Interpretazioni

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1 Interpretazioni in Fisica

Una teoria in fisica è propriamente un modo di descrivere concretamente la realtà. Parte dal determinare premesse di fondo e calcola, basandosi sulla matematica, dati che prevedono risultati sperimentali del tutto concreti: tutto questo in modo preciso e misurabile più volte con esattezza. Si tratta di formulare con metodi matematici molto precisi previsioni sul mondo e sulla realtà che si possono verificare o confutare. Entra qui in gioco l'esperimento. Ogni buon esperimento può essere definito come una domanda ben posta alla natura. Tra teoria fisica ed esperimento esiste chiaramente un legame. Questo legame si ricava dall'interpretazione esatta delle formule matematiche fornite dal fisico teorico, cioè dal modo in cui si fa corrispondere a ogni simbolo matematico una determinata grandezza fisica che possiamo poi osservare nell'esperimento.

Questa è "l'interpretazione di primo grado" necessaria affinché le teorie abbiano una verifica sperimentale. Esiste anche un'interpretazione di un altro tipo che va oltre il legame esperimento- teoria. Un'interpretazione a livello più alto, metafisico, che cerca di spiegare che significato abbia una teoria e che cosa ne derivi per la nostra concezione del Mondo. Questa può considerarsi "di secondo grado".

Vediamo ora di applicare questi due livelli di interpretazione alla fisica quantistica.

2 Interpretazioni della Fisica Quantistica

Anche nel caso della fisica quantistica abbiamo a che fare, al primo livello di interpretazione con simboli matematici il cui significato è del tutto chiaro nell'esperimento. Ma al secondo livello di interpretazione le opinioni divergono clamorosamente. Ad esempio l'interpretazione probabilistica di Ψ da parte di Max Born è uno strumento per creare un legame tra le formule e l'osservazione nell'esperimento. È il primo passo dell'interpretazione.

E' interessante notare che la fisica quantistica nonostante tutti i problemi di interpretazione che la infestano è la teoria in cui l'accordo con le prove sperimentali è il più preciso di tutta la storia della fisica.

Ma che cosa ci dice questa teoria sulla natura? Che cosa ci può insegnare sulla sua essenza?Qual è il suo significato più profondo? È stato chiaro sin da subito che la meccanica quantistica ha profonde conseguenze anche filosofiche e che ci costringe a riconsiderare la nostra concezione di realtà. Le proposte d'interpretazione non sono mancate: anzi, sembra proprio che molti fisici abbiano, con grande ambizione, fornito una grande quantità di interpretazioni differenti della meccanica quantistica. Ne discuteremo alcune, evidenziando anche i difetti e le questioni non prese in considerazione dalle varie interpretazioni.

Il problema della sovrapposizione è considerato a livello generale il problema principale. Secondo questo principio gli oggetti possono esistere in un particolare stato di sovrapposizione di diverse possibilità. Nel caso della doppia fenditura significa ad esempio che il fotone si trova in uno stato di sovrapposizione nel quale attraversa entrambe le fenditure. Vediamo prima di passare alle varie interpretazioni come il concetto di sovrapposizione fu portato alle estreme conseguenze da Schrödinger.

3 Il Gatto di Schrödinger

Louis De Broglie aveva intuito, come poi dimostrarono gli esperimenti, che si potevano verificare fenomeni di interferenza anche per le particelle massive. Nel 1988 vennero dimostrati fenomeni d'interferenza per i neutroni, di dimensioni quasi 2000 volte maggiori a quelle degli elettroni. Ci si pone allora una domanda interessante: fino a quale grandezza degli oggetti si possono verificare fenomeni d'interferenza come quello della doppia fenditura? Schrödinger nel 1935 si pose per primo il problema chiedendosi se si potevano osservare interferenze quantistiche per i sistemi macroscopici. La sua intenzione era di dimostrare che per i grandi sistemi un comportamento quantistico di questo tipo sarebbe stato davvero assurdo, e a questo scopo propose il suo famoso paradosso del gatto.

