Decoerenza quantistica
La decoerenza quantistica è il processo attraverso il quale un sistema quantistico perde la capacità di manifestare effetti tipicamente quantistici, come l'interferenza tra stati di sovrapposizione, a causa dell'interazione con l'ambiente circostante.
È il fenomeno che spiega perché gli oggetti macroscopici si comportano secondo le leggi della fisica classica, pur essendo costituiti da particelle quantistiche.
Come si verifica la decoerenza
Un sistema quantistico, come un elettrone o un fotone, può trovarsi in una sovrapposizione di stati, ossia in una combinazione di più stati possibili.
Finché il sistema rimane sufficientemente isolato dall'ambiente esterno, questa sovrapposizione viene mantenuta e gli effetti quantistici possono essere osservati.
Quando, invece, il sistema interagisce con l'ambiente circostante, ad esempio con le molecole dell'aria, la radiazione elettromagnetica, il calore o uno strumento di misura, l'informazione sullo stato del sistema si disperde nell'ambiente.
Di conseguenza, la sovrapposizione degli stati perde rapidamente la propria coerenza. Gli effetti tipicamente quantistici diventano praticamente inosservabili e il sistema manifesta un comportamento indistinguibile da quello di un sistema classico, ossia appare come se si trovasse in uno stato classico ben definito.
Nota. Ho usato l'espressione "stato classico ben definito" soltanto per descrivere meglio il comportamento osservabile del sistema. In realtà, nella decoerenza la funzione d'onda non collassa e la sovrapposizione non viene eliminata, ma i suoi effetti diventano praticamente inosservabili. In pratica, la sovrapposizione c'è sempre, ma non si vede più.
Cosa accade durante la decoerenza?
Quando un sistema quantistico si trova in una sovrapposizione di stati, le diverse possibilità sono descritte da un'unica funzione d'onda.
Finché il sistema rimane perfettamente isolato dall'ambiente esterno, la sovrapposizione viene conservata e il suo comportamento è descritto dalla meccanica quantistica.
Nella realtà, però, nessun sistema è completamente isolato: un elettrone, un atomo o una molecola interagiscono continuamente con fotoni, molecole dell'aria, radiazione termica e campi elettromagnetici.
Ogni interazione trasferisce una piccola quantità di informazione dal sistema all'ambiente. Dopo un numero enorme di interazioni, l'ambiente acquisisce informazioni sullo stato del sistema sufficienti a rendere praticamente impossibile osservare gli effetti della sovrapposizione. Di conseguenza, il sistema manifesta un comportamento indistinguibile da quello di un sistema classico.
Nota. È importante sottolineare che la funzione d'onda del sistema non viene distrutta. Piuttosto, il sistema e l'ambiente diventano un unico sistema quantistico correlato (entangled). Se si osservasse l'intero sistema formato dall'oggetto e dall'ambiente, la sua evoluzione continuerebbe a essere perfettamente descritta dalla meccanica quantistica. Tuttavia, osservando soltanto il sistema iniziale, gli effetti della sovrapposizione risultano ormai irrecuperabili e il comportamento del sistema appare indistinguibile da quello di un sistema classico. Per questo motivo si dice che la decoerenza non elimina la sovrapposizione, ma rende impossibile osservarne gli effetti.
La scomparsa dell'interferenza
Una delle proprietà fondamentali di una sovrapposizione quantistica è la possibilità che i diversi stati interferiscano tra loro.
L'interferenza è responsabile di molti fenomeni caratteristici della meccanica quantistica. Ad esempio, è il fenomeno alla base delle figure di interferenza osservate nell'esperimento della doppia fenditura.
Quando interviene la decoerenza, gli effetti dell'interferenza diventano praticamente impossibili da osservare. Di conseguenza, il sistema appare come un normale sistema classico.
La ragione della scomparsa dell'interferenza è la perdita della coerenza di fase tra le componenti della sovrapposizione.
