Interferenza quantistica

 (F.Coppola, Il segreto dell’universo, cap. 3) Iniziamo ad analizzare alcuni esperimenti quantistici davvero incredibili. Molti dei seguenti esperimenti sono descritti in un ottimo articolo pubblicato su Le Scienze n.289 del 1992, La filosofia dei quanti di J.Horgan. Seguiamo attentamente. Partiamo da un esperimento di importanza fondamentale. Consideriamo una sorgente di particelle “classiche” che vengono inviate su un bersaglio: per esempio una mitragliatrice che spara verso di un muro distante 10 metri (non in una direzione fissa, ma in modo da coprire tutto il muro). Quindi frapponiamo una “maschera” tra la sorgente ed il bersaglio, ovvero uno schermo forato, a circa 2 metri dal bersaglio: la maschera può essere una lastra di metallo con due fori rettangolari stretti e lunghi (che chiameremo “fenditure”), disposte come in figura 1.

Fig.1 La maschera con le due fenditure

È evidente che sul bersaglio (sul muro) giungeranno solo i proiettili in corrispondenza dei due fori, mentre gli altri verranno fermati dalla maschera. In definitiva, i proiettili che colpiranno il bersaglio formeranno due rettangoli stretti e lunghi che saranno la “proiezione” sul bersaglio dei due fori della maschera (figura 2).

Fig. 2 – La maschera ed il bersaglio nel caso dei proiettili

  Siamo nell’ambito della fisica classica ed è tutto chiaro e comprensibile. Ora ripetiamo l’esperimento con delle onde al posto dei proiettili, per esempio delle onde sonore. In tal caso le onde colpiranno il bersaglio non soltanto in corrispondenza dei due fori, ma anche in altre parti del muro; se si potessero visualizzare le parti colpite con maggiore e minore intensità, vedremmo una tipica figura a frange detta figura di interferenza, che si estende ben oltre la proiezione delle fenditure. Ciò è dovuto ad un fenomeno ondulatorio detto interferenza: grazie a tale fenomeno, le onde possono colpire regioni del bersaglio che sarebbero irraggiungibili per i proiettili. 

Fig.3 La figura di interferenza nel caso delle onde

  Va aggiunto che se si tappa una delle due fenditure, l’interferenza non può più avere luogo, e la distribuzione delle onde sul bersaglio diventerà simile a quella dei proiettili, ovvero sullo schermo si vedrà la proiezione dell’altra fenditura, quella aperta (in realtà apparirà un po’ dispersa a causa di un fenomeno ondulatorio chiamato diffrazione, ma questo non cambia il nocciolo della questione). Si usa dire che in tal caso la figura di interferenza viene “distrutta”. Anche questo è perfettamente comprensibile in termini di fisica classica. Passiamo adesso al caso quantistico: consideriamo degli elettroni e ripetiamo un esperimento simile, ovviamente su scale molto più piccole. La sorgente emette elettroni distinti, cioè particelle e non onde, e quindi ci aspettiamo di avere la stessa situazione che si presentava nel caso dei proiettili: gli elettroni dovrebbero colpire solo due zone rettangolari in corrispondenza delle fenditure. Invece otteniamo una figura di interferenza come nel caso delle onde! Eppure non si tratta di onde, ma di particelle distinte. Proviamo a rallentare il processo ed inviare un singolo elettrone alla volta: ovvero aspettiamo che un elettrone giunga sul bersaglio prima di far partire il successivo. Esso viene emesso come una particella singola; supera la maschera; e raggiunge il bersaglio come particella singola. Esso però può colpire zone del bersaglio irraggiungibili ad una particella, come se fosse un’onda! Continuando ad inviare singoli elettroni, uno alla volta, alla fine essi ricostruiscono la figura di interferenza tipica delle onde! Sebbene si tratti di particelle singole, nell’attraversare la maschera ciascuna di esse si comporta come un’onda estesa che produce interferenza.   

Fig. 4 – Gli elettroni formano la figura di interferenza!

