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Titolo: R: A LISA


Data: sabato 29 gennaio 2000 18.47
A Lisa
Non so se gradisci questo seconda parte dell' articolo su ng.
Nel caso negativo scusa.
Invece, in quello positivo, gradirei un tuo commento
da competente della materia, come penso.
Saluti simpaticamente
Giugno
PS.  indica un ng. in tema per continuare la discussione, se vuoi.
11 - Interferenza quantistica.
Adesso iniziamo ad analizzare alcuni esperimenti quantistici davvero
sorprendenti. Molti dei seguenti esperimenti sono descritti in un ottimo
articolo pubblicato su Le Scienze n.289 del 1992, "La filosofia dei quanti"
di
J.Horgan.
Seguiamo attentamente.
Consideriamo una sorgente di particelle "classiche" che vengono inviate su
un
bersaglio, per esempio una mitragliatrice che spara in direzione di un muro
distante 20 metri (non deve sparare in una direzione fissa, ma in modo da
coprire tutto il muro). Quindi frapponiamo una "maschera" tra la sorgente ed
il
bersaglio, ovvero uno schermo forato, a circa 3 metri dal bersaglio: la
maschera
può essere per esempio una lastra di metallo con due fori circolari di 10 cm
di
diametro, distanti tra di loro un metro.
E' evidente che sul bersaglio (sul muro) giungeranno solo i proiettili in
corrispondenza dei due fori, mentre gli altri verranno fermati dalla
maschera.
In definitiva, i proiettili che colpiranno il bersaglio formeranno due
cerchi di
circa 10 cm distanti tra di loro un metro: si tratta della "proiezione" sul
bersaglio dei due fori della maschera.
Siamo nell'ambito della fisica classica ed è tutto chiaro e comprensibile.
Ora ripetiamo l'esperimento con delle onde al posto dei proiettili, per
esempio
delle onde sonore. In tal caso le onde colpiranno il bersaglio non soltanto
in
corrispondenza dei due fori, ma anche in altre parti del muro; se si
potessero
visualizzare le parti colpite con maggiore e minore intensità, vedremmo una
tipica figura a frange detta "figura di interferenza", che si estende ben
oltre
i 10 cm di dimensione dei fori della maschera. Ciò è dovuto ad un fenomeno
ondulatorio detto "interferenza": grazie a tale fenomeno, le onde possono
colpire regioni del bersaglio che sarebbero irraggiungibili per i
proiettili.
Va aggiunto che se si tappa uno dei due fori, l'interferenza non può più
avere
luogo, e la distribuzione delle onde sul bersaglio diventerà simile a quella
dei
proiettili, ovvero si vedrà una regione circolare di 10 cm di diametro (in
realtà un po' di più a causa del fenomeno della "diffrazione", ma non
sottilizziamo).
Anche questo è perfettamente comprensibile in termini di fisica classica.
Benissimo.
Passiamo allora al caso quantistico: consideriamo degli elettroni e
ripetiamo un
esperimento simile, ovviamente su scale molto più piccole.
La sorgente emette elettroni distinti, cioè particelle e non onde, e quindi
ci
aspettiamo di avere la stessa situazione che avevamo nel caso dei
proiettili:
gli elettroni dovrebbero colpire solo due zone circolari in corrispondenza
dei
fori della maschera. Invece otteniamo una figura di interferenza come nel
caso
delle onde! Eppure non si tratta di onde, ma di particelle distinte.
Proviamo a
rallentare il processo ed inviare un singolo elettrone alla volta: ovvero
aspettiamo che un elettrone giunga sul bersaglio prima di far partire il
successivo.
Esso viene emesso come una particella singola; supera la maschera; e
raggiunge
il bersaglio come particella singola. Esso però può raggiungere zone del
bersaglio irraggiungili ad una particella, come se fosse un'onda!
Continuando ad
inviare singoli elettroni, uno alla volta, alla fine essi ricostruiscono la
figura di interferenza tipica delle onde! Sebbene si tratti di particelle
singole, nell'attraversare la maschera ciascuna di esse si comporta come
un'onda
estesa che produce interferenza!
