In questo post del blog, esamineremo le basi della meccanica quantistica, i punti principali dell'interpretazione di Copenaghen e dell'interpretazione a molti mondi, e come queste due interpretazioni considerano l'"osservazione", per poi riflettere sullo scopo della meccanica quantistica.
Molto tempo fa, nella storia della fisica, Max Planck pubblicò un articolo e i risultati sperimentali basati sui suoi esperimenti sulla radiazione di corpo nero, affermando che "tutta l'energia è costituita da pacchetti molto piccoli con valori discreti". Ciò scosse le fondamenta della visione prevalente tra i fisici dell'epoca, i quali credevano che tutti i fenomeni del mondo macroscopico potessero essere spiegati dalla meccanica newtoniana. Da quel momento in poi, con il progredire delle apparecchiature di misurazione e la capacità dei fisici di osservare il mondo microscopico, vennero pubblicati diversi risultati sperimentali che rivelarono i limiti della meccanica newtoniana. Questi risultati, che non potevano essere spiegati dalle teorie esistenti, portarono presto al riconoscimento della necessità di un nuovo quadro teorico per la meccanica: nacque così la "meccanica quantistica". La meccanica quantistica consolidò presto la sua posizione fornendo risposte a fenomeni naturali che non potevano essere risolti dalla fisica esistente, come la spiegazione di Einstein dell'effetto fotoelettrico e il modello di Bohr dello spettro dell'atomo di idrogeno. Inoltre, grazie agli sforzi di innumerevoli fisici e a sviluppi come la teoria delle trasformazioni proposta da Paul Dirac e Pascual Jordan, si è affermata come un campo di studio distinto.
Tuttavia, ciò significava semplicemente il completamento della "forma" matematica – lo strumento utilizzato per descrivere il contenuto della meccanica quantistica – e non implicava che fosse stata stabilita dal punto di vista dell'interpretazione fisica. Ancora oggi, a distanza di decenni, persistono divergenze di opinione tra fisici di spicco riguardo all'"interpretazione" dei fenomeni della meccanica quantistica. Dall'"interpretazione di Copenaghen" – spesso definita l'interpretazione dominante – all'"interpretazione dei molti mondi", emersa in risposta ai limiti della prima, e a varie altre interpretazioni, questi diversi approcci continuano a completarsi a vicenda, colmando le lacune che nessuna singola interpretazione può spiegare completamente. In una conferenza sulla meccanica quantistica tenutasi in Austria, è stato condotto un sondaggio tra 33 fisici di fama mondiale chiedendo loro quale interpretazione preferissero; l'interpretazione di Copenaghen ha ottenuto il 42%, l'interpretazione basata sulla teoria dell'informazione il 24% e l'interpretazione dei molti mondi il 18%. Dato che nessuna singola interpretazione ha superato il 50% in questo sondaggio, sembra chiaro che ogni interpretazione abbia i suoi limiti. In questo articolo, introdurrò brevemente l'"interpretazione di Copenaghen" e l'"interpretazione dei molti mondi" – che rappresentano una parte significativa del campo di studi e sostengono visioni opposte sull'atto di "osservazione" – e ne discuterò i limiti. L'"interpretazione informazionale" è esclusa da questa discussione perché considera la meccanica quantistica da una prospettiva in qualche modo diversa dalle altre due.
Il quadro di riferimento fondamentale dell'interpretazione di Copenaghen, proposta da Bohr e Heisenberg, è il seguente: "Finché l'osservatore non utilizza strumenti di misura, l'elettrone all'interno di un atomo si muove secondo le leggi di causalità. Tuttavia, quando si tenta di descrivere l'elettrone in una posizione e in un tempo fissi nello spaziotempo, intervengono interazioni discrete che lo fanno deviare dalla causalità, e l'osservatore non ha altra scelta che affidarsi alle probabilità quantistiche". La meccanica newtoniana afferma che le particelle osservate nel mondo macroscopico possiedono valori specifici e ben definiti per posizione e quantità di moto quando si muovono. Ciò significa che nel mondo macroscopico, dove esistono gli osservatori – cioè gli esseri umani – posizione e quantità di moto sono fisse. Tuttavia, nel mondo microscopico, un elettrone in movimento esiste in uno stato in cui queste grandezze fisiche non possono essere determinate in modo definitivo come un singolo valore. Piuttosto, diversi stati coesistono simultaneamente. Ad esempio, se ci sono tre possibili stati – 1, 2 e 3 – che un elettrone può occupare, l'elettrone esiste in tutti e tre gli stati simultaneamente prima di essere osservato. Matematicamente, ciò può essere espresso come la somma delle funzioni d'onda corrispondenti a 1, 2 e 3. Quando un osservatore nel mondo macroscopico osserva l'elettrone, quest'ultimo viene ridotto a un singolo stato tra i molti stati possibili, determinato dalla probabilità associata a quello stato. In altre parole, l'atto di "osservazione" modifica lo stato dell'elettrone. Ad esempio, nel momento in cui si determina che l'elettrone si trova nello stato 1, la possibilità che esso esista simultaneamente negli stati 2 e 3 scompare. Questo è ciò che l'interpretazione di Copenaghen definisce "collasso della funzione d'onda". Di conseguenza, l'atto di "osservazione" riveste un'importanza immensa nell'interpretazione di Copenaghen.