"Si rinchiuda un gatto in una scatola d'acciaio insieme con la seguente macchina infernale: in un contatore Geiger si trova una minuscola porzione di sostanza radioattiva, così poca che nel corso di un'ora forse uno dei suoi atomi si disintegra, ma anche in modo parimenti verosimile nessuno; se ciò succede, allora il contatore lo segnala e aziona un relais di un martelletto che rompe una fiala con del cianuro. Dopo avere lasciato indisturbato questo intero sistema per un'ora, si direbbe che il gatto è ancora vivo se nel frattempo nessun atomo si fosse disintegrato. La prima disintegrazione atomica lo avrebbe avvelenato. La funzione dell'intero sistema porta ad affermare che in essa il gatto vivo e il gatto morto non sono stati puri, ma miscelati con uguale peso. 

L'esperimento mentale ideato da Schrödinger

In altre parole per la meccanica quantistica dovrebbe essere possibile, almeno in linea di principio, una sovrapposizione delle due possibilità. Secondo Schrödinger non c'è ragione di credere che la meccanica quantistica non sia valida universalmente. Allora il gatto si sarebbe dovuto trovare in una sovrapposizione di "morto" e "vivo". E questa è un'idea bizzarra. Il paradosso del gatto scatenò un acceso dibattito tra fisici, e anche filosofi, che continua ancora adesso.

Qui come nell'esperimento della doppia fenditura ci possiamo chiedere: come è possibile che all'improvviso questa sovrapposizione scompaia? Il motivo è che lo stato quantistico è ridotto dall'osservazione. Ma, perché durante una misurazione si verifica proprio la possibilità osservata e non un'altra? Non ci sono dubbi sulla probabilità che si presenti un certo risultato non è chiaro invece come avvenga la "scelta".

4 Interpretazione a Molti Mondi di Hugh Everett

Una soluzione al problema è fornita dall'interpretazione a molti Mondi di Hugh Everett che ci dice che in una misurazione niente vada perduto. Il gatto cioè è sia vivo che morto. Si suppone infatti che ciascuna delle due possibilità si realizzi comunque. Ogni volta che eseguiamo una misurazione, con ogni osservazione, l'universo si divide in più universi ed in ciascuno di questi si realizza una delle possibilità previste dalla fisica quantistica. Questa "suddivisione" avviene anche nella nostra coscienza: in ognuno di questi universi esisterà una copia della nostra coscienza che in un caso constaterà il gatto vivo mentre nell'altro il gatto morto.

Questa interpretazione oltre che essere antieconomica (la creazione di miliardi e miliardi di universi) presenta un problema di fondo: non esiste alcun modo di dimostrarla. Si scontra con un principio fondamentale quello del Rasoio di Occam: non si devono inventare  cose, grandezze o entità di cui non si ha bisogno. L'interpretazione a molti mondi inoltre non risolve il problema del perché la nostra percezione, confinata in questo universo, ci mostra proprio la sequenza di eventi che osserviamo. Perché dunque complicarsi la vita?

5 Interpretazione di David Bohm

Al contrario Bohm sostiene che nessun sistema esiste mai in uno stato di sovrapposizione. In un esperimento le particelle sono sempre particelle e mai onde. Nella doppia fenditura le particelle seguono sempre le proprie traiettorie ben definite. Ogni particella attraversa cioè una sola delle due fenditure. Bohm interpreta la figura d'interferenza con una nuova grandezza da lui stesso introdotta il potenziale quantistico. Questo funziona come un campo guida che dirige ogni particella sulla sua traiettoria lungo l'apparecchio. Esso fa in modo che se sono aperte entrambe le fenditure, nelle bande chiare della figura d'interferenza siano portate più particelle che nelle bande scure. Einstein aveva proposto un'idea simile molto tempo prima, ipotizzando le cosiddette onde fantasma. Così, quando Bohm propose la sua teoria nel 1952, era convinto che Einstein ne sarebbe stato entusiasta. Con sua grande delusione quest'ultimo definì la teoria di "poco valore".