Ma com'è possibile che un singolo elettrone si comporti come un'onda e
faccia
interferenza con se stesso??! E da quale dei due fori passa il singolo
elettrone? Per poter produrre l'interferenza, esso deve passare
contemporaneamente dai due fori, il che secondo noi è possibile per un'onda,
ma
non per una particella. In questo ragionamento chiaramente applichiamo
all'elettrone il concetto di "particella classica", ma esso non è più valido
in
meccanica quantistica.
In realtà finché l'elettrone non viene rivelato sul bersaglio, esso non
esiste
in uno stato definito (cioè in un'autostato), ma esiste in uno stato
potenziale
astratto descritto da una funzione d'onda, e che si propaga appunto come
un'onda.
De Broglie e Schrödinger tentarono di descrivere tutto il mondo quantistico
in
termini di onde, abolendo il concetto di particella. Bohr ed altri fisici
però
obiettarono che all'atto della rivelazione l'elettrone si comporta come una
particella e non un'onda (la funzione d'onda collassa in un punto).
A questo punto possiamo immaginare di aggirare questa scomoda situazione
andando
a vedere che cosa fa realmente l'elettrone nell'attimo in cui attraversa la
maschera. Nella nostra convinzione infatti l'elettrone deve oggettivamente
passare da uno dei due fori e non dall'altro (realismo di Einstein), e noi
vogliamo "coglierlo" in quell'attimo per scoprire il suo segreto: sarebbe
come
osservare attentamente un prestigiatore e riuscire a scoprire l'attimo in
cui
effettua il suo trucco.
Ma per cogliere l'elettrone sul fatto, dobbiamo rivelarlo. Per far ciò,
possiamo
inviare sull'elettrone una debole luce e verificare se viene riflessa da
esso.
Quindi poniamo una debole sorgente luminosa dietro uno dei due fori, e
vediamo
se riusciamo a cogliere l'elettrone. Questo è sperimentalmente possibile, ma
così facendo la figura di interferenza scompare! Infatti: o l'elettrone
passa
dal nostro foro, quindi viene rivelato dalla nostra luce, e in quell'attimo
diventa particella; oppure passa dall'altro foro, ma quando passa da un foro
solo - sia esso onda o particella - non può produrre interferenza!
La meccanica quantistica non ci permette di avere contemporaneamente la
figura
di interferenza e la conoscenza del singolo foro da cui l'elettrone è
passato! O
l'uno o l'altro: o l'elettrone viene rivelato come particella oggettiva, e
quindi non produce interferenza, o è un'onda estesa, ed in tal caso non
passa da
un solo foro, bensì da tutte e due (vedremo più avanti che anche
quest'ultima
affermazione ha delle limitazioni e dovremmo dire: "è come se fosse passata
da
tutte e due").
12 - La spiegazione puramente "operativa" non è esauriente.
Generalmente i fisici danno una spiegazione "operativa" di quello che
succede:
per vedere l'elettrone mentre passa da un foro, dobbiamo osservarlo, quindi
inevitabilmente dobbiamo perturbare il sistema e la figura di interferenza
scompare. I fisici "realisti" quindi non si meravigliano più di tanto:
abbiamo
perturbato il sistema con una misura "invasiva", ed esso si è adeguato: che
cosa
c'è di tanto strano?
In realtà questa spiegazione, pur essendo valida e corretta, tende a
nascondere
alcune implicazioni molto più profonde rivelabili solo con altri
esperimenti.
Infatti è possibile fare scomparire la figura di interferenza con un'azione
molto più "evanescente" di quella considerata finora, ovvero senza una
misura
invasiva! A tal proposito analizzeremo poco più avanti gli strabilianti
esperimenti del gruppo di L.Mandel e di altri gruppi.
Prima però rimaniamo sull'esperimento dei due fori per notare un aspetto
incredibile previsto da Wheeler, che smentisce l'apparente "ragionevolezza"
che
si aveva prima con la spiegazione "operativa" dell'esperimento (basata
sull'"invadenza" della misura).
