Nel corso di questa rubrica abbiamo spesso citato la famosa storiella del Gatto di Shroedinger, ultimamente quando ho raccontato la misteriosa scomparsa di Majorana, e l’interessante teoria secondo cui Ettore poteva essere considerato vivo e morto allo stesso tempo, come il gatto.
Il concetto si basa su uno dei principi più difficili da accettare e da comprendere della Meccanica Quantistica, ovvero la sovrapposizione di stati.
L’idea è che se prendiamo per esempio una scatola, e ci mettiamo all’interno un certo numero di particelle, queste avranno una determinata probabilità di distribuirsi secondo una certa configurazione dentro la scatola. In realtà, secondo questo principio della Meccanica Quantistica, le particelle assumeranno contemporaneamente tutte le possibili configurazioni, finché un osservatore non perturbi il sistema, aprendo la scatola e facendo degenerare questa moltitudine di stati in un’unico stato osservabile.
Analogamente, nel paradosso del gatto di Shroedinger, l’osservatore degenera lo stato del gatto in “vivo” o “morto” solo aprendo la scatola, mentre prima il gatto si trovava in una sovrapposizione di stati, essendo sia vivo che morto allo stesso tempo.
Si tratta, come dice il nome, di un paradosso. Questo perché sappiamo che un gatto non può essere sia vivo che morto allo stesso tempo, essendo una forma di vita, con dei sensi e un sistema complesso. La Meccanica Quantistica è una descrizione del mondo delle particelle elementari, al massimo degli atomi e delle molecole.
Ma non è adatta a descrivere corpi di dimensioni macroscopiche, che invece seguono la Meccanica Classica. Vi è però una regola estremamente importante quando si definisce una nuova fisica, ed è che quest’ultima sia in grado di riprodurre i risultati di quella precedente. La Meccanica Quantistica deve poter riprodurre la fisica descritta dalla Meccanica Classica quando si descrive un corpo macroscopico.
Questo viene spiegato dal fatto che le condizioni esterne di un corpo di grandi dimensioni influiscono maggiormente su di esso, rispetto a quanto accada in un corpo microscopico. La fisica classica, quindi, “pesa” di più su un oggetto , piuttosto che gli effetti quantistici, che non sono sufficientemente intensi da poter essere visti a occhio nudo.
In linea di principio, però, non vi è nessuna ragione per cui la meccanica quantistica non possa valere anche in sistemi macroscopici.
Andrew Cleland della University of California, Santa Barbara, assieme al suo team di ricerca, ha dimostrato che è vero, la meccanica quantistica è valida anche per sistemi macroscopici. Il tutto sta a “togliere” tutta l’energia di un oggetto, rendendolo stabile e al suo livello più basso di energia (“ground state”) e fornirgli di seguito dei “quanti” di energia, osservandone il comportamento.
Il problema è fondamentalmente di tipo tecnico: come togliere tutta l’energia a un oggetto? La materia che ci circonda è formata da molecole che vibrano costantemente, e per fermare questa vibrazione sarebbe necessario raffreddare la materia ad un livello non raggiungibile con le tecnologie attuali. Cleland ha allora deciso di rigirare il problema.
Ha scelto un materiale la cui frequenza di vibrazione è altissima, cosicché hanno potuto utilizzare un sistema di raffreddamento standard (a livello laboratoristico… si è trattato comunque di temperature vicine allo zero assoluto!) per portare una piccola tavoletta di 30 micro metri di diametro nel suo stato energetico fondamentale, “congelando” le molecole.
Questa piccola “paletta” di 30 micrometri può essere vista come una specie di tamburello quantistico. Nel suo stato fondamentale è immobile, privo di qualsivoglia vibrazione. Questo è stato verificato attraverso un circuito elettrico a superconduttori che è anche servito per, come passo successivo, iniettare un quanto di energia al tamburello. È stato così osservato come il tamburello seguisse un comportamento decisamente quantistico, vibrando per deteminate frequenze.
L’esperimento è stato poi portato ad un gradino successivo. Il circuito è stato istruito per dare un segnale di “spingi” e “non spingi” in contemporanea e, attraverso una serie di misurazioni molto complesse, si è riuscito a dimostrare che il tamburello era in uno stato di “vibrazione” e “non vibrazione” contemporaneamente.
