Il paradosso del gatto di Schroedinger

Il paradosso di Schroedinger è un esperimento mentale elaborato dal fisico austriaco Erwin Schroedinger negli anni '30 per dimostrare i limiti della meccanica quantistica.

Cos'è la meccanica quantistica?

E' la scienza che spiega i fenomeni delle particelle subatomiche elementari ( neutroni, protoni, elettroni, fotoni, ecc. ).

Una spiegazione semplice del paradosso

Il paradosso del gatto di Schroedinger è abbastanza noto ma pochi conoscono il suo significato.

Secondo la fisica quantistica, il comportamento di una particella subatomica non è prevedibile con precisione ed esattezza. Si può soltanto ipotizzare in modo probabilistico.

Esempio. In un processo di decadimento radioattivo il nucleo di un atomo di uranio emette delle radiazioni alfa, beta o gamma. Non è però possibile affermare con certezza quando saranno emesse.

Nel mondo microscopico della fisica quantistica si esce dal dominio della certezza per entrare in quello dell'incertezza e delle probabilità.

Cos'è il mondo microscopico? E' il mondo delle particelle subatomiche e dell'infinitamente piccolo. Sono sistemi piccolissimi in cui le leggi della fisica tradizionale cessano di funzionare. Si distingue dal mondo macroscopico, che, invece, è quello in cui gli atomi sono uniti tra loro in cellule, molecole, oggetti, esseri viventi, ecc.
la differenza tra il sistema microscopico e macroscopico in natura

Il principio del determinismo e della certezza restano, invece, validi nel mondo macroscopico, ove le leggi della fisica classica forniscono una spiegazione esatta dei fenomeni naturali.

Per sottolineare questa diversità tra micro e macro mondo, Schroedinger ha immaginato una situazione per portare gli effetti quantistici nel mondo macroscopico.

Ho una scatola di piombo con dentro una piccola quantità di materiale radioattivo ( es. Uranio 238 ), un contatore geiger, un martello e una fiala di cianuro. Costruisco per qualche ragione anche un congegno per rompere la fiala.

la scatola di piombo con il contatore geiger, il martello e il veleno

Come funziona la scatola di Schroedinger?

Quando l'atomo emette la radiazione, il contatore geiger la rileva e lascia cadere il martello sulla fiala di cianuro. Il veleno fuoriesce dalla fiala e contamina mortalmente tutta l'aria dentro la scatola.

Un gatto entra nella scatola

A questo punto, nella scatola entra inavvertitamente anche un gatto e io la chiudo per sbaglio. La scatola si può riaprire soltanto dopo un'ora. Quindi, per liberare il gatto non mi resta altro da fare che aspettare.

nella scatola entra un gatto

Dopo un'ora il gatto è ancora vivo oppure morto?

Sembra una domanda stupida ma non lo è. La risposta è tutt'altro che semplice.

Nota. Do per scontato che il gatto non faccia rumore e stia tranquillamente dormendo dentro la scatola. L'aria a disposizione è più che sufficiente per sopravvivere un'ora. L'unico pericolo per il gatto sono le radiazioni. Inoltre, vale la pena ricordare che si tratta soltanto di un ragionamento mentale e non di un esperimento scientifico vero e proprio.

Essendo un contenitore di piombo, non posso vedere dentro la scatola per rendermi conto se il gatto è ancora vivo. Il piombo assorbe tutte le radiazioni.

non posso vedere il contenuto della scatola

Nota. La scatola di piombo è una chiara metafora del principio di indeterminazione di Heisenberg, secondo cui non è possibile rilevare con precisione il moto della particella subatomica perché l'osservazione diretta della particella stessa influenzerebbe sulla sua traiettoria.

Inoltre, non posso nemmeno sapere se l'atomo ha emesso una radiazione oppure no. So soltanto che l'evento ha una probabilità del 50% di verificarsi.

Nota. Il piombo blocca le radiazioni alfa, beta e gamma. Pertanto, al di fuori della scatola non posso nemmeno rilevare l'emissione delle radiazioni con un altro contatore geiger.

Dopo un'ora possono essersi verificate due situazioni:

  1. Se l'atomo ha emesso la radiazione, la fiala di cianuro si è rotta e il gatto è morto.
    il gatto è morto
  2. Se l'atomo non ha emesso la radiazione, la fiala di veleno è ancora integra e il gatto è vivo.
    il gatto è vivo

Quale delle due situazioni è vera? Quale è falsa?

La risposta corretta è... non posso saperlo. Entrambe le situazioni possono essere vere o false, a seconda delle circostanze.

il gatto è vivo o morto nella scatola

Posso soltanto affermare che ognuna delle due ipotesi ha il 50% di probabilità di essere vera e un 50% di essere falsa.

al 50% il gatto è vivo, al 50% il gatto è morto

Pertanto, prima di aprire la scatola, per me il gatto è contemporaneamente sia vivo che morto, la fiala è sia integra che rotta.

Questa è una situazione tipica del mondo microscopico delle particelle elementari e delle leggi nella fisica quantistica.

Soltanto dopo aver aperto la scatola posso finalmente vedere il gatto e affermare con certezza se è ancora vivo oppure è morto.

quando apro la scatola torno nel paradigma della certezza

Quest'ultima situazione è invece tipica dei sistemi macroscopici. Quelli a noi più familiari. Sono così tornato nel paradigma del determinismo e della certezza.

Nota. Nella figura ho ipotizzato di trovare il gatto in buona salute. Avrei potuto trovarlo anche morto. In ogni caso, una volta aperta la scatola, trovo una risposta certa alla mia domanda. Il gatto è vivo al 100% oppure è morto al 100%.

Dov'è il paradosso?

Se il destino del gatto è legato alle leggi della probabilità della fisica quantistica, allora non è possibile prevedere con certezza gli eventi nemmeno nel mondo macroscopico.

la spiegazione del paradosso

Tuttavia, alcune leggi della fisica classica ci riescono benissimo. Molti fenomeni macroscopici ( es. il moto di un pianeta ) sono prevedibili con estrema esattezza e certezza tramite le leggi scientifiche.

Questo è il paradosso a cui voleva giungere Schroedinger.

Esempio. Posso calcolare la posizione di Mercurio fra un giorno, un mese o un anno, senza alcun margine di errore. Se anche i fenomeni macroscopici fossero influenzati dalle leggi probabilistiche della fisica quantistica, allora non dovrei conoscere con certezza la posizione futura del pianeta.

Perché Schroedinger ha usato il paradosso del gatto?

Il fisico austriaco ha utilizzato il paradosso del gatto per criticare l'interpretazione ortodossa della meccanica quantistica, quella che lui stesso ha contribuito a fondare.

Secondo Schroedinger era necessario costruire una nuova interpretazione fisica della meccanica quantistica, per riuscire a superare il limite delle leggi probabilistiche.

Questa è la spiegazione del paradosso di Schroedinger.

Nota. Attualmente la meccanica quantistica è ancora interpretata con le leggi probabilistiche. Pertanto, il paradosso di Schroedinger non ha ancora una soluzione.



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