Gli esperimenti in questione possono essere effettuati indifferentemente su
elettroni o su "fotoni"; i fotoni sono "quanti di luce". Infatti a livello
quantistico le particelle che noi chiamiamo "materiali" si comportano nello
stesso modo in cui si comportano i "campi di forze", come per esempio i
campi
elettromagnetici (la luce è appunto un campo elettromagnetico che si propaga
come un'onda).
La differenza tra cosiddette "particelle materiali" e "campi di forze" sta
solo
nel fatto che i primi sono "fermioni" e i secondi "bosoni": tale differenza
però
non è determinante negli esperimenti che stiamo analizzando. In definitiva
l'esperienza dei due fori si può effettuare anche con dei fotoni (quanti di
luce), ed anzi risulta molto più semplice che con gli elettroni (è
sufficiente
utilizzare un laser).
Ed ora analizziamo l'esperimento proposto da Wheeler.
13 - L'esperimento "a scelta ritardata" di Wheeler.
Immaginiamo un fotone che passa attraverso i due fori, come un'onda, e fa
interferenza con se stesso. Come abbiamo visto, per distruggere la figura di
interferenza, è sufficiente osservarlo "subito dopo" che è passato da un
foro:
in tal caso esso non è più un'onda ma una particella e quindi non può
passare
anche dall'altro foro. Quindi non può passare dall'altro foro e
l'interferenza
scompare.
Perciò noi possiamo "decidere" se osservare il fotone come particella o se
lasciargli fare la figura di interferenza. Benissimo.
Abbiamo detto che riveliamo il fotone "subito dopo" che è transitato dal
primo
foro. "Subito dopo" significa che è passato pochissimo tempo dal transito
nel
foro.
Ma per quanto piccolo sia il tempo trascorso, il fotone comunque ha *già*
oltrepassato il foro; inoltre fino a questo momento esso è rimasto un'onda
perché non l'abbiamo ancora rivelato. Perciò nel frattempo l'onda ha già
imboccato ANCHE l'altro foro e lo ha oltrepassato. E allora come fa il
fotone ad
essere rivelato "tutto intero" vicino al primo foro? Che fine fa il fronte
d'onda che aveva appena oltrepassato il secondo foro? Scompare nel nulla?
Sembra
proprio di sì, ma com'è possibile?
Per chiarire questo punto, Wheeler propose di fare così: lasciamo che il
fotone
passi attraverso la maschera, come un'onda, passando da entrambi i fori.
Poi,
DOPO che il fronte d'onda ha superato la maschera, inseriamo un rivelatore
non
lontano dal primo foro, ma neanche tanto vicino (cioè quanto basta per
essere
sicuri che nel frattempo l'onda sia già sicuramente transitata dalla
maschera).
In pratica vogliamo effettuare la SCELTA di osservare il fotone come
particella,
però DOPO che esso è transitato da entrambi i fori come un'onda. Infatti
l'esperimento è chiamato "a scelta ritardata".
L'esperimento è stato realmente effettuato da alcuni scienziati dell'
università
del Maryland.
Ebbene, inserendo il rivelatore DOPO che l'onda era transitata dalla
maschera,
esso individuava il fotone come particella e NON si creava la figura di
interferenza. Ma allora che fine faceva la parte dell'onda già transitata
dal
secondo foro??!
Scompariva nel nulla, poiché il fotone veniva rivelato interamente vicino al
primo foro! Eppure, diciamo noi, l'onda transitava sicuramente anche dal
secondo
foro: infatti, se NON si inseriva il rivelatore (lasciando inalterato tutto
il
resto), si formava la figura di interferenza (che può formarsi solo se
l'onda
transita da ENTRAMBI i fori). E allora com'è possibile??!
La realtà è che anche stavolta cerchiamo di fornire un'immagine oggettiva di
ciò
che accade: ma un'immagine oggettiva non è adeguata.