La prima cosa che verrebbe da pensare è “ottimo, adesso costruite un processore a 4 core quantistici, e facciamo un super mega computer”. Purtroppo non è così facile, per poter osservare questo effetto è stato necessario selezionale accuratamente il materiale, le dimensioni, il sistema intero. Si è dovuto creare un sistema imperturbabile dall’esterno, da fattori “macroscopici” che renderebbero invisibili gli effetti quantistici.
Le applicazioni di questa scoperta sono quindi ancora lontane, ma è di sicuro una grande scoperta scientifica che vale la pena approfondire!
Wow, praticamente è come fermare un film e vederne i singoli fotogrammi… gli si da un colpetto quantistico per passare al fotogramma successivo e si confrontano i cambiamenti.
Magari siamo più vicini al teletrasporto (almeno delle informazioni) di quanto pensiamo.
di che materiale si trattava?
“La prima cosa che verrebbe da pensare è “ottimo, adesso costruite un processore a 4 core quantistici”
Già e poi quanto viene a costare un dissipatore in grado di tenere il tutto vicino allo zero assoluto ?
Penso che già creare un metodo per misurare che il campione “era in uno stato di “vibrazione” e “non vibrazione” contemporaneamente” sia una scoperta non da poco.
Devo essere onesto, non comprendo fino in fondo la condivisione di più stati contemporanei di un oggetto (o del gatto).
Se prendo una moneta e la metto in una scatola chiusa, agito la scatola e poi la poso a terra, la moneta sarà testa o croce con, rispettivamente, probabilità 0.5, ma questo non pone la moneta nello stato di essere sia testa che croce. O è testa o è croce, semplicemente non lo so.
E’ un limite delle mie capacità di osservazione a rendere indeterminato lo stato della moneta, non è una caratteristica del sistema.
Ecco cosa non capisco, le particelle hanno solo un ventaglio di stati possibili, ognuno caratterizzato da una determinata probabilità, oppure assumono realmente tutti gli stati possibili contemporaneamente?
@KoD
Quello che dici tu è quello che inizialmente credeva einstein.. ;-)
Chiamava questa sua spiegazione delle “variabili nascoste”, ovvero non è il sistema che è in più stati, siamo noi che non conosciamo tutte le variabili che ci permetterebbero di conoscerne lo stato. La fisica del sistema sarebbe quindi deterministica, ma siamo noi che possiamo solo attribuire una probabilità al sistema perché non conosciamo tutte le variabili in gioco (la forza con cui è stata lanciata la moneta, il momento iniziale, l’attrito dell’aria, ecc ecc). Se le conoscessimo, potremmo determinare lo stato della moneta senza aprire la scatola.
Ebbene, Einstein aveva torto… È possibile dimostrarlo nella pratica, per esempio con l’esperimento delle due fessure.
Si prende un pannello con due fessure, una lastra fotografica e si spara un fotone contro il pannello. Ebbene, sulla lastra si vedrà un pattern di interferenza, dimostrando che il fotone è effettivamente passato per entrambe le fessure….
a Kod
mooolto banalmente,
è che la moneta la puoi osservare senza modificarla (cioè i fasci di luce che la colpiscono e poi colpiscono i tuoi occhi non ne modificano lo stato macroscopico)
mentre non è possibile osservare una particella “di nascosto”.. solo il fatto di osservarla è una modifica al suo stato. in particolare in questa teoria, sei tu che nell’osservarla ne determini lo stato.
..non credo di essere stato molto chiaro, ma tant’è…
Cara Eleonora,
ti confesso di essere ancora un po’ confuso e date le mie scarse (nulle) conoscenze in ottica, il tuo esempio non mi è stato molto di aiuto.
Quel che mi stai dicendo è che in effetti (nella realtà) la particella si trova contemporaneamente in due stati e che è l’osservazione a fargli assumere in modo definito uno dei due stati? Ma se così fosse il tamburello del tuo articolo non poteva essere osservato sia in stato di vibrazione che non vibrazione.
Va bene, ammetto di avere le idee un po’ troppo confuse per potermele chiarire in un blog, forse una lettura più intensa è necessaria :)
Caro sofc,
che l’osservazione possa modificare la misura è un concetto base di alcuni strumenti di misura, quindi non lo ritengo un concetto ostico. Quindi non dubito che osservare una particella ne determini lo stato, quel che non comprendo è se la particella esiste in natura nei due stati, oppure sono semplicemente equiprobabili ed è solo con l’osservazione che lo posso determinare.
