Testa o croce? Decidono le fluttuazioni quantistiche

Testa o croce? Decidono le fluttuazioni quantistiche

21 febbraio 2013

Le fluttuazioni quantistiche che dominano il mondo microscopico si possono amplificare fino a
influire sulla realtà macroscopica. È la conclusione di uno studio teorico secondo cui la
probabilità è una caratteristica intrinseca della realtà e non una stima della capacità di
descrivere un fenomeno macroscopico. Questo visione implica che, per esempio, il risultato del
lancio di una moneta non è prevedibile neppure in linea di principio (red)

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l mondo alla scala microscopica può essere conosciuto solo attraverso leggi probabilistiche,
formalizzate dalla meccanica quantistica. Il mondo macroscopico, almeno per quanto riguarda la
meccanica, è invece fatto di eventi prevedibili. E quando si parla di probabilità nel mondo
macroscopico, per esempio 50 per cento testa e 50 per cento croce per il lancio di una moneta, lo si
fa per “ignoranza”, ovvero perché non ci sono dati sufficienti per effettuare una previsione
deterministica, possibile comunque in linea di principio.

Questa profonda dicotomia delle fisica raccontata e argomentata mille volte è messa in discussione
da Andreas Albrecht e Daniel Phillips dell’Università della California a Davis. In uno studio
postato su ArXiV, i due ricercatori sostengono che l’incertezza che nel mondo macroscopico ci porta
a formulare ipotesi probabilistiche non dipende affatto dalla nostra ignoranza, ma da un riflesso
della probabilità intrinsecamente collegata ai fenomeni quantistici.

L’argomentazione di Albrecht e Phillips inizia con un sistema fisico ideale: un fluido costituito da
molecole perfettamente elastiche e che collidono tra loro senza sosta. Secondo il principio
d’indeterminazione di Heisenberg non è possibile conoscere nello stesso momento la posizione e la
quantità di moto di una particella con precisione arbitraria.

Nel caso del fluido ipotizzato dai due fisici statunitensi, il principio implica che la traiettoria
delle molecole è intrinsecamente incerta. Non solo: l’incertezza aumenta a ogni collisione, cioè si
amplifica sempre più con il passare del tempo. E si può anche stimare di quanto con semplici formule
matematiche: basta considerare alcuni parametri plausibili per massa e dimensioni delle particelle,
per il loro camino libero medio (cioè lo spazio percorso in linea retta tra due collisioni
successive) e per la loro velocità media. Secondo i calcoli di Albrecht e Phillips, l’effetto
complessivo è che le proprietà macroscopiche di un fluido reale – quale può essere l’acqua o l’azoto
sotto forma di gas a temperatura e pressione ambiente – sono influenzate da fluttuazioni di natura
quantomeccanica, come avviene nel mondo microscopico delle molecole da cui è composto.

Se poi si passa a una scala dimensionale ancora più grande, come per esempio il “testa o croce”, le
conseguenze sono notevoli. I due fisici statunitensi infatti sottolineano che, a meno di situazioni
sperimentali create ad hoc, in genere una moneta è lanciata e afferrata da una mano, controllata da
processi neuronali, che a loro volta dipendono da segnali elettrici che si trasmettono in seguito
all’apertura di canali ionici posti sulla membrana dei neuroni.

Ora, gli ioni che entrano ed escono dai neuroni si trovano in un ambiente acquoso, nel quale entrano
in gioco le fluttuazioni quantistiche come quelle illustrate prima per il fluido ipotizzato dai due
ricercatori. In particolare, come dimostrato in uno studio del 2008, citato da Albrecht e Phillips,
nel caso del lancio di una moneta, i segnali neuronali responsabili del gesto e riconducibili al
flusso di ioni hanno un’incertezza temporale dell’ordine di un millisecondo. Se poi si considera
che, come calcolato dagli scienziati, durante la fase di volo la moneta compie mezzo giro in circa
un millisecondo, il quadro è chiaro. Tutto questo implica il gesto della mano che discrimina tra
testa e croce è intrinsecamente casuale, dato che risente di fluttuazioni quantistiche impossibili
da eliminare e tanto meno da non considerare .

Chiaramente – ammettono gli autori dello studio – quello del lancio della moneta è un caso
abbastanza anomalo: non sarebbe così agevole ricavare l’effetto delle fluttuazioni quantomeccaniche
nella maggior parte degli eventi macroscopici di cui siamo spettatori nella nostra vita quotidiana.

In ogni caso, lo studio serve a ricordare che spesso ci si affida ai concetti classici di
probabilità senza che ne sia stata data una validazione sistematica. Questo problema ha un riflesso
importante anche per le cosiddette teorie del multiverso, in cui si ipotizza l’esistenza di universi
paralleli al nostro. In queste teorie, sottolineano Albrecht e Phillips, quando si affrontano
questioni non risolvibili con la teoria quantistica si ricorre a concetti probabilistici classici,
che meriterebbero quindi un’elaborazione formale molto più rigorosa di quella attuale.

arxiv.org/abs/1212.0953