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Le interpretazioni di Copenaghen e molti mondi della meccanica quantistica

Due delle interpretazioni principali della meccanica quantistica sono l’interpretazioni di Copenaghen e a molti mondi. Le due figure riportate sotto ne catturano l’essenza. In Meccanica quantistica l’oggetto centrale è ciò che i fisici chiamano “funzione d’onda”, un oggetto matematico il cui quadrato indica la probabilità che una particella si trovi in ​​un particolare luogo nello spazio e nel tempo.

Matematicamente, la funzione d’onda è la soluzione alla famosa equazione di Schrödinger, l’equazione chiave della meccanica quantistica. Nell’interpretazione standard si può pensare alla funzione d’onda come qualcosa simile a una curva gaussiana  a campana che mantiene la sua forma fino a quando non viene effettuata una misura, dopo di che la curva a campana viene schiacciata fino a diventare un picco nella posizione della particella.

Questo è ciò che i fisici chiamano il “collasso” della funzione d’onda e l’idea del collasso della funzione d’onda costituisce la spina dorsale dell’interpretazione standard della meccanica quantistica, l’interpretazione di Copenaghen.

collasso della funzione d'onda
Nell’interpretazione di Copenaghen, una misura fa collassare la funzione d’onda a un picco in una certa posizione e si dice che la particella esista in quel punto e da nessun’altra parte, con una precisione limitata dalla famosa incertezza di Heisenberg Principio.

Il problema è che non esiste un meccanismo fisico noto che spiega quando e come la funzione d’onda dovrebbe collassare, inoltre il collasso della funzione d’onda non rispetta l’equazione di Schrödinger e conduce all’interpretazione filosofica che gli oggetti non esistono finché non li osserviamo.

Il problema con questa interpretazione è l’idea dell’osservatore che fa collassa la funzione d’onda. Le domande sorgono spontanee, cosa crolla la funzione d’onda? Il dispositivo di misura?  A queste domande i fisici non rispondono. La premessa di base di questa idea è che la meccanica quantistica non fornisce una descrizione di una realtà oggettiva. La meccanica quantistica si occupa esclusivamente delle probabilità di osservare o misurare, vari aspetti dei quanti di energia (che sono entità che non si adattano né all’idea classica delle particelle né all’idea classica delle onde).

Sapendo questo, nel 1957, Hugh Everett propose una interpretazione molto più semplice che afferma semplicemente che l’equazione di Schrödinger è sempre rispettata e la funzione d’onda non collassa mai.

collasso della funzione d'onda
Nell’interpretazione a molti mondi, la misura non fa collassa la funzione d’onda, ma campiona semplicemente una possibile posizione dalla distribuzione di probabilità. Tutte le altre misure possibili sono  fisicamente possibili da qualche parte, cioè in altri universi nel Multiverso.

Questo significa che quando viene effettuata una misura non siamo limitati a un singolo risultato o “picco”, ma in realtà tutti i possibili risultati dell’intera curva a campana sono da qualche parte possibili.

Poiché questi altri “semi” sono chiaramente altri universi, l’interpretazione di Everett ha preso il nome di Interpretazione a molti mondi della meccanica quantistica.

L’equazione di Schrodinger prende l’equazione d’onda iniziale della particella come input e successivamente restituisce la forma dell’onda in qualsiasi momento futuro. Quindi, misurare un oggetto quantistico non lo costringe a stare in uno stato o nell’altro, ma la misura la causa una divisione effettiva nell’universo.

In effetti, le varie misure potrebbero causare una divisione in più universi, un universo per ogni possibile risultato della misura. Quando uno scienziato in un’universo sa che l’oggetto è stato misurato, un’altro scienziato in un’altro universo misura l’oggetto come una particella. Viceversa, il gruppo di Copenhagen sosterrebbe che solo uno di questi universi esiste a causa di una funzione d’onda collassante.

Come disse una volta Aristotele:

“È il marchio di una mente istruita essere in grado di trattenere un pensiero senza accettarlo.

Speriamo che un giorno la comunità della fisica sarà in grado di sistemare questo dibattito una volta per tutte.

