In questo post del blog, esamineremo cosa significa il collasso ondulatorio, concentrandoci sull'interpretazione di Copenaghen e sull'interpretazione a molti mondi tra le varie interpretazioni della meccanica quantistica, e prenderemo in considerazione le caratteristiche e i limiti di ciascuna interpretazione.
Dalla fine del XIX secolo all'inizio del XX secolo, iniziarono a emergere fenomeni che non potevano essere spiegati unicamente dalla fisica classica. Maxwell ed Einstein scoprirono che la luce possiede proprietà sia ondulatorie che corpuscolari. Max Born predisse che anche le particelle possiedono proprietà ondulatorie. Si ritiene che l'esperimento della doppia fenditura di Davisson-Germer abbia dimostrato sperimentalmente che gli elettroni possiedono un comportamento ondulatorio. Un'analisi più approfondita dell'esperimento della doppia fenditura rivela quanto segue: un dispositivo che emette elettroni, una piastra con due fenditure e uno schermo sono disposti in sequenza. Gli elettroni emessi dalla sorgente elettronica attraversano le due fenditure e raggiungono lo schermo; quando si osserva l'arrivo degli elettroni sullo schermo, appare una figura di interferenza. Un simile schema non si presenta quando è presente una sola fessura. Pertanto, la posizione di un elettrone deve essere spiegata come un'onda che attraversa simultaneamente entrambe le fenditure. La meccanica quantistica è emersa per spiegare questi fenomeni. Nella meccanica quantistica, le onde di probabilità sono descritte come i mattoni fondamentali della natura. Le onde di probabilità vengono utilizzate per descrivere lo stato della materia. Lo stato della materia comprende proprietà quali la posizione e lo spin. Un'onda di probabilità indica che un valore non è fisso in un singolo punto, ma che la probabilità di occorrenza varia in ogni punto. La meccanica quantistica si è affermata all'inizio del XX secolo e numerosi risultati sperimentali di quel periodo e successivi ne confermano la validità. Al centro di questa teoria si trova l'equazione d'onda di Schrödinger. L'equazione d'onda di Schrödinger, equazione fondamentale della meccanica quantistica, descrive come un'onda di probabilità cambia nel tempo. Tuttavia, non è ancora chiaro in che modo queste onde di probabilità si relazionino alla vita di tutti i giorni. Nella vita di tutti i giorni, i risultati che osserviamo non sono stati multipli, ma un unico stato definito: come si può spiegare questo? Che cos'è un'onda di probabilità e c'è un modo per comprenderla? Per risolvere questi interrogativi, sono emerse diverse interpretazioni della meccanica quantistica. In un sondaggio condotto in passato durante una conferenza di fisica quantistica, ai partecipanti è stato chiesto di esprimere le proprie preferenze riguardo a ciascuna interpretazione. Il 42% ha mostrato una preferenza per l'interpretazione di Copenaghen, il 24% per la prospettiva quantistica-informativa e il 18% per l'interpretazione a molti mondi. Come emerge dal sondaggio, l'interpretazione di Copenaghen è l'interpretazione prevalente all'interno della comunità dei fisici. L'interpretazione di Copenaghen è quella sviluppata fin dai primissimi tempi della meccanica quantistica da studiosi guidati da Bohr. Brian Greene ha introdotto il principio cardine dell'interpretazione di Copenaghen nel seguente modo: "Ogni volta che tentiamo di osservare direttamente un'onda di probabilità, l'atto stesso dell'osservazione la interrompe". L'interpretazione di Copenaghen spiega che, al momento dell'osservazione, l'onda di probabilità non può più rimanere in quello stato e collassa in un singolo punto. Viene spiegato che il risultato di questo collasso in un unico punto è la realtà che conosciamo. Questo processo è chiamato collasso d'onda. La prospettiva dell'informazione quantistica spiega che l'universo stesso è composto da informazione quantistica, che costituisce l'essenza stessa dell'universo. Essa postula che ogni cosa sia il risultato di calcoli quantistici che coinvolgono questa informazione quantistica. Da questo punto di vista, l'intero universo viene talvolta visto come una macchina che esegue calcoli quantistici. Seth Lloyd ha scritto un libro che sostiene in modo convincente questa prospettiva. In quel libro, spiegò il ruolo dell'informazione e il suo rapporto con le leggi fisiche reali. Ad esempio, ha spiegato come il calcolo quantistico tenda a diffondere informazioni sconosciute e ha approfondito le leggi fisiche relative all'entropia. L'interpretazione dei molti mondi è stata proposta da Hugh Everett. Questa interpretazione non accetta il collasso della funzione d'onda, che è la pietra angolare dell'interpretazione di Copenaghen. Al contrario, postula che l'universo si ramifichi in molteplici mondi e che tutte le possibilità si realizzino. Ciò spiega che in ogni mondo, un osservatore percepisce la realtà a noi familiare. Trovo poco convincente il concetto di collasso della funzione d'onda, che può essere considerato il nucleo dell'interpretazione di Copenaghen. Come ha fatto notare Brian Greene, il confine che definisce cosa costituisce un'“osservazione” non è chiaro. La spiegazione è più o meno questa: il collasso della funzione d'onda non si verifica quando oggetti microscopici interagiscono tra loro, ma si verifica quando un osservatore effettua una misurazione; tuttavia, questa spiegazione è difficile da accettare.