Per comprendere questo concetto si può pensare alle onde sull'acqua. Finché due onde mantengono un preciso rapporto di fase, possono sommarsi o annullarsi producendo figure di interferenza ben definite. Se invece il loro rapporto di fase diventa casuale, l'interferenza scompare.
Nella meccanica quantistica accade qualcosa di analogo. Quando il sistema interagisce con l'ambiente, le relazioni di fase tra gli stati della sovrapposizione si disperdono tra un numero enorme di gradi di libertà dell'ambiente. Di conseguenza, gli effetti di interferenza diventano praticamente impossibili da osservare.
Decoerenza e collasso della funzione d'onda
La decoerenza non coincide con il collasso della funzione d'onda.
Secondo alcune interpretazioni della meccanica quantistica, il collasso è il processo mediante il quale una misura seleziona un unico risultato tra quelli possibili.
La decoerenza, invece, descrive la perdita della coerenza quantistica dovuta all'interazione con l'ambiente. Questo spiega perché i fenomeni quantistici scompaiono così rapidamente nei sistemi macroscopici senza richiedere necessariamente un collasso fisico della funzione d'onda.
Per questo motivo la decoerenza risolve il problema della transizione dal comportamento quantistico a quello classico, ma non determina quale risultato venga effettivamente osservato.
Esempio. Immaginiamo di osservare un sasso lanciato in uno stagno perfettamente calmo. Le onde circolari si propagano con regolarità e il loro disegno è ben visibile. Se però lo stagno viene continuamente increspato dalla pioggia e dal vento, quelle onde non scompaiono, ma vengono sommerse da un'enorme quantità di altre increspature, rendendo impossibile riconoscere il disegno originale.
In modo analogo, la decoerenza non elimina la funzione d'onda del sistema quantistico: le continue interazioni con l'ambiente disperdono le informazioni sulle relazioni di fase tra gli stati della sovrapposizione, facendo scomparire gli effetti di interferenza. Il collasso della funzione d'onda, invece, è un concetto diverso: rappresenta, in alcune interpretazioni della meccanica quantistica, la selezione di un unico risultato tra quelli possibili. La decoerenza spiega perché il comportamento quantistico diventa inosservabile, ma non quale risultato venga infine osservato.
Perché il mondo macroscopico appare classico?
La decoerenza avviene con estrema rapidità negli oggetti di grandi dimensioni.
Un gatto, una persona o un granello di polvere interagiscono continuamente con miliardi di molecole dell'aria, fotoni della luce e radiazione infrarossa emessa dal loro stesso calore. Queste interazioni sono così numerose che la decoerenza si verifica in tempi estremamente brevi, spesso molto inferiori a un miliardesimo di secondo.
Per questo motivo non osserviamo mai oggetti macroscopici in una sovrapposizione di stati, come il celebre gatto di Schrödinger contemporaneamente vivo e morto. Gli effetti della sovrapposizione quantistica vengono resi inosservabili quasi istantaneamente dall'interazione con l'ambiente, prima che possano essere osservati su scala macroscopica.
Un esempio pratico
Il celebre paradosso del gatto di Schrödinger fornisce un esempio intuitivo della decoerenza.
In linea di principio, il gatto potrebbe essere descritto come una sovrapposizione degli stati "vivo" e "morto". Nella pratica, però, il gatto interagisce continuamente con miliardi di particelle, con il calore, con la radiazione elettromagnetica e con l'ambiente circostante.
Queste continue interazioni provocano una decoerenza estremamente rapida, rendendo impossibile osservare una sovrapposizione macroscopica. Il gatto si comporta quindi come un sistema classico e viene osservato in uno stato ben definito.
In conclusione, la decoerenza rappresenta il collegamento tra il mondo quantistico e quello classico. Non modifica le leggi della meccanica quantistica, ma spiega perché i loro effetti risultano difficili da osservare nei sistemi macroscopici. L'interazione continua con l'ambiente rende infatti praticamente inosservabili gli effetti della sovrapposizione e dell'interferenza, facendo emergere il comportamento descritto dalla fisica classica.