  Ma com’è possibile che un singolo elettrone si comporti come un’onda e faccia interferenza con se stesso?! E da quale dei due fori passa il singolo elettrone? Per poter produrre l’interferenza, esso deve essere un’onda e passare contemporaneamente dai due fori, il che secondo noi non è possibile per una particella singola. In questo ragionamento chiaramente applichiamo all’elettrone il concetto di “particella classica”, ma esso non è più valido in meccanica quantistica. In realtà, finché l’elettrone non viene rivelato sul bersaglio, esso non si trova mai in un punto preciso dello spazio (cioè in un autostato della posizione), ma esiste in uno stato potenziale astratto descritto da una funzione d’onda, che si propaga appunto come un’onda e non secondo una traiettoria definita. De Broglie e Schrödinger tentarono di descrivere tutto il mondo quantistico in termini di onde, abolendo il concetto di particella. Bohr ed altri fisici però obiettarono che all’atto della rivelazione l’elettrone si comporta come una particella e non un’onda (la funzione d’onda collassa in un punto) e fecero notare altri aspetti tecnici che rendono vana la spiegazione puramente ondulatoria. A questo punto possiamo immaginare di “smascherare il trucco” andando a vedere che cosa fa realmente l’elettrone nell’attimo in cui attraversa la maschera. Nella nostra convinzione infatti l’elettrone deve oggettivamente passare da uno dei due fori e non dall’altro (questo è il cosiddetto “realismo” di Einstein), e noi vogliamo “coglierlo” in quell’attimo per scoprire il suo segreto: sarebbe come osservare attentamente un prestigiatore e riuscire a scoprire l’attimo in cui effettua il suo trucco. Ma per cogliere l’elettrone sul fatto, dobbiamo rivelarlo. Per far ciò, possiamo inviare sull’elettrone una debole luce e verificare se viene riflessa da esso. Quindi poniamo una debole sorgente luminosa dietro uno dei due fori, e vediamo se riusciamo a cogliere l’elettrone. Questo è sperimentalmente possibile, ma così facendo la figura di interferenza scompare! Infatti: o l’elettrone passa dal nostro foro, quindi viene individuato dal nostro rivelatore, e in quell’attimo diventa “particella reale”; oppure passa dall’altro foro, ma quando passa da un foro solo – sia esso onda o particella – non può produrre interferenza! La meccanica quantistica non ci permette di avere contemporaneamente la figura di interferenza e la conoscenza del singolo foro da cui l’elettrone è passato. O l’uno o l’altro: o l’elettrone viene rivelato come particella oggettiva, e quindi non produce interferenza, o è un’onda estesa, ed in tal caso non passa da un solo foro, bensì da tutte e due (ma anche quest’ultima affermazione ha delle limitazioni e dovremmo dire: “è come se fosse passata da tutte e due”).

XII – La spiegazione ‘operativa’ non è esauriente.

Alcuni fisici in passato tendevano a sottovalutare tale fenomeno e preferivano dare una spiegazione “operativa” di quello che succede: per vedere l’elettrone mentre passa da un foro, dobbiamo osservarlo, quindi inevitabilmente dobbiamo perturbare il sistema e la figura di interferenza scompare. I fisici “realisti” quindi non si meravigliavano più di tanto: abbiamo perturbato il sistema con una misura “invasiva”, ed esso si è adeguato: che cosa c’è di tanto strano? In realtà questa spiegazione, pur essendo parzialmente valida, ignora alcune implicazioni molto più profonde, rivelabili solo con altri esperimenti. Infatti è possibile fare scomparire la figura di interferenza con un’azione molto più “evanescente” di quella considerata finora, ovvero senza una misura invasiva. In pratica basta solo la “minaccia” di una misura a far cambiare stato al sistema! A tal proposito analizzeremo poco più avanti gli strabilianti esperimenti del gruppo di L.Mandel e di altri gruppi. Prima però rimaniamo sull’esperimento dei due fori per notare un aspetto incredibile previsto dal fisico Wheeler, che smentisce l’apparente “ragionevolezza” della spiegazione “operativa” dell’esperimento (basata sul fatto che la misura è “invasiva”). Gli esperimenti in questione possono essere effettuati indifferentemente su elettroni o su “fotoni”; i fotoni sono “quanti di luce”. Infatti a livello quantistico le particelle che noi chiamiamo “materiali” si comportano in un modo che per molti versi è simile a quello in cui si comportano i “campi di forze”, come per esempio i campi elettromagnetici (la luce è appunto un campo elettromagnetico che si propaga come un’onda). Ovviamente vi sono varie differenze tra cosiddette “particelle materiali” e “campi di forze” (per esempio i primi sono “fermioni” e i secondi “bosoni”, il che crea delle differenza nel loro comportamento collettivo): tali differenze però non sono determinanti negli esperimenti che stiamo analizzando. In definitiva l’esperienza dei due fori si può effettuare anche con dei fotoni (quanti di luce), ed anzi risulta molto più semplice che con gli elettroni (è sufficiente utilizzare un laser). Ed ora analizziamo l’esperimento proposto da Wheeler.

