L'esperimento di Afshar (Prefazione a cura del Prof. Luigi M.Caligiuri) - WWW.OLOSCIENCE.COM

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L'esperimento di Afshar (Prefazione a cura del Prof. Luigi M.Caligiuri) - WWW.OLOSCIENCE.COM

  1. 1. Aracne Editrice S.r.l., via R. Garofalo, 133/A-B, 00173 Roma “L’Esperimento di Afshar. Verso un nuovo approccio al principio di complementarità” (di Fausto Intilla) Prefazione a cura del Prof. Luigi Maxmilian Caligiuri (Docente di fisica e ricercatore presso il Wessex Institute of Technology, UK) _____________________________________Il grande Richard P. Feynman, scherzando, era solito dire: “Se credete diaver capito la teoria dei quanti, vuol dire che non lavete capita “, mentreErwin Schrödinger, uno dei suoi padri fondatori, affermava: “Non mi piace,e mi spiace di averci avuto a che fare”.Tali affermazioni, al di la dell’evidente umorismo, celano un reale eprofondo senso di disagio e di difficoltà agli stessi fisici che l’hannoelaborata partendo dai modelli della fisica quantistica, la quale, oltre afornire previsioni spesso sconcertanti e lontanissime dal senso comune edall’intuizione, rimane ad oggi, sostanzialmente, oscura nei suoi aspetti piùfondamentali e nei suoi postulati.Tuttavia, in maniera direttamente proporzionale alla difficoltà di una suaunivoca interpretazione, essa è stata ed è in grado di fornire una descrizionedella realtà atomica e subatomica incredibilmente attendibile, rendendoconto di una miriade di fenomeni, altrimenti inspiegabili nell’ambito dellafisica pre-quantistica (a tal punto che, quasi sicuramente, non sarebbe statapresa assolutamente in seria considerazione, se i risultati sperimentali nonavessero lasciato altra scelta). La fisica quantistica, fornisce infatti unavisione della realtà completamente diversa da quella offerta dalla fisicaclassica e, nonostante essa venga usata costantemente per costruire teorie,interpretare risultati e fornire previsioni, non siamo assolutamente sicuri dicosa essa sia veramente.La meccanica quantistica ha rappresentato e rappresenta un poderoso“strumento di calcolo” (emblematica è, a tal proposito, la fraseerroneamente attribuita a Feynman, coniata da David Mermin: “zitto ecalcola!”), utilizzato in maniera sostanzialmente pragmatica, relegandospesso in secondo piano o ignorando (adottando dunque quella che secondoSean Carroll, è semplicemente “la vecchia strategia della rimozione”), ilproblema di fondo del suo reale significato.
  2. 2. Diversamente dalla fisica classica, la cui “interpretazione” risulta del tuttounivoca, la meccanica quantistica è caratterizzata, oggi, da diverse possibiliinterpretazioni inerenti ai suoi presupposti, metodi e risultati. Il problemacentrale alla base di tale molteplicità di chiavi interpretative, risiedefondamentalmente nel cosiddetto “problema della misura”. Questo attienealla constatazione che (diversamente dalla fisica classica, nella quale èpossibile misurare con una precisione virtualmente grande a piacere, ilvalore di qualsiasi grandezza fisica), la fisica quantistica pone un limiteintrinseco (indipendente dalla tecnica di misura e dal tipo di apparatosperimentale utilizzato), alla possibilità di misurare con precisione una datagrandezza fisica senza interferire, in maniera distruttiva, con il sistemafisico stesso.Una delle conseguenze più importanti del problema della misura, riguarda lecaratteristiche di irreversibilità che la meccanica quantistica sembraassociare al processo di misura stesso; apparendo quindi in contrasto con ilcarattere reversibile di tutte le leggi fondamentali della fisica oggi note. Inquesto senso, esso risulta indissolubilmente legato ad un altro problemafondamentale della fisica: quello della “freccia del tempo”1.Il problema della misura, è stato magistralmente descritto da ErwinSchrödinger per mezzo del famoso paradosso del “gatto di Schrödinger”. Inestrema sintesi, la questione riguarda la differenza fondamentale che lameccanica quantistica pone, tra ciò che potremmo definire come“conoscenza incompleta” di un sistema fisico (legata alla nostra ignoranza olimite di misurazione sul