Il Gatto di Schrödinger

Mettiamo sotto la lente uno dei concetti più citati – e più storpiati – della fisica quantistica: il celebre gatto di Schrödinger. 

Una storia talmente iconica che è riuscita a sfondare i confini della scienza per entrare nella cultura pop: la si ritrova in meme, vignette, magliette… e persino nella serie TV Big Bang Theory.

Ma cosa c’è davvero dietro questo esperimento mentale? E soprattutto: può un gatto essere vivo e morto allo stesso tempo?

L’esperimento mentale

Siamo nel 1935. Il fisico austriaco Erwin Schrödinger propone questo esperimento mentale per mettere in discussione l’interpretazione di Copenhagen della fisica quantistica. Secondo questa interpretazione, una particella può trovarsi in una sovrapposizione di stati — ad esempio, essere sia qui che lì — fino a che qualcuno non la osserva.

Immaginiamo questa situazione
mettiamo un gatto dentro una scatola chiusa, insieme a un dispositivo che contiene:

• una sorgente radioattiva (che può decadere oppure no)
• un contatore Geiger
• una fiala di veleno che si rompe solo se il contatore rileva un decadimento

E qui abbiamo due scenari:

Se l’atomo della sorgente radioattiva decade → il veleno viene rilasciato → il gatto muore.
Se l'atomo non decade → il veleno resta sigillato → il gatto è vivo.

Secondo la meccanica quantistica, l’atomo è in una sovrapposizione di decaduto e non decaduto… quindi anche il gatto sarebbe sia vivo che morto, finché non apriamo la scatola. 

Il vero intento di Schrödinger

Schrödinger non voleva davvero uccidere gatti.
Voleva mostrare l’assurdità dell’idea che qualcosa possa restare in una sovrapposizione anche a scala macroscopica.

È assurdo pensare che un essere vivente sia contemporaneamente vivo e morto… o no? Il paradosso nasce dal fatto che, in meccanica quantistica, lo stato di un sistema non è descritto da valori precisi, ma da una funzione d’onda, che contiene solo le probabilità dei possibili risultati di una misura. In pratica, finché non si misura una certa grandezza fisica, non si può dire con certezza che il sistema abbia un valore definito per quella grandezza: si possono solo conoscere le probabilità. Nel momento in cui si esegue una misura, però, il sistema "sceglie" uno dei possibili valori, e la funzione d’onda collassa, cioè cambia improvvisamente, violando così l’equazione di Schrödinger, che invece descrive un’evoluzione continua e deterministica.

Gatto ed entanglement

Anche se fu lui stesso a introdurre la funzione d’onda, Schrödinger non era convinto della sua interpretazione probabilistica, perché rompeva con il determinismo tipico della fisica classica. Per questo motivo ideò un esperimento mentale per evidenziare quanto siano controintuitive le conseguenze della meccanica quantistica, soprattutto se applicata a oggetti macroscopici, come un essere vivente.
Nella sua idea, un gatto veniva messo in correlazione quantistica (entanglement, che significa legame di natura fondamentale fra particelle costituenti un sistema quantistico) con una particella subatomica: questo portava il gatto ad assumere uno stato di sovrapposizione, cioè una condizione in cui risulta contemporaneamente vivo e morto, almeno finché non si apre la scatola. Il paradosso sta proprio nel fatto che non possiamo verificare direttamente questa condizione, ma le leggi quantistiche la prevedono.

Nel dettaglio, il sistema quantistico coinvolto è un atomo radioattivo, il cui decadimento non è prevedibile con precisione: si può solo dire che, in un certo intervallo di tempo, c'è ad esempio il 50% di probabilità che sia decaduto.
Dal momento che il decadimento è collegato a un meccanismo che ucciderebbe il gatto, anche lo stato del gatto risulta indefinito: fino a che non si apre la scatola, non è né vivo né morto, ma in una combinazione dei due stati.
Il problema irrisolto dalla fisica quantistica è proprio questo: che cosa causa il passaggio da uno stato indeterminato (la sovrapposizione) a uno determinato (gatto vivo o morto)?

Il problema della misura

Questo salto non può essere spiegato con nessuna interazione fisica nota e sfugge alle equazioni standard della teoria. L'esperimento del gatto è legato a quello che in fisica si chiama problema della misura.
Secondo l’interpretazione di Copenaghen, se un sistema quantistico si trova in una sovrapposizione di stati – cioè in una situazione in cui è contemporaneamente nello stato A e nello stato B – allora il semplice fatto di misurarlo lo obbliga a "scegliere" uno dei due stati: o A, oppure B.

Come dice anche il fisico e divulgatore iracheno-inglese Jim Al-Khalili, durante la misura "la natura è costretta a scegliere il proprio stato". Da quel momento in poi, la sovrapposizione scompare, e si dice che la funzione d’onda del sistema è collassata. Il problema è che questa interpretazione non spiega esattamente come o perché avvenga il collasso, e questa è una delle questioni ancora aperte nella meccanica quantistica.

Anche se non spiega del tutto il problema della misura, l’interpretazione di Copenaghen riesce comunque a rispondere alla critica fatta da Schrödinger con il suo famoso esperimento.
Secondo Niels Bohr, basta pensare che il gatto – o, più in generale, qualunque strumento che misura un sistema quantistico – stia già facendo un’osservazione. E questa osservazione dà sempre un risultato preciso.
Quindi, finché l’atomo non è decaduto, il gatto è sicuramente vivo, anche senza che nessuno apra la scatola dall’esterno. Il problema di questa spiegazione, però, è che non è chiaro dove si trovi il confine tra il mondo quantistico, che segue regole strane e probabilistiche, e il mondo "normale" degli oggetti grandi, che sembra seguire le leggi classiche della fisica. Questo confine, secondo molti, è un po’ arbitrario e poco soddisfacente.

I molti mondi

L’interpretazione dei molti mondi, proposta da Everett, Wheeler e DeWitt, parte dall’idea che esista una funzione d’onda universale che descrive tutto ciò che c’è nell’Universo.
Nel caso del gatto di Schrödinger, questa interpretazione dice che non c’è davvero un paradosso, perché entrambe le possibilità – il gatto vivo con l’atomo non decaduto e il gatto morto con l’atomo decaduto – si realizzano in mondi diversi.

Noi non ce ne accorgiamo perché, a causa di fenomeni chiamati entanglement e decoerenza, queste diverse realtà restano separate e non si influenzano a vicenda.
Così, un osservatore vede solo una delle due possibilità, perché anche lui fa parte di uno di questi “stati” o mondi dell’Universo. Il paradosso del gatto non ha oggi una soluzione definitiva, ma ci obbliga a riflettere su cosa significa osservare un sistema quantistico.

Altre interpretazioni e applicazioni reali

Oggi ci sono interpretazioni alternative, come quella a mondi multipli, secondo cui in un universo il gatto è vivo, e in un altro è morto. Oppure l’interpretazione a collasso oggettivo, dove il collasso avviene naturalmente quando si superano certe dimensioni.

Ah, e se ti stai chiedendo: "Ma davvero tutto questo ha a che fare con la realtà?"... la risposta è sì.
Tecnologie come il teletrasporto quantistico, i computer quantistici e persino la crittografia si basano su questi concetti apparentemente assurdi.

E tu cosa pensi del gatto di Schrödinger? È vivo, morto… o entrambi?