Non ha senso dire che "l'onda è già passata", perché solo all'atto della
misura
possiamo dire che qualcosa è avvenuto: prima della misura il fotone rimane
in
uno stato indefinito di potenzialità, o se si vuole di irrealtà. Quando poi
inseriamo il rivelatore, allora possiamo dire con certezza che il fotone era
passato solo dal primo foro e NON dal secondo foro, e infatti non c'è
interferenza. Quando invece non inseriamo il rivelatore, e riveliamo dei
fotoni
sul bersaglio (con figura di interferenza), allora possiamo dire che ciascun
fotone ha fatto interferenza come se fosse un'onda transitata da entrambi i
fori; ma questo lo possiamo dire solo DOPO che il fotone viene rivelato sul
bersaglio (in un punto raggiungibile solo da un'onda ma non da una
particella),
cioè DOPO la misura.
La cosa che a noi appare incredibile è che ciò che il fotone ha deciso di
fare
sulla maschera (passare da un foro solo o entrambi) dipende da una scelta
SUCCESSIVA al transito stesso! Come dice Wheeler, la "scelta" di far passare
il
fotone da un solo foro o da entrambi è "ritardata", cioà avviene DOPO che il
fotone è passato!
Affinché la cosa non risulti incredibile, dobbiamo ammettere che ciò che è
successo PRIMA non è definito. Occorre specificare che l'esperimento
condotto
nell'Università del Maryland non è stato impiegato uno schermo con due fori
ma
un'apparecchiatura concettualmente equivalente: un fascio laser è stato
diviso
in due fasci separati, uno dei quali attraversava un rivelatore (che poteva
essere "acceso" o "spento"), ed infine i due fasci venivano fatti convergere
nel
rivelatore finale, dove si poteva verificare l'eventuale interferenza.
14 - Un incredibile paradosso astronomico.
Come sottolinea Wheeler, l'esperimento sopra analizzato fornisce un
risultato
assurdo se continuiamo a considerare "oggettivo" l'universo. Per rendere
ancora
più strabiliante questa assurdità, Wheeler fa notare che l'esperimento in
questione, se considerato su scala astronomica, produce risultati
incredibili.
Ecco un esempio.
Oggi gli astronomi conoscono alcuni oggetti astronomici lontanissimi,
chiamati
"quasar". Per giungere fino a noi, la luce di un quasar impiega miliardi di
anni.
Se nel percorso incontra una galassia di grande massa, che in base alla
relatività generale di Einstein può funzionare da "lente gravitazionale", il
fascio di luce si divide in due fasci che aggirano la galassia da due parti
opposte (infatti noi dalla Terra otteniamo delle immagini sdoppiate di
alcuni
quasar).
Premesso questo, se noi sulla Terra vogliamo osservare il quasar possiamo
scegliere di far produrre interferenza ai due fasci, oppure di rivelare i
singoli fotoni di ciascun fascio. Il concetto è identico a quello
dell'esperimento precedente.
Proviamo a chiederci, in una concezione oggettiva dell'universo, se vari
miliardi di anni fa il singolo fotone è passato da entrambi i lati rispetto
alla
lontana galassia (come un'onda) oppure da un lato solo (come una
particella).
La risposta è la seguente: dipende da come decidiamo di osservarlo noi OGGI!
Se oggi noi scegliamo di rivelare la figura di interferenza, allora vari
miliardi di anni fa il fotone ha deciso di percorrere entrambi i cammini.
Viceversa, se noi scegliamo di vedere il singolo fotone su un singolo
cammino,
allora vari miliardi di anni fa il fotone ha scelto di comportarsi come una
particella!
Nel momento in cui noi cambiamo idea e lo osserviamo in un modo invece che
nell'altro, il fotone che sta arrivando è già preparato alla nostra scelta!
In pratica, come dice l'articolo di J.Horgan (Le Scienze n.289), "i fotoni
devono aver avuto una sorta di premonizione, per sapere come comportarsi in
modo
da soddisfare una scelta che sarebbe stata fatta da esseri non ancora nati
su un
pianeta ancora inesistente".
La verità che risolve il paradosso è che l'universo non si trova in uno
stato
pienamente oggettivo, ma le sue caratteristiche sono in parte determinate
(fisicamente!) dall'osservatore cosciente.