Fisici famosi come Einstein confutarono l'interpretazione di Copenaghen, citando vari esperimenti mentali a supporto della loro tesi. Tra questi, il più noto è il "Gatto di Schrödinger". All'interno di una scatola sigillata si trovano un gatto e un dispositivo in grado di rilasciare veleno a seconda dello stato di una particella, determinato dalla meccanica quantistica. Il fatto che il gatto all'interno della scatola sia vivo o morto dopo un certo periodo di tempo – che è di per sé uno stato – viene determinato solo nel momento in cui il coperchio viene aperto e il gatto viene osservato. Questo esperimento mentale illustra come l'applicazione dell'atto di "osservazione", che riveste grande importanza nel mondo microscopico, al mondo macroscopico porti a conclusioni bizzarre; di conseguenza, ha stimolato una profonda riflessione sul significato dell'osservazione nella meccanica quantistica. È qui che inizia l'"interpretazione dei molti mondi".
Everett III, già docente all'Università di Princeton, confutò le affermazioni dell'interpretazione di Copenaghen, sostenendo che la distribuzione di probabilità di una particella non scompare con l'atto dell'osservazione, ma piuttosto che fin dall'inizio esistevano molteplici mondi possibili. In altre parole, la posizione di una particella non è determinata da un singolo valore attraverso l'osservazione; piuttosto, esistono già molteplici mondi paralleli e noi ne osserviamo semplicemente uno. Gli stati che non osserviamo direttamente si stanno sviluppando in altri mondi possibili. Ad esempio, se la nostra osservazione produce lo stato 2, gli altri stati non scompaiono in quel momento: si stanno sviluppando in altri mondi e noi semplicemente non possiamo osservarli.
Tuttavia, l'interpretazione dei molti mondi presenta chiaramente dei problemi. Se un evento che potrebbe verificarsi si verifica in tutti i mondi possibili, che significato ha la probabilità associata a ciascuno stato? Everett ha tentato di risolvere questo problema moltiplicando semplicemente ogni stato per un peso. Tuttavia, cosa significhi che un mondo sia più importante di un altro rimane oggetto di dibattito.
Considerando queste due interpretazioni – ciascuna con il proprio significato e i propri limiti – tendo a preferire l'interpretazione di Copenaghen. Se torniamo alle origini della meccanica quantistica, vediamo che essa è nata in ultima analisi per spiegare i fenomeni del mondo microscopico. In altre parole, poiché è stata creata per svelare i fenomeni attraverso l'osservazione e i fatti che ne derivano, l'atto stesso dell'osservazione riveste un significato profondo. Nell'osservazione effettiva delle particelle, per osservare lo stato di una singola particella, dobbiamo esercitare su di essa una certa influenza. In fisica, questo viene chiamato "perturbazione". In altre parole, osservare lo stato di una particella implica indurre una leggera variazione nella particella e poi osservarne la risposta. Sebbene il legame tra l'induzione di una variazione nella particella e il collasso della funzione d'onda in termini matematici sia alquanto ambiguo, entrambi i fenomeni concordano nel fatto che alterano lo stato originale. Ciò significa che l'atto stesso dell'osservazione è fisicamente significativo.
La meccanica quantistica si è allontanata dalla mentalità deterministica della meccanica newtoniana classica e ha adottato un approccio probabilistico. Quante persone potrebbero facilmente accettare l'idea che la posizione di una mela proprio di fronte a loro cambi con probabilità variabili ogni volta che la guardano? È vero che sia l'interpretazione di Copenaghen che l'interpretazione dei molti mondi hanno la loro importanza e i loro limiti quando si tratta di aiutare le persone – abituate agli stati definiti degli oggetti – a comprendere i fenomeni che si verificano nel mondo microscopico. Sono uno studente di ingegneria che studia come creare nuove tecnologie utilizzando fenomeni scientifici e i risultati ottenuti dalla loro osservazione. Lo sviluppo della meccanica quantistica ci ha fornito strumenti per interpretare i fenomeni nel mondo microscopico, e questo ha portato direttamente a tecnologie utili per le persone. Le apparecchiature per la risonanza magnetica (MRI), che hanno dato un contributo significativo alla medicina moderna, sono state sviluppate applicando il fenomeno della risonanza magnetica nucleare (NMR) della meccanica quantistica; Questa tecnologia viene utilizzata non solo nella spettroscopia, che determina le strutture molecolari, ma anche nell'esplorazione petrolifera. Sulla base di ciò, credo che l'interpretazione più adatta a spiegare i fenomeni – che considero lo scopo della scienza – avrà maggiore rilevanza.