XIII – L’esperimento ‘a scelta ritardata’ di Wheeler.

Immaginiamo un fotone che passa attraverso i due fori, come un’onda, e fa interferenza con se stesso. Come abbiamo visto, per distruggere la figura di interferenza, è sufficiente osservarlo “subito dopo” che è passato da un foro: in tal caso esso non è più un’onda ma una particella e quindi non può passare anche dall’altro foro. E poiché non può passare dall’altro foro la figura di interferenza scompare. Perciò noi possiamo “decidere” se osservare il fotone come particella o se permettergli di fare la figura di interferenza come un’onda. Benissimo. Abbiamo detto che riveliamo il fotone “subito dopo” che è transitato dal primo foro. “Subito dopo” significa che è passato pochissimo tempo dal transito nel foro. Ma per quanto piccolo sia il tempo trascorso, il fotone comunque ha già oltrepassato il foro; inoltre fino a questo momento esso è rimasto un’onda perché non l’abbiamo ancora rivelato. Perciò nel frattempo l’onda ha già imboccato anche l’altro foro e lo ha oltrepassato. E allora come fa il fotone ad essere rivelato “tutto intero” vicino al primo foro? Che fine fa il fronte d’onda che aveva appena oltrepassato il secondo foro? Scompare nel nulla? Sembra proprio di sì, ma com’è possibile? Per chiarire questo punto, Wheeler propose di fare così: lasciamo che il fotone passi attraverso la maschera, come un’onda, passando da entrambi i fori. A questo punto, dopo che il fronte d’onda ha superato la maschera, inseriamo un rivelatore non lontano dal primo foro, ma neanche tanto vicino (cioè quanto basta per essere sicuri che nel frattempo tutto il fronte d’onda sia già sicuramente transitato dalla maschera). In pratica vogliamo effettuare la scelta di osservare il fotone come particella, però dopo che esso è transitato da entrambi i fori come un’onda. Infatti l’esperimento è chiamato “a scelta ritardata”. L’esperimento è stato realmente effettuato da alcuni scienziati dell’Università del Maryland. Ebbene, inserendo il rivelatore dopo che l’onda è transitata dalla maschera, esso individua il fotone come particella e perciò la figura di interferenza non si crea. Ma allora che fine fa la parte dell’onda già transitata dal secondo foro?! Scompare nel nulla, poiché il fotone viene rivelato interamente vicino al primo foro! Eppure, diciamo noi, l’onda era transitata sicuramente anche dal secondo foro: infatti, se non si inserisce il rivelatore (lasciando inalterato tutto il resto), si forma la figura di interferenza (che può formarsi solo se l’onda transita da entrambi i fori). E allora com’è possibile?! La realtà è che anche stavolta cerchiamo di fornire un’immagine oggettiva di ciò che accade: ma un’immagine oggettiva non è adeguata. Non ha senso dire che “l’onda è già passata”, perché solo all’atto della misura possiamo dire che qualcosa è avvenuto: prima della misura il fotone rimane in uno stato indefinito di potenzialità o di non-oggettività (qualcuno preferisce dire perfino di irrealtà). Quando poi inseriamo il rivelatore, allora possiamo dire con certezza che il fotone era passato solo dal primo foro e non dal secondo foro, e infatti non c’è interferenza. Quando invece non inseriamo il rivelatore, e riveliamo dei fotoni sul bersaglio (con figura di interferenza), allora possiamo dire che ciascun fotone ha fatto interferenza come se fosse un’onda transitata da entrambi i fori; ma questo lo possiamo dire solo dopo che il fotone viene rivelato sul bersaglio (in un punto raggiungibile solo da un’onda ma non da una particella), cioè dopo la misura. La cosa che a noi appare incredibile è che ciò che il fotone ha deciso di fare sulla maschera (passare da un foro solo o entrambi) dipende da una scelta successiva al transito stesso! Infatti il rivelatore viene inserito dopo che il fronte d’onda è transitato dalla maschera. Come dice Wheeler, la “scelta” di far passare il fotone da un solo foro o da entrambi è “ritardata”, cioè avviene dopo che il fotone è passato! Affinché la cosa non risulti incredibile, dobbiamo ammettere che ciò che è successo prima non è definito. Occorre specificare che l’esperimento condotto nell’Università del Maryland non è stato impiegato uno schermo con due fori ma un’apparecchiatura concettualmente equivalente: un fascio laser è stato diviso in due fasci separati, uno dei quali attraversava un rivelatore (che poteva essere “acceso” o “spento”), ed infine i due fasci venivano fatti convergere nel rivelatore finale, dove si poteva verificare l’eventuale interferenza.