È naturale supporre che le leggi della fisica si applichino universalmente e in modo identico in tutto l'universo. Poiché anche l'osservatore fa parte dell'universo, credo sia naturale che le leggi della meccanica quantistica si applichino in egual misura a tutte le azioni, osservazione compresa. Tuttavia, l'interpretazione di Copenaghen spiega che il collasso dell'onda si verifica come risultato dell'atto di osservazione da parte dell'osservatore. Dal punto di vista matematico, il collasso d'onda è un'operazione distinta dalle normali operazioni della meccanica quantistica. Sebbene non possa spiegare qui nel dettaglio il processo con cui cambia una funzione d'onda di probabilità, si può descrivere come un'operazione che coinvolge la moltiplicazione per una matrice reversibile con determinate proprietà speciali. “Reversibile” significa che esiste una corrispondenza biunivoca tra il risultato e lo stato che lo ha determinato. Tuttavia, quando si verifica il collasso della funzione d'onda, questa corrispondenza si interrompe. Il sistema si blocca in un singolo stato, rendendo impossibile il ripristino dello stato originale. Nei casi in cui la natura dell'osservazione è cruciale, come nell'interpretazione di Copenaghen, a volte viene introdotto il concetto di taglio di Heisenberg. Questo concetto postula che le leggi della meccanica quantistica si applichino fino a un certo limite, oltre il quale la funzione d'onda collassa. Tuttavia, questo confine non è definito in modo chiaro. Potrebbe essere impostato a livello di oggetti quali elettroni o protoni, oppure a livello di oggetti macroscopici come gli esseri umani. Questa soluzione è insoddisfacente perché non specifica esattamente dove debba essere tracciato questo confine. Un esempio ben noto che illustra questa situazione è l'esperimento mentale del gatto di Schrödinger. In questo esperimento mentale, compaiono una particella più piccola di un atomo e un gatto. La piccola particella può decadere con una certa probabilità, un processo che può essere spiegato dalla meccanica quantistica. Un dispositivo di rilevamento viene posizionato accanto ad esso. Si dice che nel momento in cui viene rilevato tale deterioramento, si attivi un meccanismo che uccide il gatto. Ciò solleva la questione se il gatto sia vivo o morto in quel momento. L'interpretazione di Copenaghen spiega che lo stato del gatto, vivo o morto, viene determinato nel momento stesso in cui viene osservato. Questa spiegazione si basa sul presupposto che nemmeno gli oggetti macroscopici subiscano il collasso delle onde. Ciò suggerisce che anche gli oggetti di grandi dimensioni debbano essere considerati nell'ambito della meccanica quantistica. Di conseguenza, esistono esperimenti mentali che portano questa situazione a un estremo ancora maggiore. In questo esperimento mentale, ipotizziamo che un amico abbia condotto l'esperimento mentale del gatto di Schrödinger e abbia osservato lo stato del gatto. In tal caso, non fornisce