Il suo principale problema è come nell'ipotesi a molti mondi la non dimostrabilità. Un ulteriore problema si presenta nel caso di particelle entagled, ovvero quando la misura di una particella  proietti l'altra in uno stato ben definito, a prescindere dalla loro distanza. Bohm ottiene questo risultato variando il potenziale, in base ad un'unica osservazione, di tutto l'universo. Infine un ultimo argomento contrario è ancora il Rasoio di Occam: se ciò che accade è spiegabile allo stesso modo sia con il potenziale quantistico sia senza, allora questo è superfluo.

6 Interpretazioni sulle Sovrapposizioni Macroscopiche: Teoria GRW e Decoerenza

Mentre l'interpretazione a molti mondi afferma che tutti i rami di una sovrapposizione esistono sempre, e mentre l'interpretazione di Bohm assume la posizione opposta, ci sono anche teorie che accettano l'esistenza delle sovrapposizioni limitandole però al mondo microscopico. In questo caso si è alla ricerca di un meccanismo che spieghi come le sovrapposizioni, pur esistendo per particelle microscopiche, spariscano per i sistemi macroscopici come i gatti.

Tra chi sostiene che non osserveremo mai sovrapposizioni di oggetti macroscopici ci sono due scuole di pensiero: una sostiene che siano impossibili per principio, l'altra, invece, pur ammettendole in teoria dichiara che non possono essere osservate in pratica.

La prima teoria vuole eliminare a priori queste sovrapposizioni, poiché la teoria quantistica attuale nulla dice sul fatto che per principio le sovrapposizioni siano possibili solo tra oggetti microscopici, occorre avanzare una nuova idea. Questo è stato fatto dai fisici italiani Gian Carlo Ghirardi, Alberto Rimini e Tullio Weber, nella teoria universalmente nota come GRW. Nella loro proposta lo spazio-tempo nel quale si svolgono i processi fisici ha dentro di se aspetti casuali che si traducono in localizzazioni spontanee delle particelle. Queste dunque oltre che ubbidire all'equazione di Schrödinger subiscono, a caso e con una certa frequenza media, dei processi spontanei di localizzazione spaziale (le onde di probabilità si riducono spontaneamente). Dopo questa "riduzione spontanea" ad uno stato definito una particella si trova dunque in uno spazio preciso. La riduzione va intesa come un fondamentale processo naturale non dovuto a interazioni con altri sistemi fisici o ad azioni deliberate da parte di osservatori coscienti. In questa teoria si postula che  tale riduzione spontanea sia tanto più frequente quanto più grosso è il sistema osservato. Non ci dilungheremo oltre perché questa più che un'interpretazione è una modifica sostanziale della teoria quantistica.

La seconda teoria, come già accennato, è quella secondo qui le sovrapposizioni macroscopiche non si possono escludere a priori, ma in realtà, non si potranno mai osservare. Essa si avvale del concetto di decoerenza. Proviamo a pensare alla doppia fenditura, la sovrapposizione delle due onde che hanno attraversato entrambi i fori si presenta solo quando non è disponibile alcuna informazione sulla traiettoria della particella. Ci sono diversi modi con cui potrebbe presentarsi questa informazione, per esempio illuminando il sistema. Con questa osservazione cambiamo il rapporto fisso tra le due onde parziali, si ha un legame tra la particella e l'ambiente. Questo legame trasporta nell'ambiente informazioni sulla traiettoria che fanno si che l'interferenza non si verifichi più. Questa perdita della capacità di interferenza a causa degli influssi dell'ambiente è detta decoerenza. Nel caso del gatto di Schrödinger le fonti di decoerenza sono numerose, ad esempio il gatto  ha una temperatura corporea, emette quindi continuamente fotoni, respira, entrando così in interazione con le molecole d'aria e così via. E' facile capire dunque come più un sistema è grande più difficilmente esso è non isolato dall'ambiente e quindi più forte è la decoerenza. E' probabile che sia questo il motivo per cui non vediamo gatti che si trovano in una sovrapposizione degli stati "morto" "vivo".