XIV – Un incredibile paradosso astronomico.

Come sottolinea Wheeler, l’esperimento sopra analizzato fornisce un risultato assurdo se continuiamo a considerare “oggettivo” l’universo. Per rendere ancora più strabiliante questa assurdità, Wheeler fa notare che l’esperimento in questione, se considerato su scala astronomica, può produrre risultati sbalorditivi. Ecco un esempio. Oggi conosciamo alcuni oggetti astronomici lontanissimi, chiamati quasar. Per giungere fino a noi, la luce di un quasar impiega miliardi di anni. Se nel percorso incontra una galassia di grande massa, che in base alla relatività generale di Einstein può funzionare da “lente gravitazionale”, il fascio di luce si divide in due fasci che aggirano la galassia da due parti opposte (infatti noi dalla Terra otteniamo delle immagini sdoppiate di alcuni quasar). Immaginiamo che il quasar si trovi a dieci miliardi di anni luce di distanza e la galassia-lente a otto miliardi. Se noi sulla Terra vogliamo osservare il quasar, possiamo scegliere di far produrre interferenza ai due fasci, oppure di rivelare i singoli fotoni di ciascun fascio. Il concetto è identico a quello dell’esperimento precedente. Proviamo a chiederci se otto miliardi di anni fa il singolo fotone è passato da entrambi i lati rispetto alla lontana galassia (come un’onda) oppure da un lato solo (come una particella). Ebbene, se continuiamo a mantenere una concezione oggettiva dell’universo, la risposta dipende da come decidiamo di osservarlo noi oggi! Se oggi noi scegliamo di rivelare la figura di interferenza, allora otto miliardi di anni fa il fotone ha deciso di percorrere entrambi i cammini. Viceversa, se noi scegliamo di vedere il singolo fotone su un singolo cammino, allora otto miliardi di anni fa il fotone ha scelto di comportarsi come una particella! Nel momento in cui noi cambiamo idea e lo osserviamo in un modo invece che nell’altro, il fotone che sta arrivando è già preparato alla nostra scelta! In pratica, come dice l’articolo di J.Horgan (Le Scienze n.289), “i fotoni devono aver avuto una sorta di premonizione, per sapere come comportarsi in modo da soddisfare una scelta che sarebbe stata fatta da esseri non ancora nati su un pianeta ancora inesistente”! Ciò che risolve il paradosso è che l’universo non si trova in uno stato pienamente oggettivo, ma le sue caratteristiche fisiche sono in parte determinate dall’osservatore cosciente (anche se solo a livelli quantistici si riesce a rivelare chiaramente tale piccola influenza).

XV – La ‘conoscenza’ di un sistema ne altera lo stato.

