L'assunzione fondamentale
della Teoria Quantistica e` che ogni campo di forze si manifesta sotto
forma di particelle discrete (o "quanta"). In altre parole,
le forze (elettromagnetica, gravitazionale, etc.) altro non sono che
manifestazioni di uno scambio di quantita` discrete di energia. Questa
fu la scoperta di Max Planck nel 1900, e per tale ragione l'unita`
fondamentale di scambio e` chiamata "costante di Planck".
Qualunque scambio di energia deve avvenire come multiplo di quella
costante.
Louis de Broglie nel 1923
generalizzo` un'idea di Einstein e propose che particelle e onde
fossero la stessa cosa. A ogni particella si puo` associare un'onda, e
ogni onda e` una manifestazione di una particella. Uno puo` parlare di
energia e massa, oppure di frequenza e lunghezza d'onda. Fra queste
quantita` esiste un collegamento diretto. Werner Heisenberg e Erwin
Schrodinger trovarono le formule che esprimono questa relazione. Fu
pero` Max Born a precisare la natura di questa relazione: l'onda
associata a una particella e` un'onda di "probabilita`", nel
senso che "prescrive" quali futuri sono possibili per quella
particella. Lo stato di una particella non e` piu` quello classico
(posizione nello spazio e nel tempo e velocita` di moto). Lo stato di
una particella e` dato dalla sovrapposizione di tutti i suoi possibili
futuri, ciascuno "pesato" con una probabilita`. L'equazione
di Schrodinger descrive l'evoluzione nel tempo di questa funzione di
probabilita`, ed e` l'equivalente delle equazioni della fisica
classica. La differenza e` che in ogni istante la funzione d'onda
descrive un insieme di possibilita`, non un'attualita`... Soltanto
osservando il sistema possiamo leggere un valore specifico per la
quantita` che vogliamo osservare: prima della misurazione non c'e`
alcun modo di prevedere il risultato dell'esperimento. E` l'atto di
misurazione che "forza" il sistema ad assumere un valore
specifico fra quelli possibili, ed e` del tutto casuale quale valore
venga scelto.
I fisici hanno dibattuto a
lungo sul significato di questo fatto: che senso ha dire che lo stato
di un elettrone e` un insieme di possibili stati? L'elettrone e` qui o
li`? In fisica classica non ci sono dubbi: e` qui (il "qui"
che misurera` anche il microscopio). Ma in fisica quantistica
l'elettrone e` sia qui sia li`, semplicemente con diverse probabilita`
di essere qui e li`. Soltanto dopo che l'ho misurato posso dire che e`
qui. Il fatto lascio` cosi` perplessi i fisici che Schrodinger stesso
propose il famoso paradosso del gatto che e` al tempo stesso vivo e
morto, in quanto la particella da cui dipende la sua esistenza e` al
tempo stesso qui e li`!
Heisenberg espresse
l'indeterminatezza della fisica quantistica con il famoso principio di
indeterminatezza: quanto piu` accuratamente misuro una quantita`,
tanto meno accuratamente posso misurare le quantita` ad essa
collegata. Siccome la Relativita` prescrive che posizione e velocita`
sono collegate, non posso misurarle simultaneamente. Se le posizioni
di due particelle sono collegate, non posso conoscere la posizione di
entrambe. E cosi` via. (Einstein non credette mai alla validita` di
questo principio, ma il principio e` una diretta conseguenza delle sue
formule!)
Che cos'e` la "realta`"
del mondo per la fisica quantistica? Sfortunatamente quella che noi
percepiamo come realta` si scopre essere semplicemente una serie di
incidenti di percorso. Se crediamo alla fisica quantistica, il mondo
e` nelle mani di queste onde di probabilita`. Ogni tanto una di queste
onde "collassa", e allora, e soltanto allora, succede
qualcosa (le quantita` fisiche assumono dei valori osservabili). La
sequenza di quei "qualcosa" costituisce la realta` che
percepiamo noi.
Fu Von Neumann a chiarire gli
estremi del problema. A far collassare la funzione d'onda e`, secondo
la fisica quantistica, l'interferenza di un altro sistema. Per
esempio, se cerco di misurare una quantita` di un sistema (la sua
velocita`, per esempio), faccio collassare la funzione d'onda del
sistema, e pertanto leggo un valore per quella quantita` che prima era
semplicemente una delle tante possibilita`. E` il mio atto di
osservare a causare la "scelta" di quel particolare valore
della velocita` fra tutti quelli possibili. Ma "quando" si
verifica quel collasso? C'e` una catena di eventi che porta dalla
particella al mio cervello: la particella e` a contatto con qualche
strumento, che e` a contatto con qualche altro strumento, che e` a
contatto con il microscopio, che e` a contatto con il mio occhio, che
e` a contatto con la mia coscienza... dove avviene di preciso il
collasso? A che punto la particella smette di essere una funzione
d'onda e diventa un oggetto con una velocita` ben precisa?
Il problema puo` essere
riformulato cosi`: che cosa causa il collasso di una funzione d'onda?
