L'esperimento mentale originale
Erwin Schrödinger pubblicò il suo esperimento mentale sul gatto nel 1935, in un articolo intitolato "La situazione attuale nella meccanica quantistica". L'impostazione:
"Un gatto viene messo in una scatola sigillata con una piccola quantità di sostanza radioattiva con una probabilità del 50% di decadere in un'ora. Se avviene la decomposizione, un contatore Geiger attiva un martello che frantuma una fiaschetta di acido cianidrico, uccidendo il gatto. Se non c'è decomposizione, il gatto sopravvive."
L'atomo radioattivo è un sistema quantistico: prima dell'osservazione si trova in una sovrapposizione di "decaduto" e "non decaduto". Secondo la meccanica quantistica, l’intero sistema (atomo+rivelatore+veleno+gatto) si intreccia in una sovrapposizione di stati: il gatto è contemporaneamente vivo e morto finché non si apre la scatola e si osserva il sistema.
Ciò che Schrödinger stava effettivamente sostenendo
Ecco la cosa più importante da capire: Schrödinger ha inventato questo esperimento mentale per opporsi all’interpretazione di Copenaghen, non per celebrarla.
Il suo punto era una reductio ad assurdo. L'interpretazione di Copenhagen (Bohr, Heisenberg) sostiene che i sistemi quantistici esistono in sovrapposizione finché non vengono misurati e che la funzione d'onda è una descrizione completa della realtà. Schrödinger stava dicendo: "Se prendi questo sul serio, sei costretto a concludere che un gatto può essere contemporaneamente vivo e morto - il che è ovviamente ridicolo. Pertanto, ci deve essere qualcosa di sbagliato nel modo in cui interpretiamo la meccanica quantistica".
Aveva ragione quando diceva che c'è un problema. Il problema della misurazione: quando e perché il mondo quantistico delle sovrapposizioni dà origine al mondo classico definito che osserviamo? – rimane una delle questioni aperte più profonde nei fondamenti della fisica.
La funzione d'onda e la sovrapposizione
Nella meccanica quantistica, lo stato di un sistema è descritto dalla sua funzione d'onda ψ. La probabilità di trovare una particella in un particolare stato è |ψ|². Prima della misurazione, un atomo radioattivo in sovrapposizione è descritto da:
Se il destino del gatto è accoppiato all'atomo, lo stato totale diventa entanglement:
Questo è matematicamente esatto: il formalismo della meccanica quantistica lo produce direttamente. La domanda è cosa significa. Diverse interpretazioni della meccanica quantistica danno risposte radicalmente diverse.
Come diverse interpretazioni lo risolvono
1. Interpretazione di Copenaghen (Bohr, 1927)
La funzione d'onda è uno strumento di calcolo, non una descrizione della realtà. Le proprietà fisiche vengono definite solo al momento della misurazione da parte di un osservatore o apparato "classico". Prima della misurazione non ha senso chiedersi se il gatto è vivo o morto: la domanda non ha senso. "Stai zitto e calcola."
Problema: Cosa conta come "misurazione"? Qual è il confine tra quantistico e classico? Questo non è mai definito con precisione.
2. Interpretazione dei molti mondi (Everett, 1957)
La funzione d'onda non collassa mai. Invece, quando la scatola viene aperta, l'osservatore si divide in due rami dell'universo: uno dove vede un gatto vivo, uno dove vede un gatto morto. Ogni evento quantistico ramifica l'universo in tutti i suoi possibili risultati. Tutti i rami sono ugualmente reali.
Forza: Mathematically simple — just unitary quantum mechanics, no collapse postulate needed. Problema: Cosa determina in quale ramo "noi" finiamo? La regola Born (regola della probabilità) deve essere derivata, non postulata: questo rimane controverso.
3. Teoria dell'onda pilota / Meccanica Bohmiana (de Broglie, Bohm)
Le particelle hanno sempre posizioni e velocità definite, guidate da un'onda reale. Il gatto è sempre sicuramente vivo o sicuramente morto, ma la nostra ignoranza delle condizioni iniziali rende necessarie le probabilità quantistiche. Nessun collasso, nessuna ramificazione.