sistema considerato) e la “indeterminazionequantistica intrinseca” (legata alle limitazioni quantistiche connesse allaconoscenza del sistema).Ciò è dovuto al modo in cui, in fisica quantistica, viene definito lo stato diun sistema fisico, o più correttamente, il suo spazio degli stati, attraverso unoggetto matematico chiamato funzione d’onda; che non fornisce,diversamente dalla fisica classica, la posizione dei componenti del sistema,ma la probabilità che questi occupino, in un dato istante, una certa posizionenello spazio. Se un sistema quantistico può trovarsi in più stati differenti,esso si trova, in generale, in un istante generico, in nessuno dei suoi stati.In questo senso non è definibile un “luogo” ben preciso in cui un sistema sitrovi ad esistere, poiché esso infatti può ritrovarsi, con probabilità non nulla,in qualsiasi punto dello spazio in un istante definito: esso cioè si trova, inuno stato che è caratterizzato da una sovrapposizione di tutti i suoi statiquantistici possibili. Ciò che sappiamo con certezza, è solo che il sistema èdescritto da una sua precisa funzione d’onda che, d’altra parte, nonpossiamo né vedere e neppure misurare, in quanto essa non ci fornisce il1 L.M. Caligiuri. Il tempo: realtà o illusione ?. Scienza e Conoscenza. n. 43,febbraio 2013,pagg. 56-63.
  3. 3. valore di una grandezza fisica associata al sistema, ma soltantoun’informazione probabilistica relativa a tale grandezza.È come dire, riferendoci alle posizioni occupate da un sistema quantisticoall’interno di una stanza, che ciò che possiamo conoscere, al variare deltempo, non è la posizione del sistema in ogni punto della stanza, ma laprobabilità che esso si trovi nei diversi punti della stanza, data dal modulo alquadrato dell’ampiezza della funzione d’onda complessa. In questo senso lafunzione d’onda si comporta effettivamente come un’onda (che assumevalori e si “propaga” in ogni punto dello spazio e del tempo e che è soggettaai fenomeni tipici delle onde), che tuttavia non trasporta energia o materia,ma pura informazione.Ma quale ruolo ha, allora, il processo di misurazione sul comportamentodella funzione d’onda? Ebbene è proprio qui che la meccanica quantisticamanifesta, in tutta la sua forza, la sua sostanziale differenza rispetto allafisica classica. Il ruolo essenziale è svolto infatti dall’osservatore (o meglio,dell’osservazione) sull’evoluzione del sistema. Semplicisticamenteparlando, se un sistema fisico quantistico può evolversi secondo duealternative esclusive, esse sono in generale equiprobabili finché noninterviene l’osservazione di quali delle due possibilità il sistema haeffettivamente sperimentato. Un sistema quantistico, che si evolve dunquesenza essere “osservato”, manifesta una distribuzione casuale rispettoall’occorrenza dell’una o dell’altra delle alternative possibili; mentre in unsistema “osservato”, il risultato finale cambia drasticamente. Ciò che accadeè dovuto al fenomeno dell’interferenza tra le funzioni d’onda quantistichedei due stati possibili che, come onde, si sovrappongono dando origine alletipiche figure di interferenza proprie delle onde classiche. Ciò determina, infunzione del tipo di osservazione, la possibilità di differenti risultaticompletamente differenti dal caso “imperturbato”; da ciò è possibile dedurreche, se un sistema non viene osservato, esso si comporta in modocompletamente diverso rispetto al caso in cui esso venga osservato. Ma cosasignifica “osservare”? Questo è il punto centrale del problema dellamisurazione e dalla sua risoluzione, dipende la comprensione di cosa siarealmente la fisica quantistica; ma è proprio a questo punto che le suediverse possibili interpretazioni si differenziano (talune divergendosostanzialmente tra loro).L’interpretazione di Copenaghen, che ha dominato fino al passato recente ilpanorama della scienza “ufficiale” ed “ortodossa”, spiega il risultato dellamisurazione in termini di collasso della funzione d’onda (che rappresentauno degli aspetti maggiormente problematici di tutta la fisica quantistica).Nel processo di collasso, la funzione d’onda si trasforma ex abrupto ediscontinuamente, in seguito alla misurazione, in una funzione d’ondacompletamente differente, corrispondente al 100 % di probabilità dell’esitoeffettivamente riscontrato (annullando la probabilità di qualsiasi altrorisultato). Ecco così “spiegato”, in modo piuttosto semplice, un punto assai