15 - La "conoscenza" di un sistema ne altera lo stato fisico!
Avevamo detto che generalmente viene data un'interpretazione "operativa"
dell'esperimento con i due fori: poiché la misurazione è necessariamente
"invasiva", è inevitabile che il sistema fisico alteri il suo stato.
In realtà alcuni straordinari esperimenti hanno dimostrato che è sufficiente
qualcosa di molto più evanescente di una misurazione per far cambiare lo
stato
fisico di un sistema: è sufficiente la conoscenza potenziale che possiamo
avere
di tale sistema! Horgan parla a tal proposito di "fotoni psichici", mentre
Jaynes e Scully parlano scherzosamente di "negromanzia medievale".
J.Rarity e P.Tapster del Royal Signals and Radar Establishment hanno
recentemente condotto un'esperienza concettualmente simile al paradosso EPR.
Un
fascio laser viene diviso in due fasci: per esempio possiamo mandare un
fascio a
destra ed uno a sinistra (ed allontanarli quanto vogliamo). Ciascuno dei due
fasci attraversa un dispositivo simile a quello dei due fori: quindi in
totale
abbiamo quattro percorsi possibili, due per il fotone di destra e due per il
fotone di sinistra.
Ebbene, i due fisici hanno dimostrato che una misura su uno dei due fasci
altera
lo stato dell'altro! Avviene cioè proprio ciò che Einstein aveva definito
impossibile e aveva deriso quando aveva proposto l'esperimento EPR.
Un esperimento simile, ma più conosciuto, è stato compiuto da L.Mandel
dell'Università di Rochester e dai suoi collaboratori.
Un fascio laser viene diviso in due fasci, che chiameremo 1 e 2. Ciascuno
dei
due a sua volta viene diviso in due fasci, che chiameremo S (segnale) ed A
(ausiliario). Abbiamo così quattro fasci: 1S, 1A, 2S, 2A. A questo punto
facciamo convergere su un rivelatore i due fasci ausiliari (1A e 2A), e su
un
altro rivelatore i due fasci segnale. Questi ultimi creano la solita figura
di
interferenza. Benissimo.
Notiamo che, una volta che i fasci sono stati divisi, essi dovrebbero essere
indipendenti.
Invece, se si interrompe il percorso di uno dei due fasci ausiliari (per
esempio
possiamo interrompere il fascio 1A frapponendo un ostacolo sul suo
percorso),
instantaneamente la figura di interferenza dei fasci segnale scompare!
Eppure
non abbiamo effettuato misure sui fasci segnale, ma solo sui fasci
ausiliari!
Sebbene i due tipi di fascio (A e S) possano essere anche lontanissimi tra
di
loro, quando operiamo sui fasci A produciamo un'influenza sui fasci S, che
contraddice la località di Einstein.
Che cos'è cambiato? E' cambiata la "conoscenza potenziale" che abbiamo sui
fasci
segnale: poiché il percorso 1A è interrotto, quando riveliamo un fotone sul
rivelatore degli ausiliari esso proviene necessariamente dal fascio 2, e
misurando la sua coincidenze col fotone segnale potremmo dedurre che esso
quest'ultimo ha percorso il cammino 2S: questa "conoscenza potenziale" è
sufficiente ad alterare lo stato fisico sul rivelatore dei segnali,
distruggendo
la figura di interferenza.
Il gruppo di R.Chiao, dell'Università di Berkeley, ha condotto esperimenti
ancora più profondi, i quali dimostrano che il "collasso della funzione
d'onda"
è reversibile (mentre Bohr e gli altri fisici di Copenaghen pensavano che
fosse
irreversibile, tant'è vero che su questo fatto - oggi inaccettabile -
basarono
la loro interpretazione, in modo da aggirare la scomoda figura
dell'osservatore
cosciente).
