Non aprite quella scatola

Febbraio 26th, 2021 | by Marcello Colozzo |

gatto di schrödinger,fisica quantistica

Per comprendere il paradosso del gatto di Schrödinger è necessario conoscere il formalismo matematico della Meccanica quantistica (per i profani, la fisica quantistica ovvero quella parte della fisica che studia il comportamento del mondo subatomico). Per essere più specifici, bisogna comprendere asserzioni del tipo


Sovrapposizione quantica = combinazione lineare di autofunzioni dell'osservabile sottoposta a misura


Cerchiamo di tradurre ciò in linguaggio ordinario. La nostra limitata percezione restituisce un "mondo oggettivo", ossia indipendente dalla nostra capacità di osservazione. L'oggettività è necessaria per dare concretezza alla realtà, ed è garantita dall'esistenza di "stati fisici ben definiti". Ma tale locuzione appare ai profani ancora più misteriosa, tant'è che i fisici l'hanno estesa a scale submicroscopiche (dall'atomo in giù, per intenderci). Detto in altro modo, un elettrone è descrivibile da uno "stato fisico ben definito", anche se in questo caso l'informazione sull'elettrone quale ente fisico, è incompleta. Se passeggiamo sotto la pioggia battente, osserviamo uno "sciame" di goccioline che colpiscono la superficie dell'ombrello in una determinata posizione e con una data velocità. Nessuno si sognerebbe di asserire che tali grandezze (posizione e velocità) sono in un certo modo "sfumate" (o indeterminate per dirla con Heisenberg). Per contro, se il medesimo sciame fosse costituito da elettroni e non da goccioline, non avremmo la possibilità di tracciare una traiettoria. Per di più, alcune grandezze fisiche come ad esempio, l'energia non hanno valori ben definiti, ma si esprimono attraverso una "rosa di possibilità" (traduzione rozza ma efficace, della locuzione "sovrapposizione quantistica"). Tale impossibilità di principio mette a dura prova la distinzione essenziale tra ciò che "esiste realmente" e ciò che "non esiste". In parole povere, se un ente fisico non ha un'energia definita - non per scarsa perizia dello sperimentatore o per la limitata capacità dell'apparato di misura - ha ancora senso parlare di esistenza? Si badi che tutto questo svanisce o meglio decoirisce (nel gergo dei fisici quantistici, anche se c'è qualche imprecisione. Vedi più avanti) quando si passa nel "nostro mondo" ovvero a scala macroscopica: passando dallo sciame di elettroni alle gocce di pioggia, queste ultime recuperano la loro fisicità. Quindi, i sistemi macroscopici esistono o non esistono, a differenza di quelli submicroscopici che potrebbero esistere e non esistere. Una sorta di limbo esistenziale, se proprio vogliamo metterla in questi termini.

Un gatto è un sistema macroscopico. Quindi o è vivo è morto. Non vedremo mai un gatto sia vivo che morto. Al contrario, per realizzare un sistema macroscopico "esistente e non esistente" il fisico Erwin Schrödinger propose un cosiddetto "esperimento mentale". In sostanza, un gatto era "intrecciato" a un sistema quantistico (si pensi ad una particella subatomica, anche se nell'esperimento mentale si utilizza un atomo di uranio). Questo è il punto chiave del paradosso, che sfortunatamente è difficile da comprendere per chi non conosce la meccanica quantistica. E a maggior ragione l'uomo della strada non comprenderà mai il seguente fatto: il gatto è chiuso in una scatola, dove c'è una fiala di cianuro, la cui apertura ammazzerebbe il gatto all'istante. Il tappo della fiala è "comandato" da un contatore Geiger che come è noto, misura le radiazioni ionizzanti (derivanti dalla disintegrazione di sostanze radioattive, quali ad esempio, l'uranio). E siccome i processi in gioco sono di natura quantistica, l'intero sistema verrà a trovarsi in una sovrapposizione lineare di due stati quantici mutuamente escludentisi (atomo disintegrato, atomo non disintegrato). Ne consegue che anche il gatto verrà a trovarsi in una sovrapposizione quantica di due stati: vivo o morto. La sovrapposizione implica che il gatto non è né vivo né morto. Ma per noi che siamo abituati a dicotomizzare tali variabili, ciò non ha assolutamente senso. In ultima analisi, il gatto si trova in una sorta di limbo esistenziale ovvero una danza di vita e morte, metaforicamente parlando. Non manca la sorpresa finale: solo l'apertura della scatola (equivalente a compiere una misura) farà "collassare" la funzione d'onda dell'intero sistema in uno degli stati possibili. Quindi solo aprendo ed osservando, il gatto risulterà o vivo o morto. In altri termini, la sovrapposizione quantica "sopravvive" solo se non apriamo la scatola. In gergo si dice che il "sistema è coerente" (la coerenza quale sovrapposizione di onde di probabilità). Se apriamo la scatola, il sistema decoirisce e la realtà oggettiva riprende il sopravvento. Il predetto neologismo ha origine dalla "decoerenza", ovvero uno dei tentativi per spiegare la misteriosa sovrapposizione quantica quando si passa dalla dimensione submicroscopica a quella macroscopica. La "decoerenza" è dunque, un tentativo di fornire una risposta al quesito: "perchè non vediamo gatti in sovrapposizione quantica?"