All’inizio degli anni ‘90 Mandel dell’Università di Rochester ed i suoi collaboratori hanno compiuto un esperimento straordinario, che potremo analizzare in un certo dettaglio. Nel paragrafo XII avevamo visto che alcuni fisici in passato davano una banale interpretazione “operativa” dell’esperimento con le due fenditure: poiché la misurazione è necessariamente “invasiva”, è inevitabile che il sistema fisico alteri il suo stato. Ma l’esperimento di Mandel ed altri di ottica quantistica a cui accenneremo più avanti hanno dimostrato che è sufficiente qualcosa di molto più evanescente di una misurazione per far cambiare lo stato fisico di un sistema: è sufficiente laconoscenza potenziale che possiamo avere di tale sistema! Magia? No, fisica contemporanea. Horgan, nel suo articolo su Le Scienze n.289, riporta il commento scherzoso dei fisici Jaynes e Scully, che hanno parlato addirittura di “negromanzia medievale” a proposito di questi esperimenti. Lo stesso Horgan parla di “fotoni psichici” e si ricollega alla filosofia del celebre vescovo Berkeley (secolo XVIII), che può essere definita un “empirismo idealistico”. Berkeley affermò Esse est percipi, ovvero “esistere è essere percepito”. Berkeley intendeva dire che l’esistenza di una qualsiasi entità in natura può essere solo testimoniata da una percezione cosciente, per cui tutta la realtà può essere ridotta ad atti di consapevolezza, ovvero a idee, senza che sia necessario che la materia esista oggettivamente! Ma torniamo agli aspetti pratici e vediamo l’esperimento di Mandel. Anzitutto ricreiamo una situazione simile a quella del fotone che transita attraverso le due fenditure, ma per mezzo di un dispositivo diverso, cioè uno specchio semi-riflettente (detto anche divisore di fascio): esso trasmette la luce al 50%, ovvero solo metà dell’intensità luminosa riuscirà ad attraversare lo specchio, mentre l’altra metà sarà riflessa. Analizzando i singoli fotoni, in una descrizione tradizionale diremmo che la probabilità che un fotone attraversi lo specchio (invece di essere riflesso) è del 50%. Se consideriamo 100 fotoni, secondo la logica convenzionale ci aspettiamo statisticamente che circa 50 fotoni attraversino lo specchio, mentre gli altri 50 vengano riflessi: il fascio iniziale di 100 fotoni quindi sarà diviso in due fasci diversi che percorrono cammini diversi. Questo però è vero solo se abbiamo modo di rivelare esplicitamente i singoli fotoni, altrimenti dobbiamo ammettere che ciascun fotone si troverà in uno strano “stato di sovrapposizione”, cioè al 50% attraverserà lo specchio ed al 50% sarà riflesso. In altre parole, il percorso di ciascun fotone sarà indefinito, poiché “per metà” passerà attraverso lo specchio e “per l’altra metà” verrà riflesso, sebbene esso sia indivisibile! Se noi non misuriamo esplicitamente il percorso seguito dal fotone e facciamo incidere i due percorsi potenziali su uno schermo, otterremo la solita figura di interferenza: ovvero il fotone (pur rimanendo una particella singola) passerà da entrambi i percorsi e alla fine produrrà interferenza con se stesso. Fin qui avviene ciò che abbiamo descritto nel paragrafo XI, anche se stavolta il misterioso sdoppiamento del singolo fotone non è causato dalle due fenditure bensì dallo specchio semi-riflettente.Come si vede nella figura 5, il laser (1) emette un fotone, lo specchio semi-riflettente (2) “divide” il fotone in due parti fantasma, e ciascuno delle due parti fantasma percorre un percorso diverso (3 e 4). Gli specchi nei punti 3 e 4 sono “normali” (non semi-riflettenti) e servono solo a indirizzare in maniera opportuna i due percorsi.