  4. 4. misterioso; ovvero l’assenza d’interferenza, in seguito all’osservazione.Purtroppo, al di la dell’apparente semplicità, tale “interpretazione”, implicadiverse e profonde problematiche ancora irrisolte. Infatti, se per un versoquesta interpretazione della realtà, spiega bene i dati sperimentali(assegnando la giusta probabilità ai risultati della misurazione dellagrandezza in esame), dall’altro non fornisce alcuna spiegazione sull’originedel collasso stesso e di cosa sia in realtà una “osservazione”. L’osservazionepresuppone necessariamente la presenza di un soggetto cosciente? E cosa èla coscienza? È forse essa stessa assimilabile al collasso di una funzioned’onda ed ha un ruolo cruciale nelle leggi fondamentali della fisica? Ilcollasso avviene “istantaneamente” o in maniera graduale? Sono tuttedomande fondamentali alle quali l’interpretazione di Copenaghen non è ingrado di rispondere.Ma uno degli aspetti più critici di tale interpretazione è senza dubbiol’irreversibilità a cui esso sottintende. Le regole che “gestiscono” il collassosono infatti fondamentalmente due: a) Se non si eseguono osservazioni, la funzione d’onda di un sistema evolve in maniera continua e deterministica, secondo l’equazione di Schrödinger (analoga all’equazione di Newton per i sistemi classici). L’informazione sul sistema si conserva nel tempo e l’evoluzione del sistema stesso, risulta essere reversibile. b) L’osservazione determina il collasso della funzione d’onda in una nuova e diversa funzione, in maniera imprevedibile. In tale processo l’informazione non viene conservata e l’evoluzione del sistema risulta essere irreversibile (non c’è corrispondenza biunivoca tra la funzione d’onda post-collasso e quella ante-collasso).Il processo di misurazione introduce quindi un elemento di natura casuale,oseremo dire “soggettivo”, nell’evoluzione di un sistema fisico (che sitraduce in una “impredicibilità deterministica” dell’esito della misurazione),che a sua volta ne determina il carattere irreversibile. Lungo una simileevoluzione, si fissa una ben precisa freccia del tempo, che tuttavia poneanch’essa un ulteriore problema interpretativo (dal momento che questa nonsembra associata alle leggi fisiche fondamentali, quanto piuttosto allecaratteristiche evolutive statistiche dei sistemi complessi)2.La maggior parte dei fisici accetta passivamente tale situazione, senzapreoccuparsi dei profondi risvolti che tale concezione determinasull’interpretazione della realtà; mentre una minoranza “illuminata”,fortunatamente, interrogandosi sui fondamenti della meccanica quantistica,2 Per una rassegna. L.M. Caligiuri, http://www.scienzaeconoscenza.it/articolo/la-freccia-del-tempo-prima-parte.php
  5. 5. considera tale approccio insufficiente (seppur assolutamente “utile” a finisperimentali).Uno dei punti più controversi dell’interpretazione di Copenaghen, èrappresentato dalla netta distinzione tra un sistema quantistico e unosservatore fondamentalmente classico che interagisce con il sistema,determinando il collasso della funzione d’onda.Tale dualismo tra sistema quantistico osservato ed osservatore classico, ha ilsuo contraltare sperimentale nel fondamentale ontologico dualismointrodotto dalla meccanica quantistica, tra comportamento ondulatorio ecomportamento corpuscolare della materia, evidenziato negli esperimenti didiffrazione (il cui prototipo è rappresentato dall’esperimento della doppiafenditura, nelle sue diverse varianti realizzative). Ma è proprio così? Esistequalche evidenza sperimentale del contrario? L’esperimento di Afshar,oggetto dell’omonimo saggio di Fausto Intilla, rappresenta un elemento dirottura nello scenario di interpretazione ortodosso di Copenaghen,proponendo la possibilità che gli aspetti di natura ondulatoria e corpuscolaredei sistemi quantistici, lungi dall’escludersi a vicenda (principio dicomplementarità), manifestandosi in maniera esclusiva nei risultati degliesperimenti a seconda di come questi vengono condotti, potrebbero essererivelati contemporaneamente nel medesimo esperimento. La possibilità diintervenire nella misurazione, senza alterare lo stato di “super-posizionecoerente” (anche in presenza di informazione precisa sullo stato quantisticodel sistema, ovvero di informazione di tipo “which-way”), rappresenterebbela dimostrazione sperimentale della negazione del collasso della funzioned’onda; mettendo così in profonda crisi l’impostazione della meccanicaquantistica della scuola di Bohr.