Sfortunatamente, chi non mastica meccanica quantistica non avrà capito un accidente di tutta questa argomentazione, e alla fine si affiderà al buon senso o meglio, al senso comune. Ed è un grave errore, giacché i fenomeni quantistici detengono la chiave della realtà.


To understand Schrödinger's cat paradox it is necessary to know the mathematical formalism of quantum mechanics (for the layman, quantum physics or that part of physics that studies the behavior of the subatomic world). To be more specific, one must understand such statements

Quantum superposition = linear combination of eigenfunctions of the observable under test
Let us try to translate this into ordinary language. Our limited perception returns an "objective world", that is, independent of our ability to observe. Objectivity is necessary to give substance to reality, and is guaranteed by the existence of "well-defined physical states". But this term appears to the layman even more mysterious, so much so that physicists have extended it to submicroscopic scales (from the atom downwards, so to speak). In other words, an electron can be described by a "well-defined physical state", even if in this case the information on the electron as a physical entity is incomplete. If we walk in the pouring rain, we observe a "swarm" of droplets hitting the surface of the umbrella in a certain position and with a certain speed. Nobody would dream of asserting that such quantities (position and velocity) are in a certain way "blurred" (or indeterminate to use Heisenberg's words). On the other hand, if the same swarm were made up of electrons and not of droplets, we would not be able to trace a trajectory. Moreover, some physical quantities such as, for example, energy do not have well-defined values, but are expressed through a "rose of possibilities" (rough but effective translation of the term "quantum superposition"). This principle impossibility puts a strain on the essential distinction between what "really exists" and what "does not exist". Put simply, if a physical being does not have a defined energy - not due to the experimenter's poor skill or the limited capacity of the measuring apparatus - does it still make sense to speak of existence? Note that all this vanishes or rather decoirisce (in the jargon of quantum physicists, even if there is some inaccuracy. See below) when you pass in "our world" or on a macroscopic scale: passing from the swarm of electrons to raindrops , the latter recover their physicality. Thus, macroscopic systems either exist or do not exist, unlike submicroscopic ones which may and may not exist. A sort of existential limbo, if we really want to put it in these terms.

A cat is a macroscopic system. So either he's alive he's dead. We will never see a cat both alive and dead. On the contrary, to create a macroscopic system "existing and non-existent" the physicist Erwin Schrödinger proposed a so-called "thought experiment". Basically, a cat was "intertwined" with a quantum system (think of a subatomic particle, even if a uranium atom is used in the thought experiment). This is the key point of the paradox, which unfortunately is difficult for those unfamiliar with quantum mechanics to understand. And a fortiori the man in the street will never understand the following fact: the cat is locked in a box, where there is a cyanide vial, the opening of which would kill the cat instantly. The cap of the vial is "controlled" by a Geiger counter which, as is known, measures ionizing radiation (deriving from the disintegration of radioactive substances, such as uranium). And since the processes involved are quantum in nature, the entire system will find itself in a linear superposition of two mutually exclusive quantum states (disintegrated atom, non-disintegrated atom). It follows that the cat will also find itself in a quantum superposition of two states: alive or dead. The overlap implies that the cat is neither alive nor dead. But for us who are used to dichotomizing these variables, this makes absolutely no sense. Ultimately, the cat is in a sort of existential limbo or a dance of life and death, metaphorically speaking. There is also the final surprise: only opening the box (equivalent to making a measurement) will "collapse" the wave function of the entire system in one of the possible states. So only by opening and observing, the cat will be either alive or dead. In other words, quantum superposition "survives" only if we don't open the box. In jargon it is said that the "system is coherent" (coherence as a superposition of probability waves). If we open the box, the system decoirisce and objective reality takes over. The aforementioned neologism originates from "decoherence", or one of the attempts to explain the mysterious quantum superposition when passing from the submicroscopic to the macroscopic dimension. The "decoherence" is therefore an attempt to provide an answer to the question: "why don't we see cats in quantum superposition?"

Unfortunately, those who do not chew quantum mechanics will not have understood a damn of this whole argument, and will eventually rely on common sense or rather, common sense. And it is a serious mistake, since quantum phenomena hold the key to reality.

No TweetBacks yet. (Be the first to Tweet this post)

Tags: ,

Articoli correlati

Commenta l'esercizio