Il famoso esperimento mentale del gatto nella scatola del fisico austriaco Erwin Schrödinger è un esempio di una delle caratteristiche distintive della meccanica quantistica: il comportamento imprevedibile delle particelle a livello quantico.

In un ipotetico esperimento di associazione mentale, alla parola Schrödinger i più colti probabilmente assocerebbero la parola equazione, ma la maggior parte delle persone risponderebbe invece gatto.

Strana sorte per un premio Nobel, per uno dei padri della fisica quantistica, essere ricordato per poche righe di un suo articolo nei quali in un “apologo semiserio”, inventa un esperimento paradossale avente per protagonista un gatto.

 

 

Il paradosso del gatto di Schrödinger

Si tratta di un esperimento mentale ideato nel 1935 da Erwin Schrödinger, con lo scopo di illustrare come la meccanica quantistica fornisca risultati paradossali se applicata a un sistema fisico macroscopico.

Andando decisamente contro il senso comune, esso presenta un gatto che, in uno stato noto come sovrapposizione quantistica, può essere contemporaneamente sia vivo sia morto, come conseguenza dell’essere collegato a un evento subatomico casuale che può verificarsi o meno.

Il paradosso è descritto spesso anche nelle discussioni teoriche sulle interpretazioni della meccanica quantistica e, a mio parere, dovrebbe essere tenuto ben in considerazione da persone che cercano di applicare la meccanica quantistica a campi che non le appartengono affatto.

Il gatto è in una scatola con una fonte di decadimento radioattivo, un contatore Geiger e del veleno.

Un po’ più nel dettaglio il fisico immaginava così lo scenario: c’è un gatto, in una scatola chiusa insieme a una fonte di decadimento radioattivo, un contatore Geiger e un pallone sigillato di veleno. Se lo strumento rileva il decadimento radioattivo di un singolo atomo, frantuma la beuta velenosa che uccide il gatto.

Non c’è modo di scrutare dentro, quindi non si può sapere se il gatto è vivo o morto. Esiste in entrambi gli stati fintantoché non si apre la scatola.

Nel momento in cui lo si fa il gatto acquisterà uno o l’altro immediatamente e completamente a caso non potendo più trovarsi contemporaneamente in entrambi.

Tutta questa configurazione immaginaria è una metafora di qualcosa chiamato sovrapposizione quantistica, per cui una particella (come un atomo, un elettrone o un fotone) può esistere contemporaneamente in più stati energetici, fino al momento in cui si osserva.

Una volta osservato, la sua improvvisa e casuale transizione tra gli stati energetici è conosciuta come un salto quantico.

 

 

 

La celebrità mediatica del gatto di Schrödinger

Il gatto di Schrödinger è davvero celebre: trasmissioni radiofoniche e televisive, pièces teatrali e romanzi in diversi modi hanno preso spunto da lui

La celebrità del quantico felino è testimoniata da film, trasmissioni radiofoniche e televisive, pièces teatrali e romanzi che in diversi modi hanno preso spunto da lui.

Da “Il gatto che attraversa i muri“, romanzo di fantascienza in cui è presente un gatto “delocalizzato” in grado di passare dall’una all’altra parte del muro grazie a un balzo quantico, a Sabato, romanzo dello scrittore inglese Ian McEwan dove viene citato il paradosso.

Dalla trasmissione radiofonica della Radiotelevisione Svizzera in lingua italiana intitolata proprio “Il gatto di Schrödinger” a cura di Vincenzo Masotti, che prendeva il paradosso come simbolo delle incertezze date dalla ricerca scientifica, al film A Serious Man dei fratelli Coen; lo troviamo anche in serie TV: in una puntata di Star Trek: Voyager e nella puntata n. 19 della quarta serie di NCIS, dal titolo “Scrupoli”, nella serie televisiva NUMB3RS, prima stagione, ottava puntata. A ciò si aggiungono citazioni in fumetti giapponesi, italiani e americani.

Con l’avvento della rete, la celebrità del gatto sembra essere aumentata in modo esponenziale: fumetti, vignette, addirittura magliette e gadgets raffigurano Schrödinger in compagnia di gatti stilizzati e spesso, a ragione, terrorizzati.

In ogni caso credo che sia lecito presupporre, in base al temperamento anticonformista e bizzarro accreditato a Schrödinger, che egli sarebbe stato probabilmente divertito dalla popolarità della sua povera cavia, tuttavia è d’obbligo comprendere in modo serio e puntuale il significato di questo paradosso (definito del resto dallo stesso Schrödinger un “caso burlesco”) .