Ritornando all’esempio della moneta, se introduco uno scuotimento attraverso un rumore browniano attuato non noto, ecco che non ho possibilità di sapere in modo deterministico se la moneta è testa o croce. E mi sta anche bene, ma ciò non toglie che la moneta sarà o testa o croce, non entrambi.
Concordo che se dovessi descrivere lo stato della moneta, non potrei mai dire che è testa o croce a meno di aprire la scatola (e quindi osservare lo stato) e quindi mi rifarei al modello statistico banale, ma è un deficit dell’osservazione, non del sistema.
@KoD
Capisco perfettamente i tuoi dubbi, ed è molto difficile per me riuscire a spiegare questo concetto. Proverò a farlo, ma per rendere la risposta interessante a tutti consiglio la lettura di un libro molto interessante, chiamato “Alice nel paese dei quanti”. In questo libro è spiegata la meccanica quantistica, e i suoi principi fondamentali, in un modo estremamente intuitivo, pur rimanendo perfettamente valido a livello scientifico.
Per risponderti senza avere a disposizione le pagine di un libro, forse è meglio usare un po’ di matematica. Uno stato quantistico (vibra, non-vibra, per esempio) è descritto da una funziona matematica chiamata funziona d’onda. Se un sistema è descritto sia dalla funzione d’onda f1 che dalla funziona f2, allora, automaticamente, per il principio di sovrapposizione degli stati, è descritto anche da una qualsiasi combinazione lineare delle due funzioni (A1*f1 + A2*f2). In pratica vuol dire che lo stato del sistema è interamente descritto da uno spazio vettoriale definito da f1 e f2. Immagina per esempio lo spazio X e Y. Se lo stato può avere tutti i valori di x e tutti i valori di y allora non sarà solo sugli assi, ma anche in qualsiasi punto sul piano….
Affascinante..
Mi è tornato alla memoria, quando ( non ero ancora adolescente ) per un periodo pensavo che la realtà alle mie spalle, quella che non vedevo, non esistesse, se non come illusione, sensazione Mi ho ‘distrutto’ la mia congettura semplicemente guardandomi alle spalle con uno specchio!! ;)
E’ impressionante quanto sono ‘limitato’. Difficile concepire un momento in cui la materia assume tutti gli stati possibili. Ne capisco il senso teorico, meno quello pratico. Ma resta affascinante..
Articolo estremamente interessante :-)
La dimostrazione scientifica di una teoria “evanescente”, come la meccanica dei quanti, getta sempre le basi per nuove ricerche ma non è detto che siano strettamente correlate con possibili applicazioni pratiche.
All’inizio del secolo lo stesso Einstein aveva teorizzato la relatività, teoria per la quale venne deriso da gran parte della comunità scientifica dell’epoca, ma che oggi trova piena appliazione nei sistemi di navigazione satellitare che molti hanno in auto o integrata in un telefonino da meno di 200 euro :-)
Altre illustri scoperte “inutili” sono state la corrente alternata, il laser, i raggi X…
solo il tempo ci dirà quale sarà la sorte di questa scoperta :-)
@KoD, potrebbe essere anche caduta in piedi (ed è nè testa nè croce, oppure tutte e due assieme), ma finchè non apri la scatola non lo puoi sapere, appunto ;)
Caro Wolf01
“la moneta è caduta in piedi” è solo un terzo stato ammissibile dal sistema, non è una combinazione dei due (infatti non puoi dire che è sia testa che croce o una qualche combinazione delle due, è una terza possibilità).
Prendo spunto per riprendere la risposta di Eleonora. Eleonora, quel che dici è vero se e solo se f1 e f2 sono ortogonali tra loro. Ecco che allora posso definire lo spazio vettoriale le cui basi sono proprio f1 e f2.
Detto questo, torniamo alla conclusione iniziale, devo leggermi qualcosa sull’argomento per comprenderlo veramente :)
Scusate a tutti per i dubbi di un ignorante.
Non è necessario che le funzioni f1 e f2 siano ortogonali tra loro per poter definire lo spazio funzionale (e non vettoriale) che ha come base dette funzioni ma è sufficiente che esse siano linearmente indipendenti….
Sinvece e f1 e f2 sono lin. indip. e in più ortogonali (e aggiungiamoci pure a norma unitaria) allora hai trovato la base canonica (nel tuo caso hai solo una base ortogonale).
In altre parole stai descrivendo il \punto\ (lo stato quantistico) in forme diverse ma lo stato sempre quello è!
Infatti posso passare da un riferimento ad un’altro mediante la trasformazione detta cambiamento di base.
Ciao.