posizione e quantità di moto dovrebbero essere sullo stesso piano. Senza questo, è incredibilmente difficile costruire una versione relativistica della teoria dell’onda pilota, che è abbastanza importante. Nessuno di questi problemi è necessariamente rompicapo, ma rendono la teoria dell’onda pilota in qualche modo sgradevole.

In definitiva, tutte le interpretazioni hanno i loro punti di forza e di debolezza. Tutte tentano di spiegare la stranezza del mondo subatomico, ma tutte hanno aspetti che devi sorvolare o sperare che qualche futuro fisico possa districare.

Cosa ci insegna la meccanica quantistica sulla realtà subatomica? Dato il nostro attuale stato di conoscenza, sta a te scegliere quale interpretazione preferisci. Non importa cosa, la lezione suprema rimane: la meccanica quantistica non sembra avere senso. Forse siamo solo dei pesci rossi, dopo tutto.

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