Basta la semplice presenza di un'altra particella nei dintorni del
sistema? Oppure dev'essere un oggetto di grandi dimensioni? Oppure
dev'essere per forza un oggetto in grado di osservare? Oppure
dev'essere per forza una mente umana? Sappiamo che un uomo e` in grado
di far collassare una funzione d'onda, in quanto gli scienziati
possono misurare le particelle. Ma un insetto? Un insetto- scienziato
sarebbe in grado di compiere le stesse osservazioni? Sarebbe in grado
di far collassare una funzione d'onda? E un virus? Una pietra? Un
albero? Un soffio di vento?...
Von Neumann si domandava cosa
promuove un oggetto a "collassatore". La fisica quantistica
concede questo privilegio: i sistemi classici (come gli strumenti di
misurazione o gli esseri umani, oggetti che hanno una posizione, una
forma e un volume ben definiti) sono capaci di far collassare la
funzione d'onda di sistemi quantistici (che sono invece pure onde di
probabilita`) e pertanto di misurarli. Ma cosa determina se un sistema
e` classico o quantistico? Anzi, come fa la natura a sapere quale dei
due sistemi e` quello che misura e quale e` quello da misurare, in
maniera tale che possa far collassare quello da misurare e non quello
che misura? Perche', quando misuro un elettrone, collassa l'elettrone
e non collasso io? Intuitivamente, i fisici rispondono che un sistema
per essere classico deve essere "grande", in quanto
l'indeterminatezza e` tanto maggiore quanto piu` ci si avvicina alle
dimensioni della costante di Planck. Ma questo significa semplicemente
che gli oggetti "grandi" hanno un'immunita` dalle leggi
quantistiche che e` basata soltanto sulla loro dimensione. Quantomeno
bizzarro.
Roger Penrose ha recentemente
proposto che sia la gravita` a concedere quella immunita` speciale.
Gli oggetti "grandi" deformano lo spazio-tempo e cio` in
qualche modo causa il collasso spontaneo del sistema in una
possibilita` ben precisa. Ecco perche' i sistemi "grandi"
hanno una posizione e una forma ben definita. Analogamente, quando il
mio campo gravitazionale entra in contatto con quello di un sistema
"piccolo" (che si comporta come un sistema quantistico), lo
fa diventare parte di un sistema "grande" e pertanto di un
sistema classico. E pertanto lo posso misurare.
Il fatto rimane che nulla
nella fisica quantistica spiega cosa realmente accada quando un
sistema quantistico "collassa": il collasso corrisponde a un
cambiamento nello stato del sistema, oppure corrisponde semplicemente
a un cambiamento nella conoscenza che io ho di quel sistema?
Naturalmente, viene subito la
tentazione di puntare il dito verso la coscienza.
Forse il collasso e` dovuto al
fatto che un essere senziente compie la misurazione. Forse la mente
entra nel mondo attraverso il pertugio lasciato aperto dal principio
di indeterminatezza di Heisenberg. Forse la fisica quantistica ci sta
dicendo che la mente umana "deve" esistere affinche' il
resto dell'universo possa esistere, altrimenti non ci sarebbe nessuno
ad osservarlo e cio` significa che resterebbe in eterno nel limbo
delle possibilita`. La realta` e` il contenuto della nostra coscienza,
come ha scritto recentemente Eugene Wigner.
Un'altra possibilita` e`
quella di negare semplicemente che si verifichi questo misterioso
"collasso" della funzione d'onda. Invece di ammettere che il
futuro venga scelto a caso ogni volta che la funzione collassa, uno
puo` decidere che tutti i possibili futuri si verificano tutti
insieme. In ogni secondo l'universo si divide in miliardi di altri
universi, uno corrispondente a ogni possibile valore di ogni possibile
quantita` che uno potrebbe misurare. E` questa la teoria di Hugh
Everett: se qualcosa puo` succedere, allora succede... in qualche
universo. Una copia di me esiste in ogni universo. Io osservo tutti i
possibili risultati di una misurazione, ma lo faccio in universi
diversi. Fra coloro che credono in questa ipotesi si contano luminari
come David Deutsch e Stephen Hawking.
Wojciech Zurek pensa che tutto
contribuisca al collasso, e che il collasso possa avvenire per gradi
successivi. L'ambiente distrugge quella che Zurek chiama
"coerenza quantistica". E per "ambiente" intende
proprio tutto, dalla singola particella che transita per caso fino al
microscopio. L'ambiente causa "decoerenza" e la decoerenza
causa una sorta di selezione naturale alla Darwin: lo stato classico
che emerge da uno stato quantistico e` quello che meglio si
"adatta" all'ambiente. Non sorprende pertanto che, studiando
questo fenomeno, Zurek stia pervenendo a intriganti paralleli con il
fenomeno della vita (l'altro grande mistero della natura e`,
ovviamente, quello di come la materia vivente emerga dalla materia non
vivente).
Come fa il mondo classico,
fatto di oggetti e forme e confini e pesi e altezze, ad emergere da un
mondo quantistico, fatto soltanto di onde e di probabilita`? Forse la
risposta gettera` luce anche su altri misteri della natura, dalla vita
alla coscienza.