 

 

 

 

 

La meccanica quantistica può spiegare anche la realtà macroscopica?

Il problema che Schrödinger pose, nella bizzarra forma del paradosso del gatto, è se la meccanica quantistica potesse valere come modello per la spiegazione del comportamento anche di corpi macroscopici, oppure se per questi ultimi fosse ancora possibile utilizzare variabili con valori determinati (cioè variabili classiche).

Per molti anni la comunità dei fisici si è divisa sulla risposta da dare a questa domanda e, ancora oggi, si studia come le regole della meccanica quantistica si trasformino in regole apparentemente molto diverse della meccanica classica e dove esattamente si trovi il punto di transizione quantistico-classico.

Il povero gatto è una bestia molto fraintesa.

Il punto di Schrödinger non era, come spesso lasciato intendere, l’apparente assurdità della meccanica quantistica se estrapolata alla scala quotidiana. Il gatto era il prodotto della corrispondenza tra Schrödinger e Albert Einstein, dopo che Einstein aveva criticato l’interpretazione della meccanica quantistica sostenuta dal fisico danese Niels Bohr e i suoi colleghi.

Bohr infatti sosteneva che la meccanica quantistica sembra obbligarci a concludere che le proprietà degli oggetti quantistici come gli elettroni non hanno valori ben definiti finché non li misuriamo.

A Einstein, sembrava strano che qualche elemento della realtà dipendesse, per esistere, dal nostro intervento cosciente.

Con due colleghi più giovani, Boris Podolsky e Nathan Rosen, nel 1935 presentò un paradosso che sembrava rendere impossibile quell’interpretazione: i tre pubblicarono nel 1935 l’articolo “Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?”

Nel loro lavoro, che ora è noto con l’acronimo collettivo EPR, osservarono che le particelle possono essere create in stati che devono essere correlati l’uno con l’altro, nel senso che se uno di essi ha un valore specifico per una certa proprietà, anche l’altro deve avere un altro valore specifico.

Nel caso di due elettroni nello stesso orbitale elettronico, sappiamo che se uno ha spin positivo l’altro deve averlo negativo.

In questo caso, secondo Einstein e i suoi colleghi, se Bohr avesse avuto ragione e le direzioni effettive degli spin fossero indeterminate fino a quando non le si misurano, allora la correlazione dei due spin implicherebbe che misurare uno di essi fissa istantaneamente l’orientamento dell’altro, non importa quanto sia lontana la particella.

Einstein chiamò questa connessione apparente “fantasmatica azione a distanza”. Ma un simile fenomeno dovrebbe essere impossibile, perché la teoria speciale della relatività di Einstein mostra che nessuna influenza può propagarsi più velocemente della luce.

 

 

L’entanglement è un vero fenomeno quantistico.

Schrödinger chiamò questa correlazione tra particelle “entanglement”. Dagli anni settanta, gli esperimenti hanno dimostrato che si tratta di un vero fenomeno quantistico.

Ma questo non significa che le particelle quantistiche possano in qualche modo influenzarsi a vicenda istantaneamente attraverso lo spazio con la fantasmatica azione di Einstein.

È meglio dire che le proprietà quantistiche di una singola particella non sono necessariamente determinate in un punto fisso nello spazio, però possono essere “non locali”: completamente specificate solo in relazione a un’altra particella situata altrove, in un modo che sembra minare la nostra nozione intuitiva di spazio e distanza.

Nella sua Autobiografia scientifica, Einstein scrive:

la fisica è un tentativo di afferrare concettualmente la realtà, quale la si concepisce indipendentemente dal fatto di essere osservata. In questo senso si parla di “realtà fisica”. Prima dell’avvento della fisica quantica, non c’era alcun dubbio in proposito: nella teoria di Newton, la realtà era rappresentata da punti materiali nello spazio e nel tempo; nella teoria di Maxwell, dal campo nello spazio e nel tempo. Nella meccanica quantica, la rappresentazione della realtà non è così facile.

 

 

 

Dove avviene la transizione tra quantistico e meccanico?

Con le tecniche moderne possiamo non solo immaginare, ma creare sovrapposizioni quantistiche ben definite di oggetti relativamente grandi, non certo grandi come i gatti, ma molto più grandi di singoli atomi, e testarne le loro proprietà.

Nonostante quello che pensava Schrödinger, oggetti relativamente grandi possono effettivamente esibire un comportamento quantistico.

Tra gli esperimenti più recenti a riguardo ce ne sono due i cui risultati sono stati pubblicati due anni fa su Nature.