Fig. 5 – Schema dell’incredibile esperimento di Mandel

  Su ciascun percorso vi è un “convertitore verso le basse frequenze”, di cui abbiamo parlato nel paragrafo IX. Ciascun convertitore (5 e 6) divide il proprio fotone fantasma in due fotoni gemelli di energia dimezzata. Uno viene chiamato “fotone segnale” ed è indicato con S, mentre l’altro viene chiamato “fotone ausiliario” ed è indicato con A. Infine, i due percorsi S vengono rivelati sullo schermo (9), mentre i due percorsi A vengono indirizzati sul rivelatore ausiliario (8). In realtà, per ragioni tecniche, il sistema realmente usato dall’equipe di Mandel è leggermente più complicato, ma è concettualmente equivalente a quello appena descritto. Vediamo allora come funziona l’intero sistema: il laser (1) spara un singolo fotone alla volta che incide sullo specchio semi-riflettente (2). Poiché noi non misuriamo quale percorso viene effettuato dal fotone, esso fantomaticamente passa da entrambi i percorsi (3 e 4), e nei convertitori 5 e 6 il fotone fantasma viene diviso in due fotoni gemelli di energia dimezzata. Alla fine, i due percorsi “segnale” (indicati con S) incidono sullo schermo (9) dove il fotone S farà interferenza con se stesso (cioè con l’altra parte di se stesso passato dall’altro percorso). In seguito dal laser spareremo altri fotoni, uno alla volta, ed alla fine come risultato vedremo una chiara figura di interferenza sullo schermo (9). La situazione è simile a quella dell’esperimento con le due fenditure (paragrafo XI) e l’unica differenza è che qui la situazione è “raddoppiata” (grazie ai convertitori 5 e 6), cioè abbiamo anche i due percorsi “ausiliari” (indicati con A), per cui, ogni volta che un fotone colpirà lo schermo (9), contemporaneamente riscontreremo l’arrivo di un fotone anche sul rivelatore ausiliario (8), ovvero registreremo una cosiddetta “coincidenza”. In quest’analisi abbiamo presupposto che non vi sia ancora un ostacolo nel punto 7, che si trova sul percorso di uno dei fasci ausiliari. Benissimo: ora viene il bello. Vediamo che cosa succede se si inserisce appunto un ostacolo nel punto 7. Una volta che i percorsi sono stati divisi, ci aspettiamo che essi siano indipendenti: perciò l’ostacolo nel punto 7 non dovrebbe alterare la figura di interferenza nello schermo (9) poiché il punto 7 si trova su un altro percorso, che porta al rivelatore ausiliario (8) e non allo schermo (9). Ma se inseriamo l’ostacolo nel punto 7, interrompendo così il percorso di un fascio ausiliario, la figura di interferenza dei fasci segnale nello schermo (9) scompare! Eppure non abbiamo effettuato misure sui fasci segnale (che finiscono sullo schermo, 9), ma solo su un fascio ausiliario (che finisce nel rivelatore, 8)! Anche se allontaniamo moltissimo i due fasci (A e S) tra di loro, quando operiamo sui fasci A incredibilmente produciamo un’influenza sui fasci S, che contraddice la località di Einstein. Com’è possibile? Che cos’è cambiato rispetto al caso precedente quando non vi era un ostacolo nel punto 7? È cambiata la “conoscenza potenziale” che abbiamo sui fasci segnale: poiché il percorso che passa dall’ostacolo 7 è interrotto, quando riveliamo un fotone sul rivelatore degli ausiliari (8) esso deve provenire necessariamente dal percorso che passa per lo specchio 3 (non può provenire dal percorso dello specchio 4 appunto perché interrotto nel punto 7). Perciò, misurando la sua coincidenza col fotone segnale sullo schermo (9) noi saremmo in grado di dire con certezza che quel fotone segnale proveniva dal percorso dello specchio 3, cioè sapremmo che il fotone è passato “interamente” da questo percorso e conseguentemente non può essere passato dal percorso dello specchio 4: per questo non può fare interferenza (come nel caso delle due fenditure). Questo spiega perché la figura di interferenza nello schermo (9) viene distrutta se inseriamo un ostacolo (7) sul fascio ausiliario. Il fatto notevole è che si tratta di una sconcertante “azione fantomatica a distanza”: agendo sul punto 7 alteriamo lo stato fisico in un luogo diverso, cioè sullo schermo (9), dove la figura di interferenza viene distrutta, e questo è dovuto al fatto che ora noi sappiamo o possiamo dedurre quale percorso avrà seguito il fotone che inciderà sullo schermo (9): è dovuto cioè a una conoscenza, ad un’informazione, ad un atto di consapevolezza, e non ad un intervento materiale diretto. Questa “conoscenza potenziale” è sufficiente ad alterare lo stato fisico sul rivelatore dei segnali, distruggendo la figura di interferenza. Nota: alcune persone, potrebbero obiettare che vi può essere una qualche azione fisica retroattiva sul fascio di luce: tale presunta azione tornerebbe indietro dal punto 7 fino al punto 6 o addirittura al punto 2, ed influenzerebbe il risultato sullo schermo 9 senza bisogno di “azioni fantasma”. Ma tale spiegazione non ha alcun senso fisico: non vi è nulla che torna indietro, i fotoni si muovono in avanti, e per giunta non costituiscono un fascio continuo poiché i fotoni sono quantizzati, e viene emesso solo un fotone alla volta.

