Ricordate il gatto di Schrödinger? Ecco come si è ridotto trent’anni dopo

Avrete sicuramente già sentito parlare del Gatto di Schrödinger (ad esempio a proposito dei qubit). È un esperimento mentale, ideato appunto dal fisico Erwin Schrödinger, che ha avuto grande successo popolare, forse per il suo carattere paradossale, o forse per la natura virale di qualsiasi cosa abbia a che fare coi gatti.

Supponiamo di mettere un gatto (ideale, non si scaldino gli animalisti) in una scatola, completamente isolata dall’esterno, insieme a un atomo radioattivo, un contatore Geiger e una fiala di gas velenoso. Supponiamo inoltre che l’atomo abbia una vita media di un’ora e una probabilità del 50% di decadere entro un’ora. Se l’atomo decade, il contatore Geiger scatterà, facendo aprire la fiala di gas velenoso e uccidendo il gatto. Se l’atomo non decade, nessuna di queste cose succederà e il gatto rimarrà vivo.

Lo schema dell’esperimento è molto semplice, come si può vedere dalla figura. La sorte del povero gatto dipende dal decadimento di uno stato atomico eccitato. Possiamo dire quindi che lo stato del gatto è diventato “entangled” (ovvero intrecciato) con quello dell’atomo: il gatto è vivo se l’atomo rimane nello stato eccitato, mentre muore se si ha il decadimento nello stato fondamentale. Ma l’atomo, essendo un oggetto quantistico, può trovarsi anche in una sovrapposizione di questi stati, eccitato e non eccitato.

Il principio di sovrapposizione rappresenta il primo postulato della meccanica quantistica. Esso afferma che due o più stati quantistici qualsiasi possono essere sommati tra loro, ovvero “sovrapposti”, e il risultato sarà un altro stato quantistico valido. Viceversa, ogni stato quantistico può essere rappresentato come la somma di due o più stati distinti (ovvero una loro “combinazione lineare”).

L’interpretazione standard della meccanica quantistica, nonché quella comunemente adottata e insegnata nelle università, detta interpretazione di Copenhagen, afferma che se un oggetto quantistico può trovarsi in due stati distinti, allora può trovarsi anche in una loro qualsiasi sovrapposizione. Il sistema assume uno stato determinato solo quando è misurato.

Questo sembra suggerire che la meccanica quantistica descriva la simultanea, e ovviamente paradossale, esistenza di un gatto allo stesso tempo vivo e morto, finché qualcuno non apre la scatola, ovvero effettua un’osservazione, determinandone lo stato. Ma, fino a prova contraria, nella vita reale nessuno ha mai avuto a che fare con un gatto sia vivo che morto contemporaneamente.

Il punto cruciale di questo paradosso è che si sta in pratica “forzando” il confine tra il mondo quantistico-microscopico dell’atomo e il mondo classico-macroscopico dell’osservatore. Questo confine è quello che Werner Heisenberg aveva chiamato schnitt: un’ipotetica linea che separa gli eventi quantistici, descritti dalla meccanica quantistica, dall’informazione, conoscenza o consapevolezza cosciente di un osservatore macroscopico, che segue naturalmente le leggi della fisica classica.

Werner Heisenber ed Eugene Wigner nel 1928

L’amico di Wigner è un esperimento mentale meno conosciuto (forse perché gli ungheresi sono meno popolari dei gatti?), che complica il problema della schnitt e lo sposta ulteriormente nella mente dell’osservatore. Infatti, il fisico ungherese Eugene Wigner ha aggiunto un secondo osservatore all’interno del laboratorio in cui ha luogo l’esperimento del gatto di Schrödinger, come in figura.

In un laboratorio, l’amico di Wigner esegue un esperimento del gatto di Schrödinger, dopo che Wigner ha lasciato il laboratorio per andare in pausa pranzo. Per Wigner allora, finché non torna a controllare, il laboratorio sarà in una sovrapposizione degli stati “gatto vivo/amico felice” e “gatto morto/amico triste”. [Immagine: @silnohm]

Dunque, dal punto di vista di un osservatore umano (Wigner), un secondo osservatore umano (il suo amico) sarebbe in uno stato di sovrapposizione quantistica.

Ma, seguendo il ragionamento dell’esperimento del gatto di Schrödinger, l’amico di Wigner -essendo un osservatore cosciente- ha già determinato lo stato del gatto aprendo la scatola prima dell’arrivo di Wigner. Allora, poiché l’indeterminazione dello stato d’animo dell’amico è dovuta solo all’indeterminazione dello stato di salute del gatto, si ha che anche lo stato del sistema laboratorio, in cui si trova l’amico, dovrebbe essere già definito prima del ritorno di Wigner, in contrasto con quanto appena detto: qui è il paradosso.

Se tuttavia al posto dell’amico di Wigner ci fosse stato uno strumento di misura, allora il sistema laboratorio sarebbe stato in uno stato di sovrapposizione fino all’arrivo di Wigner: sarebbe stata solo un’estensione del sistema scatola.

Wigner, con questo esperimento mentale, ha reso la fisica quantistica ancora più soggettiva di quanto avesse fatto Schrödinger con il suo gatto: infatti, dal suo punto di vista, la necessità di un osservatore cosciente è centrale nel processo di misurazione. Anzi, senza il contributo della coscienza, addirittura, non succederebbe mai niente nell’Universo.

Fonti:

Michael A. Nielsen and Isaac L. Chuang – “Quantum Computation and Quantum Information”

The Information Philosopher

Per approfondire:

Foto di gattini nello spazio di Hilbert

Sull’Autore

Sono laureata in fisica teorica e sono affascinata dall'infinitamente grande dell'Universo e dall'infinitamente piccolo del mondo quantistico. Gli oggetti del mondo in media scala mi lasciano in genere abbastanza indifferente, a parte i dischi di David Bowie.

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