Meccanica quantistica: il collasso della funzione d’onda

Meccanica quantistica: il collasso della funzione d’onda

di Massimo Teodorani

Massimo Teodorani ci spiega che cosa si intende per collasso della funzione d’onda in meccanica quantistica e ci illustra il paradosso del gatto di Schrödinger…

dal libro “Entanglement”

Esperimenti, sia mentali che di laboratorio, hanno inesorabilmente dimostrato che le nostre
concezioni della realtà sono completamente inadeguate se rapportate al mondo della meccanica
quantistica, ovvero al regno dellinfinitamente piccolo. Qui non si tratta di palle da tennis o da
fottball, ma di particelle veramente minute che vanno dal fotone, allelettrone fino agli atomi.
Descrivere la traiettoria di questa particella non è una procedura deterministica come nel caso
della traiettoria di un satellite nello spazio o di una granata sparata da un cannone, ma richiede
lutilizzo di una particolare funzione matematica denominata funzione donda, il cui scopo è
quello di stabilire la probabilità che una particella si trovi in un posto anziché in un altro.

Ad esempio di un elettrone in virtù del Principio di Indeterminazione di Heisenberg non possiamo
determinare simultaneamente posizione e velocità, dal momento che la precisione della misura
delluna inficia quella dellaltra. Questo avviene perché il processo della misura di laboratorio
perturba le particelle stese: in tal modo abbiamo uninterazione indissolubile tra osservatore e
realtà osservata. Quando viene effettuata una misurazione, la particella naturalmente viene trovata
solo in un dato luogo, ma se si assume che la funzione donda fornisca una descrizione completa e
letterale di un sistema quantistico, ciò significa che tra una misurazione e laltra la particella
si dissolve in una sovrapposizione di onde di probabilità ed essa è potenzialmente presente in
molti differenti luoghi simultaneamente. Quando ha luogo losservazione, la funzione donda
collassa e in questo esatto momento troviamo la particella in un posto preciso.

Proprio per descrivere in maniera intuitiva questa situazione il grande fisico Erwin Schrödinger
inventò un paradosso che la descrive più che bene. Immaginiamo di avere una scatola contenente un
gatto, e poi immaginiamo un fotone che entri nella scatola con una mezza probabilità di essere
trasmesso e unaltra mezza di non esserlo. Se è trasmetto esso innesca un congegno che fa sparare un
fucile che uccide il gatto, mentre se non è trasmesso il gatto rimane vivo. Ma siccome il gatto è
dentro la scatola, noi non possiamo sapere se esso è vivo oppure morto. Questo è ben noto come il
paradosso del gatto di Schrödinger, e rappresenta il maniera intuitiva il concetto di
sovrapposizione degli stati quantistici, proprio quella descritta dalla funzione donda. Noi sapremo
se il gatto è vivo o morto solo nel momento stesso in cui apriamo la scatola. Latto di aprire la
scatola è esattamente equivalente al processo della misura e corrisponde a far collassare la funzione donda.

Un altro modo di vedere la situazione può esser descritto con una moneta. Se ad esempio mi trovo in
una stanza buia e lancio la moneta in aria e poi essa ricade, io non posso sapere se essa mostra
testa o croce perché la moneta si trova in una sovrapposizione di testa e di croce, fino a che non
accendo la luce. Allora in quel momento io faccio collassare la sovrapposizione di testa e croce
perché sono finalmente in grado di vedere quale delle due facce mostra la moneta. Dunque, misurare
qualcosa distrugge la sovrapposizione, forzando quello che è uno stato quantistico descritto dalla
funzione donda ad assumere uno stato classico in cui lidentità dei vari stati è decisa. Tutto
questo avviene nel mondo delle particelle elementari e il ruolo perturbativo dellosservatore è
assolutamente fondamentale, dato che egli interagendo con una realtà quantistica fatta di
sovrapposizioni di stati, porta questi stati ad assumere uno stato ben definito. Questo è ben spiegato dalla celebre frase del grande fisico teorico tedesco Pascual Jordan:

Non solo le osservazioni disturbano ciò che deve essere misurato, ma esse lo producono Noi
costringiamo un elettrone ad assumere una posizione definita ma siamo noi stessi che produciamo i risultati della misurazione.

E in maniera più filosofica Basil Hiley:

Noi siamo coinvolti, noi siamo partecipi della natura, e questo necessariamente significa che noi
non siamo in grado di avere una visione della natura per come essa effettivamente è fuori da noi;
noi non possediamo la virtù di un terzo occhio che ci permetta di avere una visione intellettuale della globalità della realtà.

Ne consegue che quello che noi sappiamo sulla particella prima che abbia luogo la misura, non è
esattamente informazione sulla particella ma su una specie di nuvola di probabilità in cui la
particella potrebbe trovarsi. Ma quando effettuiamo la misura improvvisamente la particella la
troviamo in un posto preciso: è stato il nostro atto di osservarla a farle assumere quella
posizione. Questa sconvolgenti deduzioni derivano da studi matematici rigorosi, tra i quali
sicuramente lequazione di Schrödinger è lespressione di punta nel campo della meccanica
quantistica, la quale comunque considera eventi subatomici non intesi come eventi reali ma come una
specie di media statistica di tutte e possibilità. Questa rappresenta la cossi detta
interpretazione di Copenhagen della meccanica quantistica, ovvero la prima elaborazione di questa
teoria (da parte del fisico teorico danese Niels Bohr), una teoria che ci aveva aperto le porte a un
mondo di misterioso e profondo ma non direttamente conoscibile dai sensi umani. Ma la meccanica
quantistica non si dimostrò solo essere una mera elaborazione matematica e astratta della realtà ma portò anche a esperimenti ancora più sconvolgenti della teoria stessa.

Tratto dal libro di Massimo Teodorani “Entanglement” (Macro Edizioni)

Entanglement
L’intreccio nel mondo quantistico: dalle particelle alla coscienza Autore: Massimo Teodorani
Editore: Macro Edizioni
Data pubblicazione: Luglio 2007
Tipo: Libro
Pagine: 184
Formato: 13,5×20,5
http://www.macrolibrarsi.it/libri/__entanglement_massimo_teodorani.php?pn=1567

Massimo Teodorani è un astrofisico di Cesena. Dopo essersi laureato in astronomia con una tesi
teorico-matematica sulla evoluzione fluidodinamica di un residuo di supernova, ha successivamente
conseguito il dottorato di ricerca in fisica stellare con una tesi osservativa sulle stelle binarie
strette di grande massa e relativi trasferimenti esplosivi di massa. Ha lavorato presso gli
osservatori di Bologna e Napoli e al radiotelescopio del CNR di Medicina (BO). In parallelo alla
ricerca astrofisica ha condotto ricerche in fisica dei plasmi atmosferici con particolare interesse
per il fenomeno luminoso di Hessdalen, dove come direttore scientifico ha svolto diverse missioni
sul campo. Svolge tuttora ricerche teoriche nel campo del progetto SETI e prosegue la sua ricerca sulla fisica dei fenomeni luminosi anomali.