XVI – Altri esperimenti.

Non c’è possibilità di spiegazione “tradizionale” in un mondo oggettivo nel senso classico del termine. Sembra che si debba ammettere che il nostro mondo “oggettivo” tridimensionale sia una sorta di “proiezione” di una realtà più profonda, o uno spazio psico-fisico astratto composta da stati quantistici che tengono conto della conoscenza dell’osservatore cosciente! Il gruppo di R.Chiao, dell’Università di Berkeley, ha condotto altri esperimenti straordinari, i quali dimostrano che il “collasso della funzione d’onda” è reversibile (mentre Bohr e gli altri fisici di Copenaghen pensavano che fosse irreversibile, tant’è vero che su questo fatto, oggi inaccettabile, essi basarono la loro interpretazione, in modo da aggirare la scomoda figura dell’osservatore cosciente). Il fenomeno in questione è stato chiamato “cancellazione quantistica” (ciò che si può cancellare è appunto il collasso della funzione d’onda, che negli anni ‘20 veniva considerato irreversibile). Sfruttando “giochi di prestigio quantistici” di questo genere, i fisici P.Kwiat, H.Weinfurter e A.Zeilinger hanno dimostrato che sono possibili delle “misure senza interazione”, ovvero ci si può accorgere della presenza di un oggetto macroscopico (cioè “classico” e non quantistico) utilizzando le caratteristiche quantistiche dei fotoni e la loro non-oggettività (nota: nel caso di un oggetto macroscopico la sua posizione “oggettiva” è probabilisticamente elevatissima, cioè praticamente certa; però l’esperimento sfrutta le qualità di non-oggettività quantistica del fotone rivelatore, che così rivela l’oggetto senza interagire con esso!). Misure senza interazione potrebbero avere applicazioni importantissime in campo medico, per ridurre fortemente l’intensità delle radiazioni nell’osservazione specialistica di tessuti organici. Si immagini per esempio di poter fare una radiografia a tutti gli effetti, ma riducendo drasticamente l’esposizione ai raggi X. Un’articolo su questo tema è stato pubblicato su Le Scienze n.342 del 1997. Per capire come ciò sia possibile, ci si può ricollegare all’esperimento di Mandel descritto sopra. Immaginiamo che l’oggetto da rivelare sia l’ostacolo inserito nel punto 7: ebbene, noi possiamo rivelare la presenza dell’oggetto verificando se sullo schermo (9) si forma o meno la misura di interferenza! Si tratta quindi di una misura indiretta che non coinvolge esplicitamente l’oggetto. Purtroppo l’oggetto verrà comunque colpito da un fotone nel 50% dei casi (poiché statisticamente nel 50% dei casi lo specchio semi-riflettente 2 lascerà passare un fotone che attraverso il percorso 4 colpirà effettivamente l’oggetto nel punto 7). L’esposizione alla radiazione però può essere ridotta a piacere sfruttando un metodo ingegnosissimo detto “Effetto Zenone quantistico”: Kwiat, Weinfurter e Zeilinger sono già riusciti a ridurre dell’85% la radiazione necessaria, lasciando un’esposizione solo del 15%. Inoltre vi sono altre applicazioni pratiche di questi “giochi di prestigio quantistici”. Per esempio il teorema di Bell permette l’esistenza di una “crittografia quantistica” assolutamente sicura, poiché decifrabile solo da chi possiede la chiave originale. Ma non basta. Sono già allo studio dei “computer quantistici” basati sui qubit, ovvero su “bit quantistici” che possono sfruttare gli stati di sovrapposizione quantistica. Infine, grazie alle caratteristiche paradossali della realtà quantistica, sono stati condotti perfino esperimenti di “teletrasporto”, cioè di trasporto a distanza! Il sogno fantascientifico di trasmettere gli oggetti a distanza (si pensi al film Star Trek) è in linea di principio realizzabile, almeno per le particelle quantistiche, ed i primi esperimenti sono già stati effettuati con successo (si veda l’articolo di Zeilinger su Le Scienze n.382, Giugno 2000). Chi desidera approfondire gli argomenti trattati in questo capitolo, può leggere il libro di Ghirardi, Un’occhiata alle carte di Dio(Il Saggiatore), o il libro di Gilmore, Alice nel paese dei quanti, Cortina.

