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Classico e Quantistico

Il Gatto di Schroedinger è Vivo o Morto?

Nella cultura degli appassionati di scienza (ma anche degli addetti del mestiere, a volte) vi è la tendenza a considerare il mondo quantistico ed il mondo classico come due inconciliabili aspetti della realtà che seguono regole diverse e, a volte, comunicano in modo nebuloso.  Illustre esempio è il celebre paradosso del gatto di Schroedinger: in una scatola sono presenti un gatto e del veleno in grado di ucciderlo, che viene rilasciato quando un rilevatore viene messo in funzione da un evento quantistico (un decadimento radioattivo, ad esempio). Secondo la più elementare comprensione della meccanica quantistica, lo stato quantistico rimane indeterminato fino ad averlo misurato, agendo su di esso osservandolo. Quindi il gatto, direttamente collegato al mondo quantistico tramite il veleno, rimarrà in uno stato indeterminato finchè non si apre la scatola e si osserva per accertarsi se sia vivo oppure morto.

Questa paradossale situazione, in cui uno stato classico si comporta come uno quantistico viene spesso citato per parlare di questi due mondi così diversi. Tuttavia, come disse Stephen Hawking a proposito: “Quando si parla di Gatto di Schroedinger, metto mano alla pistola”, perchè sebbene concettualmente affascinante questo classico esempio è fuorviante in quanto alimenta la dicotomia di due mondi inconciliabilmente diversi.

Per chiarire il paradosso senza sfociare in tecnicismi userò terminologie non rigorosamente codificate, per ulteriori chiarimenti rimando al forum.

Lo stato quantistico è uno stato “puro” della materia, ovvero contenente tutti i possibili stati che la materia può assumere: una particella quantistica che deve decidere se andare a destra o a sinistra, messa di fronte ad un bivio affronterà in linea di principio entrambi i percorsi come se un’onda si infrangesse su un argine e si dividesse fra le possibili strade percorribili (come verificato dall'esperimento delle due fenditure).

Questo è apparentemente in contraddizione con la nostra esperienza quotidiana dove gli oggetti si comportano secondo le più comuni leggi della meccanica classica. Per coniugare le due descrizioni in una coerente visione del mondo, che non faccia distinzioni del tutto artificiose e arbitrarie fra oggetti classici e quantistici (quanto macroscopico dev’essere un oggetto per essere e comportarsi in modo “classico”? Per quali fenomeni ed in quali condizioni?) è sufficiente chiedersi cosa sia, in effetti, un oggetto “classico” nei confronti di uno “quantistico”.

Un oggetto classico è composto da un insieme di oggetti quantistici, generalmente una moltitudine: una comune pallina è composta da circa 10^23 (migliaia di miliardi di miliardi di miliardi) di atomi. Ognuna di queste componenti quantistiche è, in quanto tale, uno stato “puro”, tuttavia il loro insieme è una somma caotica (in gergo decoerente) di questi stati puri ed onde che interagiscono fra di loro che quindi, a causa di una moltitudine di interferenze (in gergo entangle), perde il carattere di “purezza” necessario per mantenere un comportamento di tipo quantistico ed ondulatorio e degenera in un comportamento di tipo classico.

Ovvero ognuno degli elettroni che compongono la pallina vorrebbe, arrivato al famoso bivio, esplorare entrambi i percorsi possibili, tuttavia, a causa delle interazioni con la moltitudine di altre particelle che lo circondano, viene trattenuto unito con gli altri. Quest’insieme così caoticamente costituito, sebbene composto da componenti “pure”, non può quindi che adottare un comportamento che sarà deteriminato dalla media, di quest’ultime, e quindi degenera nel determinismo classico, ovvero, arrivata al bivio, nell’adottare un’unica direzione.

Altra pietra fondamentale nella descrizione del mondo quantistico è il concetto di osservazione. Cioè l’oggetto quantistico rimane puro ed affronta contemporaneamente entrambe le strade di un bivio finchè rimane indeterminato, se poniamo un casellante su una delle due strade egli verificherà se l’oggetto è passato o meno da quella strada, e quindi saprà con certezza in quale delle due strade sia, determinando quindi una sola, specifica, direzione intrapresa. Il ruolo del casellante è quindi quello di compiere un’osservazione della posizione dello stato quantistico facendo collassare la sua struttura ondulatoria indeterminata fra le due vie in una struttura più simile ad una particella che ha intrapreso una singola strada. Questa operazione, che viene anche chiamata misura, avviene poichè il casellante interagisce con lo stato quantistico “puro” e lo collega a configurazioni più complicate interferendo con la sua purezza. Nel limite in cui il casellante sia classico (quindi collegato in modo non banale con moltissimi altri elementi quantistici) lo stato quantistico entra in contatto con questa moltitudine e così facendo ne determina la posizione (in questo esempio). In definitiva si sta effettuando una misura nel senso stretto del termine che restituisce qualcosa di classicamente interpretabile da noi entità classiche, quindi si osserva. Questo non implica che poi l’oggetto quantistico, dopo essere stato osservato, non prosegua indipendentemente la sua strada, svincolandosi dalle interazioni col mondo classico e quindi tornando ad essere uno stato quantistico puro che, tuttavia, oramai ha determinata la strada intrapresa.

Quindi per tornare al nostro gatto/a, esso/a (non discriminiamo, anche le gatte meritano di essere torturate quanto i gattoni!), è composto da una sovrapposizione di elementi quantistici che si “parlano” fra loro costituendo un insieme caotico (entangled) di materia altrimenti definito come “classico”. Un evento quantistico rischia di ucciderlo, questo stato “puro” rimane indeterminato finchè un osservatore non lo misura. Il paradosso consiste nel considerare il gatto/a lo stato da misurare aprendo la scatola e nell’assumere che sia l’evento quantistico a rendere indeterminato l’oggetto classico “gatto/a”. In realtà è il gatto/a, in quanto oggetto classico, a contaminare lo stato quantistico “puro” determinandolo. Quindi la soluzione del paradosso risiede nel fatto che è il gatto/a (o il rivelatore a cui è collegato il veleno) a compiere la misurazione determinando lo stato quantistico facendolo letalmente legare alla moltitudine dei propri stati caoticamente interferenti. Il gatto/a insomma funge da osservatore che utilizza la sua stessa morte come fenomeno classico macroscopico che individua il fenomeno quantistico legandosi a lui.

I paradossi sono solo nella nostra testa, servono solo per raffinare e comprendere i punti d’ombra delle nostre descrizioni. La natura non ammette paradossi, suddivisioni nette, l’universo è un unico coerente per quante teorie contrastanti si possano usare per illustrarlo, è quindi compito dello scienziato far combaciare ogni discrepanza affinchè anche la teoria sia un unico coerente.

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