Problema: Non locale per costruzione (come dimostrato dal teorema di Bell). Controverso da estendere alla teoria quantistica dei campi relativistica.
4. Teorie del collasso oggettivo (GRW, Penrose)
La funzione d'onda collassa fisicamente, ma attraverso un processo fisico reale e oggettivo, non solo attraverso l'"osservazione". La teoria GRW aggiunge termini di collasso stocastico all'equazione di Schrödinger. Penrose propone che il collasso avvenga quando due rami hanno geometrie dello spaziotempo sufficientemente diverse (gravità quantistica). Gli oggetti macroscopici collassano essenzialmente all'istante; le singole particelle quasi mai.
Decoerenza quantistica: la risoluzione moderna
Il più ampiamente accettato pratico la risoluzione (anche se non un'interpretazione finale) è decoerenza quantistica, sviluppato da Dieter Zeh, Wojciech Zurek e altri dagli anni '70 in poi.
Un gatto macroscopico contiene nell'ordine di 1028 particelle, ciascuna delle quali interagisce costantemente con le molecole dell'aria, i fotoni e tra loro. Queste interazioni ingarbugliare gli stati quantistici del gatto con l'ambiente a un ritmo straordinario. La scala temporale affinché questo intreccio ambientale renda le sovrapposizioni quantistiche incommensurabilmente piccole è:
dove λdB è la lunghezza d'onda termica di de Broglie e d è la dimensione dell'oggetto. Per un oggetto delle dimensioni di un gatto a temperatura ambiente, la decoerenza avviene in circa 10-30 secondi: troppo veloci perché possa persistere qualsiasi sovrapposizione macroscopica.
La decoerenza non risolve filosoficamente il problema della misurazione: spiega perché nella pratica non vediamo mai gatti vivi e morti, ma non spiega perché vediamo uno risultato certo piuttosto che un altro. Questo rimane il problema difficile.
Esperimenti con i veri gatti di Schrödinger
Controintuitivamente, i fisici hanno creato veri e propri stati del gatto di Schrödinger – non con gatti letterali, ma con sistemi quantistici mesoscopici abbastanza grandi da superare il confine quantistico-classico:
- 1996 — Gruppo Haroche (ENS Parigi): Campi fotonici in cavità a microonde poste in sovrapposizione di due distinti stati classici. Ha vinto il Premio Nobel 2012 (Haroche e Wineland).
- 2000 — NIST: Trapped beryllium ions put in superpositions of two distinct motional states ("left" and "right" positions), separated by 80 nanometres — measurable by 2010 standards as a genuinely macroscopic quantum superposition.
- 2018 — Università di Vienna: Molecole di 2.000 atomi (composti a base di fullerene) hanno dimostrato l’interferenza quantistica: gli oggetti più grandi che mostrano la dualità onda-particella fino ad oggi.
- 2021 — MIT (risonatori nanomeccanici): Oscillatori meccanici macroscopici (~1013 atomi) raffreddati fino agli stati fondamentali quantistici e entangled.
Ciascuno di questi esperimenti sonda la transizione dal quantistico al classico, fornendo test sempre più rigorosi su dove la meccanica quantistica fallisce (se lo fa) - o confermando che non lo fa, fino a scale sempre più grandi.
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Domande frequenti
Il gatto di Schrödinger è vivo o morto?
La MQ standard dice che è in sovrapposizione finché non viene osservata, ma questo era il punto di Schrödinger sull'assurdità di quella risposta. La teoria della decoerenza dice che il gatto collassa effettivamente in ~10-30 s, quindi in pratica è sempre l'uno o l'altro.
Il gatto di Schrödinger doveva essere preso sul serio?
No, si trattava di un’argomentazione reductio adassurdum contro l’interpretazione di Copenaghen. Schrödinger criticava la meccanica quantistica, non proponeva che i gatti potessero essere sia vivi che morti.
Quale soluzione accetta oggi la maggior parte dei fisici?
La maggior parte dei fisici utilizza l'interpretazione di Copenhagen operativamente ("zitto e calcola"), accetta la decoerenza come spiegazione pratica del perché non vediamo sovrapposizioni macroscopiche e riconosce il problema della misurazione come filosoficamente irrisolto. La teoria dei molti mondi ha un crescente supporto teorico.