XVII – Conclusioni.

I paradossi quantistici che abbiamo brevemente descritto sembrano evidenziare che la “consapevolezza” dell’osservatore gioca un ruolo decisivo ai livelli fondamentali della realtà. Come abbiamo già visto, Horgan sostiene che questi esperimenti si accordano con la concezione di George Berkeley, filosofo del secolo XVIII, secondo il quale “Esse est percipi” (esistere significa essere percepito): si tratterebbe di una concezione immateriale dell’universo, che in filosofia viene detta “empirismo idealistico”. In effetti sembra che la meccanica quantistica dia un messaggio nuovo sulla struttura della realtà, e che sancisca la fine del “realismo” oggettivo e materialistico a favore di una concezione “idealistica”, in cui gli oggetti esistono in uno stato “astratto” e “ideale” che rimane teorico finché la percezione di un soggetto conoscente non lo rende reale. Oppure, senza farla tanto grossa, possiamo limitarci a notare che il classico modello materialistico è inadeguato a descrivere la realtà quantistica ed occorre rivolgersi a modelli che concepiscono l’universo in termini di “informazione” piuttosto che di “materia”. Sono state proposte anche altre vie d’uscita da questa strana situazione. Per esempio, per aggirare la difficoltà filosofica dovuta all’apparente “casualità” insita nell’indeterminazione quantistica, il fisico Everett propose l’esistenza di infiniti universi. Secondo Everett, ogni qual volta viene effettuata una “scelta” quantistica, l’universo si divide in due, uno che prosegue la sua storia con una delle due scelte, e l’altro che prosegue la sua storia con l’altra scelta! In realtà la teoria di Everett è un po’ più completa di come è stata brevemente descritta sopra, e si basa su stati di sovrapposizione quantistici tra universi diversi. Essa è molto apprezzata da alcuni fisici, ma a me personalmente sembra perfino più folle dell’accettare un principio mentale alla base della realtà fisica. Inoltre essa risulta difficilmente verificabile, poiché non è chiaro come sarebbe possibile effettuare un esperimento che confermi o confuti la tesi proposta (nota: il filosofo Popper preferisce parlare di falsificabilità invece di verificabilità, perché ogni teoria scientifica deve permettere almeno un esperimento che sia in grado di evidenziare l’eventuale erroneità della teoria). Comunque sia, non possiamo accettare così di punto in bianco una nuova visione della realtà: siamo consapevoli che si tratterebbe di una rivoluzione concettuale di portata colossale. La questione è molto delicata e non vogliamo trarre conclusioni affrettate: perciò terremo conto dell’esistenza di questi sconcertanti paradossi quantistici ma nei prossimi capitoli proseguiremo la nostra ricerca con prudenza attraverso i territori della scienza e della filosofia. Quindi è venuto il momento di rivisitare l’intera storia della filosofia per vedere se vi è qualche idea o qualche concezione che riesca a inquadrare adeguatamente i risultati che emergono della meccanica quantistica.     

 Fonti