Nel primo Gröblacher e colleghi hanno creato microfasci di silicio, ciascuno di dieci micrometri di lunghezza e da 1 a 0,25 micrometri in sezione trasversale. Ognuno presentava fori lungo il fascio destinati ad assorbire e intrappolare la luce laser a infrarossi. I ricercatori hanno quindi eccitato quei fasci con la luce inviata in una sovrapposizione di cammini, uno per ciascun fascio. Così sono stati in grado di generare un entanglement tra due fasci in un singolo stato vibrazionale quantistico.

Nel secondo descritto da Mika Sillanpää e colleghi dell’Aalto University, in Finlandia hanno accoppiato due microscopici fogli di metallo a forma di membrana di tamburo mediante un filo superconduttore. Il filo può condurre una corrente elettrica che oscilla alle frequenze delle microonde (circa 5 miliardi di vibrazioni al secondo); il suo campo elettromagnetico esercita una pressione sulle superfici vibranti. I campi elettromagnetici hanno agito come una sorta di mezzo che ha costretto le due membrane di tamburo in uno stato quantistico entangled.

In questi esperimenti è stato evitato il processo che generalmente trasforma grandi oggetti governati dalle regole quantistiche in oggetti che obbediscono alla fisica classica. Questo processo sembra fornire il pezzo mancante (o almeno, la maggior parte) del rompicapo della misurazione, che Bohr aveva lasciato così maledettamente vago.

La decoerenza è la dispersione nell’ambiente della natura quantistica della particella originale.

Il “tassello” che permette la transizione dal quantistico al classico si chiama decoerenza e ha a che fare con l’entanglement. Se un oggetto si trova in una sovrapposizione di stati, quella sovrapposizione si diffonde quando l’oggetto interagisce con il suo ambiente e diventa sempre più entangled con esso. Ma se si vuole effettivamente osservare la sovrapposizione, occorre dedurre il comportamento quantistico di tutte le particelle entangled. Questo diventa rapidamente impossibile, più o meno allo stesso modo in cui diventa impossibile rintracciare tutti gli atomi in una goccia d’inchiostro mentre si diffonde in una piscina. A causa dell’interazione con l’ambiente, la natura quantistica della particella originale si disperde. Questa è la decoerenza.

I fisici teorici quantistici hanno dimostrato che la decoerenza dà origine al tipo di comportamento osservato nella fisica classica. I fisici sperimentali lo hanno dimostrato in esperimenti in grado di controllare la velocità di decoerenza, in cui gli effetti quantistici caratteristici, come l’interferenza delle onde delle particelle, svaniscono gradualmente con il procedere della decoerenza.

La decoerenza è fondamentale per l’attuale comprensione della transizione quantistico-classica.

La capacità di un oggetto di mostrare un comportamento quantistico, come interferenza, sovrapposizione e correlazioni indotte dall’entanglement, non ha nulla a che fare con quanto è grande. Invece, dipende da quanto è entangled con il suo ambiente.

In genere, però, le dimensioni hanno un ruolo, perché quanto più grande è un oggetto, tanto più facilmente può diventare entangled con il suo ambiente e andare incontro a decoerenza.

Un oggetto grande, caldo, irrequieto come un gatto non ha la speranza di rimanere in una sovrapposizione quantomeccanica di qualsiasi tipo e andrà incontro a decoerenza più o meno all’istante.

Due settimane fa circa però è uscito su Nature un nuovo lavoro che racconta come sia stato possibile creare un gruppo di addirittura 15 trilioni di atomi intrappolati e molto caldi, stabilendo un nuovo e importante record.

Gli stati “entangled” hanno bisogno di alcune condizioni molto specifiche per esistere e sopravvivere, per questo la maggior parte degli esperimenti in quest’ambito di ricerca sono condotti a temperature vicine allo zero assoluto.

Questo nuovo studio è sorprendente non solo per il grandissimo numero di atomi coinvolti, ma anche perché l’esperimento è stato fatto a una temperatura altissima e cioè a 177 ° C.

Inoltre gli atomi non erano neppure isolati: le misurazioni prese dai LASER li mostravano scontrarsi l’uno con l’altro e talvolta c’erano migliaia di altri atomi tra coppie intrecciate. L’esperimento ha anche mostrato che lo stato di entanglement può essere più forte di quanto precedentemente realizzato.