una spiegazione definitiva di quale confine la funzione d'onda debba considerarsi collassata. Riguardo a questo confine, alcuni ritengono che l'estensione della conoscenza dell'osservatore sia cruciale, e si dice che ciò sia correlato alla probabilità. Tuttavia, l'interpretazione di Copenaghen ha il vantaggio di spiegare in modo semplice e chiaro i risultati osservati dall'osservatore. In effetti, spiega molto bene i risultati di diversi esperimenti. È sufficiente applicare il collasso d'onda al momento dell'osservazione dei risultati sperimentali o durante l'interazione con oggetti macroscopici. Si tratta di un'interpretazione comoda che non richiede di considerare lo stato quantistico dell'apparecchiatura di osservazione. Una delle ragioni del suo grande successo, nonostante il risultato intuitivamente difficile da accettare del collasso delle onde, è probabilmente la sua capacità di spiegare bene i risultati sperimentali. Proprio perché il collasso ondulatorio è una spiegazione così innaturale, credo che l'interpretazione dei molti mondi potrebbe essere una valida alternativa all'interpretazione di Copenaghen. L'interpretazione dei molti mondi non riconosce il collasso ondulatorio. Si ritiene che sia un'interpretazione derivata concentrandosi esclusivamente sull'equazione d'onda di Schrödinger. Poiché non considera l'atto di osservazione soggetto ad alcuna legge speciale, interpreta il processo semplicemente come un cambiamento nello stato ondulatorio, così come appare dall'equazione d'onda. In altre parole, si comprende che quando viene effettuata un'osservazione, l'onda non collassa; piuttosto, l'osservatore e l'oggetto entrano in uno stato di entanglement quantistico. Per comprendere questo stato di intreccio, esaminiamo un esempio dal punto di vista dell'interpretazione a molti mondi, che non riconosce il collasso ondulatorio. Lo spin di un elettrone può essere rivolto verso l'alto (↑) o verso il basso (↓). L'apparecchiatura di osservazione è un dispositivo che misura lo spin dell'elettrone. Supponiamo che la finestra di visualizzazione dello stato dell'apparecchiatura di osservazione abbia tre possibili stati: su (⟰), giù (⟱) e vuoto (). Analizziamo la situazione prima della misurazione. Lo spin dell'elettrone e la finestra di visualizzazione dello stato dell'apparecchiatura di osservazione possono essere descritti come onde di probabilità reciprocamente indipendenti. L'elettrone non è fisso né in alto (↑) né in basso (↓), ma è rappresentato da un'onda di probabilità. L'apparato di misura sarebbe stato impostato sullo stato vuoto () per l'esperimento, e ci sarebbe stata una funzione d'onda di probabilità che rappresentava questa situazione. Analizziamo la situazione dopo la misurazione. A questo punto, non è più possibile descriverlo come funzioni d'onda di probabilità indipendenti. Lo stato complessivo è invece descritto da un'unica funzione d'onda di probabilità che comprende sia l'elettrone che l'apparato di misura.