Il fenomeno in questione è stato chiamato "cancellazione quantistica" (ciò
che
si può cancellare è la "conoscenza potenziale" che aveva distrutto la figura
di
interferenza, come nell'esperimento di Mandel: ponendo davanti ai rivelatori
finali dei dispositivi che eliminano tale conoscenza, si ripristina la
funzione
d'onda precedente con la figura di interferenza).
Sfruttando questi giochi di prestigio quantistici, i fisici P.Kwiat,
H.Weinfurter e A.Zeilinger hanno dimostrato che sono possibili delle "misure
senza interazione", ovvero ci si può accorgere della presenza di un oggetto
macroscopico (cioè "classico" e non quantistico) utilizzando le
caratteristiche
quantistiche dei fotoni e la loro non-oggettività. Notiamo che nel caso di
un
oggetto macroscopico la sua esistenza "oggettiva" è probabilisticamente
elevatissima, cioè praticamente certa; ma l'esperimento sfrutta le qualità
di
non-oggettività del fotone rivelatore, che così rivela l'oggetto senza
interagire con esso!
Misure senza interazione potrebbero avere applicazioni importantissime per
esempio in campo medico, per ridurre fortemente l'intensità delle radiazioni
nell'osservazione specialistica di tessuti organici.
Un'articolo su questo tema è stato pubblicato su Le Scienze n.342 del 1997.
Vi sono già altre applicazioni di questi "giochi di prestigio" quantistici
(la
cui esistenza era sgradita ad Einstein). Per esempio il teorema di Bell
permette
l'esistenza di una "crittografia quantistica" assolutamente sicura, poiché
decifrabile solo da chi possiede la chiave originale.
Conclusione.
Tutti questi paradossi quantistici evidenziano che la "consapevolezza" gioca
un
ruolo fondamentale ai livelli fondamentali della realtà.
Horgan sostiene che questi esperimenti si accordano con la concezione di
George
Berkeley, filosofo del secolo XVIII, secondo il quale "esse est percipi"
(esistere significa essere percepito): si tratta di una concezione
immateriale
dell'universo, che in filosofia viene detta "empirismo idealistico".
Ed infatti il nuovo messaggio lanciato dalla meccanica quantistica
rappresenta
la fine del "realismo" oggettivo e materialistico a favore di una concezione
"idealistica", in cui gli oggetti esistono in uno stato "astratto" e
"ideale"
che rimane teorico finché la percezione di un soggetto conoscente non lo
rende
reale.
Ovviamente non si tratta di un idealismo totalmente soggettivo, come nella
filosofia di Fichte, ma di un idealismo in cui l'oggettivo è subordinato al
soggettivo, o comunque "intrecciato" con esso, come nella filosofia di
Schelling
o nella filosofia indiana: pertanto non è strettamente necessario un
"soggetto
umano" che abbia tale percezione (come vorrebbe Fichte!), poiché in generale
la
"percezione" sarebbe una proprietà latente nelle leggi fisiche fondamentali.
Tale proprietà che, valorizzata ed amplificata dagli organismi biologici,
creerebbe in essi la "consapevolezza" e la "mente". Cioè, come diciamo in un
altro articolo, dei barlumi di "consapevolezza", ad uno stadio primordiale
di
"percezione", sarebbero presenti nel "campo unificato" studiato dalla fisica
teorica contemporanea
Concezioni alternative a quelle basate su un universo fondamentalmente
"mentale"
risultano assurde, anche se ne sono state proposte diverse.
Per esempio secondo la proposta di Everett esistono infiniti universi, e
ogni
qual volta viene effettuata una "scelta" quantistica, l'universo si divide
in
due, uno che prosegue la sua storia con una delle due scelte, e l'altro che
prosegue la sua storia con l'altra scelta!
Proposte del genere sinceramente sembrano molto più folli e pazzesche
dell'accettare un principio mentale alla base della realtà fisica.
Fabrizio Coppola

Non so se gradisci questo seconda parte dell' articolo su ng.
non so Lisa, ma io non lo gradisco di certo dato che ne hai postati due
identici
(cambia solo l'objet).
Stai mettendo in pratica le teorie di Everett?
cioč dai Multiuniversi passi ai Multimessaggi? :-))))