Però, questo non esclude che per principio le cose debbano essere sempre così. Anzi, lo sperimentatore può considerare questa osservazione uno stimolo a ragionare su quali meccanismi provochino la decoerenza e se non sia possibile elaborare esperimenti nei quali i sistemi macroscopici non perdano la coerenza.

Un progresso tecnico degli esperimenti potrebbe confutare la tesi secondo cui la sovrapposizione è presente solo nel mondo microscopico

Esiste infine un'interpretazione fondamentalmente diversa e accettata dalla maggioranza dei fisici, chiamata Interpretazione di Copenaghen o, dai suoi avversari, ortodossa.

7 L'interpretazione di Copenaghen

E' detta interpretazione di Copenaghen perché il suo principale ideatore fu il fisico danese Niels Bohr, nel cui istituto a Copenaghen si svolgevano le discussioni. In questa interpretazione svolge un ruolo di primo piano il concetto, enunciato da Bohr nel 1927, di complementarietà: due quantità sono complementari se si escludono reciprocamente, nel senso che non è possibile conoscere con precisione entrambe. Queste coppie di quantità sono ad esempio la posizione e il momento di una particella o nell'esperimento della doppia fenditura, la traiettoria e la figura d'interferenza. La complementarietà è una conseguenza dell'impossibilità di utilizzare contemporaneamente due strumenti macroscopici diversi. Per conoscere la traiettoria abbiamo bisogno di uno strumento che la determini, ad esempio un rilevatore dietro le fenditure. Per vedere la figura d'interferenza, invece, è essenziale che la traiettoria sia del tutto sconosciuta. Ma è chiaramente impossibile costruire uno strumento che determini e allo stesso tempo non determini la traiettoria. Nella fisica quantistica esistono tanti altri esempi di complementarietà, sembra del tutto plausibile supporre allora che per ogni grandezza fisica ne esista almeno un'altra complementare. Il principio è strettamente connesso al principio di Indeterminazione di Heisenberg (si veda par. 1.9). Quindi secondo Bohr i concetti di onda e corpuscolo non sono alternativi ma entrambi necessari per comprendere la totalità delle manifestazioni fenomeniche degli oggetti atomici.

Gli avversari di questa interpretazione primi tra tutti Einstein, Planck e Schrödinger seppero opporre più argomenti filosofici e di principio che non fisici.

Il commento di Schrödinger fu lapidario: "quando non si capisce una cosa si inventa un nuovo termine e si crede di averla capita".

John Bell fece delle osservazioni significative riguardo alla complementarietà. Egli scrive: "Ho l'impressione che assumere che Bohr usasse il termine complementare in questo senso usuale sarebbe stato ritenuto da lui stesso come aver banalizzato il suo pensiero. Lui sembra piuttosto insistere sul fatto che, nelle nostre analisi, si debbano usare elementi che si contraddicono l'un l'altro. Con l'espressione complementarietà egli riteneva, mi pare, l'opposto: contraddittorietà.(..) Forse egli trovava una particolare soddisfazione nell'usare una parola familiare a tutti attribuendogli un significato opposto a quello usuale. La concezione basata sulla Complementarietà è una di quelle che io chiamerei le "visioni romantiche" del Mondo ispirate dalla teoria quantistica".

C'è una bellissima affermazione dello stesso Bohr che sembra perfetta per esprimere il suo pensiero: "Il contrario di una verità qualsiasi è falso, ma il contrario di una verità profonda è un'altra verità profonda".