Se interrompiamo la misurazione, l’entanglement rimane per circa 1 millisecondo, il che significa che 1.000 volte al secondo viene intrappolato un nuovo lotto di 15 trilioni di atomi

ha affermato il fisico quantistico Jia Kong dell’Istituto di scienze fotoniche in Spagna (ICFO) che continua

bisogna pensare che 1 ms è un tempo molto lungo per gli atomi, abbastanza lungo da permettere il verificarsi di circa 50 collisioni casuali. Questo dimostra chiaramente che l’entanglement non viene distrutto da questi eventi casuali. E questo è forse il risultato più sorprendente del lavoro.

Mentre la maggior parte degli esperimenti di entanglement quantistico utilizzano temperature ultra-basse, per ridurre al minimo le interferenze come queste collisioni, questo studio, in cui è stato usato metallo di rubidio e azoto, mostra che l’entanglement può “sopravvivere” a temperature molto più alte.

Se vogliamo utilizzare questo fenomeno nei sistemi di comunicazione di prossima generazione e nei computer quantistici, dobbiamo farlo funzionare in ambienti più caldi e rumorosi e questa nuova ricerca indica la strada da percorrere.

Uno dei modi in cui questi risultati potrebbero essere utili in futuro è la magnetoencefalografia o l’imaging cerebrale magnetico, un processo che utilizza analoghi gas atomici caldi ad alta densità per rilevare i campi magnetici creati dall’attività cerebrale.

L’entanglement potrebbe potenzialmente rendere la tecnica più sensibile.

Per ora, tuttavia, gli scienziati hanno imparato di più sulle regole dell’entanglement quantistico e sulla sua “resistenza”.

Questo risultato è sorprendente, un vero allontanamento da ciò che tutti si aspettano dall’entanglement. Speriamo che questo tipo di gigantesco stato entangled porti a migliori prestazioni dei sensori in applicazioni che vanno dall’imaging del cervello, alle auto a guida autonoma, alla ricerca di materia oscura

ha concluso Morgan Mitchell, fisico quantistico dell’ICFO.

 

 

 

Possiamo fare previsioni quantistiche?

Per via di tutte le cose che abbiamo detto fin qui si comprende come sia incredibilmente difficile lavorare con sistemi quantistici e come sembra sia impossibile prevederne a priori lo stato.

Ma siamo sicuri che sia impossibile fare previsioni quantistiche?

In uno studio pubblicato l’anno scorso e di cui noi abbiamo già parlato qui, un gruppo di ricerca ha dimostrato la possibilità di prevedere qualcosa chiamato salto quantico e persino di invertire il processo dopo che è stato avviato.

Hanno, in altre parole, dichiarato e dimostrato che è possibile “salvare” il gatto di Schrödinger.

I ricercatori, guidati da un team dell’Università di Yale, lo hanno fatto usando atomi artificiali chiamati qubit, che sono anche utilizzati come unità di base di informazioni.

Ogni volta che si misura un qubit, si esegue un salto quantico. Questi sono imprevedibili a lungo termine, il che può causare problemi nel calcolo quantistico.

Volevamo sapere se fosse possibile ottenere un segnale di avvertimento in anticipo del fatto che stia per verificarsi un salto quantico.

Ha dichiarato il fisico Zlatko Minev dell’Università di Yale.

Il team ha progettato un esperimento per osservare indirettamente un qubit superconduttore, utilizzando tre generatori di microonde per irradiare il qubit in un involucro 3D sigillato in alluminio.

Questa radiazione a microonde commuta il qubit tra gli stati energetici, mentre un altro raggio di radiazione a microonde controlla la scatola.

Quando il qubit è in uno stato fondamentale, il raggio a microonde produce fotoni. Un’improvvisa assenza di fotoni significa che il qubit sta per fare un salto quantico in uno stato eccitato.

La ricerca ha dimostrato che non si trattava tanto di un salto quanto di una transizione: non un colpo di interruttore, ma meglio paragonarlo allo scorrimento di una leva.

Quindi un altro impulso di radiazione perfettamente temporizzato può invertire il salto quantico dopo che è stato rilevato, riportando il qubit al suo stato fondamentale; oppure, utilizzando la metafora del gatto di Schrödinger, impedire al gatto di morire (eccitato) e riportarlo in vita (terra).

Ma esiste ancora un’imprevedibilità a lungo termine: i ricercatori non possono, ad esempio, prevedere esattamente quando si verificherà un salto quantico. Potrebbe essere tra cinque minuti o cinque ore. Una volta iniziato il salto però segue sempre lo stesso percorso: il team ha osservato ben 6,8 milioni di eventi ritrovando coerenza nello schema.

 

 

 

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