Nello specifico, è rappresentato da un'unica funzione d'onda di probabilità che descrive solo due possibili situazioni: una in cui lo spin dell'elettrone è verso l'alto e la finestra di stato dell'apparato di osservazione indica "verso l'alto" (↑⟰), e un'altra in cui lo spin dell'elettrone è verso il basso e la finestra di stato dell'apparato di osservazione indica "verso il basso" (↓⟱). Questo fenomeno, in cui più stati non sono più indipendenti, viene descritto come "intreccio" (entanglement). L'interpretazione dei molti mondi va oltre. Osservando l'esempio precedente, si possono individuare due situazioni possibili (↑⟰, ↓⟱). L'interpretazione dei molti mondi vede il mondo diviso in questi due stati. Cioè, in un mondo si verifica la situazione ↑⟰, e in un altro mondo si verifica la situazione ↓⟱. Si dice che, esaminando l'equazione di Schrödinger, non vi sia alcun problema matematico rilevante nel considerarla in questo modo. Se separiamo i possibili stati in base ai risultati delle osservazioni e interpretiamo ciascun risultato come un mondo distinto, questa è precisamente l'interpretazione a molti mondi. Pertanto, ogni evento che può essere considerato un'osservazione viene visto come un evento in cui i mondi si dividono. Di conseguenza, in ogni mondo si realizza ogni possibilità che sia fattibile dal punto di vista della meccanica quantistica. L'aspetto dell'interpretazione dei molti mondi che trovo più interessante è che non considera l'atto dell'osservazione come qualcosa di speciale. Poiché anche l'osservatore è considerato parte di un mondo soggetto alle stesse leggi della meccanica quantistica, ritengo che questa interpretazione sia più universalmente applicabile. Tuttavia, l'interpretazione dei molti mondi è oggetto di numerose critiche. Non esiste una spiegazione convincente di cosa significhi per il mondo dividersi in più mondi. Inoltre, l'affermazione che esistano mondi multipli è di per sé bizzarra. Se i mondi vengono creati continuamente all'infinito, non c'è modo di spiegare come possiamo tenerne traccia di così tanti. Inoltre, se mondi diversi sono completamente separati e non possono influenzarsi a vicenda, si potrebbe sostenere che, dal punto di vista dell'osservatore, l'esistenza di altri mondi è del tutto priva di significato. Da questo punto di vista, l'interpretazione stessa perde di significato. Inoltre, ci sono ancora diverse sfide da affrontare nell'ambito dell'interpretazione a molti mondi. Innanzitutto, uno dei compiti da affrontare è quello di fornire una spiegazione adeguata di quale mondo percepirà un osservatore reale. Deve inoltre esistere un modo per descrivere i fenomeni dal punto di vista dell'osservatore, piuttosto che dalla prospettiva del tutto, al fine di spiegare i fenomeni che osserviamo nella vita di tutti i giorni. Questo accade perché non osserviamo direttamente le onde di probabilità, ma solo i loro risultati. L'interpretazione di Copenaghen chiarisce questo aspetto. L'interpretazione di Copenaghen sostiene che il mondo che osserviamo si realizza attraverso il collasso della funzione d'onda e produce risultati in linea con la realtà. Inoltre, l'interpretazione dei molti mondi dovrebbe essere in grado di spiegare l'interpretazione di Copenaghen. Se l'interpretazione dei molti mondi è quella corretta, dovrebbe essere in grado di spiegare – dal suo punto di vista – come tutti i risultati sperimentali ottenuti finora siano in linea con le previsioni dell'interpretazione di Copenaghen. Inoltre, dobbiamo stabilire in quali circostanze potrebbero sorgere differenze tra le due interpretazioni. Pertanto, stabilire un collegamento con l'interpretazione di Copenaghen rappresenta anche una sfida importante. Non condivido il concetto di collasso d'onda dell'interpretazione di Copenaghen perché non è chiaro quando esattamente debba essere applicato, e considero problematica, in termini di universalità, la pratica di isolare la misurazione come un processo separato. Credo invece che dovremmo mantenere la prospettiva secondo cui l'intero universo può essere descritto come un'onda probabilistica in meccanica quantistica, e che anche l'osservatore ne fa parte. Pertanto, ritengo che l'interpretazione dei molti mondi e teorie simili potrebbero fungere da alternative. Tuttavia, come già accennato, anche queste interpretazioni presentano diversi problemi. Come dimostrano i risultati di sondaggi condotti tra fisici, non è ancora stata raggiunta una conclusione definitiva in merito all'interpretazione della meccanica quantistica. Alcune delle interpretazioni esistenti sono state storicamente smentite dagli esperimenti. Tuttavia, nessun esperimento di questo tipo è stato ancora condotto per l'interpretazione di Copenaghen o per l'interpretazione dei molti mondi. È possibile che un giorno vengano sviluppati modelli sperimentali in grado di dimostrare concretamente le differenze tra queste interpretazioni. In alternativa, potremmo giungere alla conclusione che tutte queste interpretazioni siano ugualmente valide. Pertanto, credo che, man mano che la nostra comprensione delle leggi della fisica si approfondirà, si apriranno nuove strade per l'interpretazione della meccanica quantistica. Sarà affascinante assistere allo svolgersi di questo processo.