È forse superfluo sottolineare che l’esperimento in questione, condotto perla prima volta nel 2001 dal fisico iraniano-americano Shahriar Afshar pressol’IRIMS di Boston, suscitò fin da subito reazioni contrastanti, dividendo lacomunità scientifica in detrattori e sostenitori dell’interpretazione deirisultati sperimentali dell’esperimento; i quali, con motivazioni più o menovalide (egregiamente sintetizzate nel saggio di Intilla), intendevano fornirerispettivamente elementi critici o a supporto dei risultati di Afshar. Per laverità i detrattori, in molti casi spinti più dal timore della messa indiscussione dello proprio status quo accademico che da un autentico spiritodi ricerca di comprensione e verità, bollarono sostanzialmente l’esperimentocome un “flop”, dichiarandone false le conclusioni, mentre numerosi emeritiscienziati, aperti al confronto e alla messa in discussione di un’ortodossiapalesemente problematica e necessitante di ulteriore comprensione edapprofondimento, trovarono molto interessante quanto sostenuto dal fisicoiraniano, utilizzando i suoi risultati come spunto per lo svolgimento diulteriori ricerche.Del resto, segni importanti dell’insufficienza dell’interpretazione diCopenaghen si erano già manifestati con largo anticipo molti anni prima
  6. 6. dell’esperimento di Afshar, costituendo i presupposti delle interpretazionialternative a quella di Bohr. Interpretazioni principalmente riassunte nellacosiddetta (…tra l’altro interessantissima) “Teoria a Molti Mondi” (MWI)della meccanica quantistica (che nega il collasso della funzione d’onda,inglobando la funzione d’onda dell’osservatore in un’unica funzione d’ondache comprende osservato ed osservatore). Oppure, per citarne solo un’altratra le più famose, nell’altrettanto affascinante “InterpretazioneTransazionale della Meccanica Quantistica” (TIQM), espressa in termini disovrapposizione di onde di probabilità ritardate (provenienti dal passato) edanticipate (provenienti dal futuro!). Interpretazioni entrambe foriere diprofonde implicazioni, non solo in riferimento alla ricerca della tantoagognata “Teoria del Tutto”, ma anche, ad esempio, ad uno dei misteri piùintriganti ed affascinanti di tutti i tempi: quello rappresentato dall’eventuale(…nonché reale) possibilità di “viaggiare” nel tempo!Senza rivelare qui ulteriori dettagli sul tema del saggio che segue, evitandocosì di privare il lettore del piacere di acquisirli dalla lettura dell’ottimosaggio di Intilla (che, con costante rigore scientifico ma con linguaggio alcontempo accessibile, ne spiega i presupposti, i metodi ed i risultati), milimiterò ad osservare che (a prescindere dal verdetto finale sul risultatodell’esperimento, a tutt’oggi ancora dubbio), grande merito del volume èindubbiamente da rintracciarsi nella riproposizione urgente e forte(attraverso un argomento originale, interessante e forse a molti poco noto),del tema dell’insufficienza dell’interpretazione ortodossa della meccanicaquantistica e della necessità dunque di rivederne profondamente ipresupposti (possibilmente alla luce di teorie più ampie, all’interno dellequali potranno essere chiariti definitivamente i punti oscuri che oggi lacaratterizzano). Un saggio dunque altamente stimolante ed interessante cheripropone all’attenzione della comunità scientifica, ma anche del comunelettore curioso e smaliziato, una riflessione profonda e necessaria suifondamenti della fisica contemporanea.Cosenza, addì 14 marzo 2013 Luigi Maxmilian Caligiuri

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