Critiche all’interpretazione di Copenhagen

Molti fisici e filosofi hanno mosso obiezioni all’interpretazione di Copenaghen e le celebri frasi di Albert Einstein: «Dio non gioca a dadi» e «Credi davvero che la luna non sia lì se non la guardi?» ne sono una esemplificazione.

In particolare la completezza della meccanica quantistica fu attaccata dall’esperimento mentale noto come paradosso di Einstein-Podolsky-Rosen (paradosso EPR), inteso a mostrare che devono esistere variabili nascoste se si vogliono evitare “paradossali” effetti a distanza istantanei che contraddicono il principio di località, ritenuto inviolabile al pari di quello di realtà. Successivamente il teorema di Bell ha dimostrato, nell’ambito di una teoria con variabili nascoste che riproduca le previsioni della meccanica quantistica, l’incompatibilità tra i due principi cardine della fisica classica. Una serie di esperimenti, atti a determinare quale degli scenari teorici ipotizzati dal teorema di Bell si verifichi concretamente, ha indicato come la descrizione quantistica della realtà sia quella corretta, confutando il postulato di realismo locale alla base del paradosso EPR.

Gli aspetti che ancora suscitano maggiori perplessità sono:

  • la discontinuità tra il processo deterministico che regola l’evoluzione della funzione d’onda e il fenomeno indeterministico del collasso;
  • la scarsa chiarezza nel definire i concetti di “misura” e di “osservatore”.
interpretazione di copenaghen
Conferenza di Copenaghen 1930. In prima fila da sinistra verso destra: Christian Klein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, George Gamow, Lev Landau, Hans Kramers.

Critiche all’interpretazione a molti mondi

Una obiezione è che essa non predice nessun risultato sperimentale incontrovertibile a sua specifica conferma, poiché i responsi che dalla sua applicazione si attendono sono indistinguibili da quelli già prefigurati dalla teoria ortodossa.

Nel 2014, alcuni fisici teorici hanno pubblicato uno studio su Physical Review X in cui si analizza che fenomeni quantistici possano emergere ipotizzando che tra le istanze di una pluralità di mondi possano sussistere interazioni fisiche. Il loro modello contiene come esempi limiti l’esistenza di un solo mondo, che esibisce il comportamento classico della fisica newtoniana, o l’ipotesi limite di un’infinità di mondi, dalle cui interazioni emerge la funzione d’onda. Secondo i loro calcoli, da un’interazione tra 41 mondi emerge il comportamento duale della luce, onda-particella, che dà ragione del comportamento osservabile nel famoso esperimento della doppia fenditura

interpretazione a molti mondi
Secondo l’interpretazione a molti mondi, ogni evento è un punto di diramazione; si vive in diversi rami dell’universo che sono ugualmente reali ma che non possono interagire tra loro.

Stato problematico di  ogni altra interpretazione

Per i due quadri interpretativi menzionati e per tutti i restanti non inclusi in questo articolo, il preciso stato ontologico rimane materia di argomento filosofico. Un’interpretazione può essere classificata sulla base di determinate proprietà che essa possiede o meno, tra cui:

  • Realismo;
  • Completezza;
  • Località;
  • Determinismo.

In altre parole, se si interpreta una struttura formale X della meccanica quantistica mediante i significati di una struttura Y (tramite equivalenza matematica delle due), qual è lo stato di Y? In sostanza è una riproposizione dell’antico concetto di salvare i fenomeni.

Alcuni fisici, ad esempio Asher Peres e Chris Fuchs sostengono che un’interpretazione non è nulla di più di un’equivalenza tra insiemi di regole per operare sui dati sperimentali. Ciò suggerirebbe che l’intera opera di interpretazione non sia necessaria.

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. Lettera a Max Born, 4 dicembre 1926, Albert Einstein Archives Archiviato il 19 agosto 2010 in Internet Archive. reel 8, item 180
  2. Abraham Pais: Einstein-Sottile è il Signore – Bollati-Boringhieri 1986
  3. Alexandra Witze, A quantum world arising from many ordinary ones. Radical theory proposes that interactions between classical worlds can explain some quantum phenomenaNature, 24 ottobre 2014.

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