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Titolo: Fondamenti di meccanica quantistica

 
 
 
 
Buonasera a tutti. Sono laureato in fisica e insegno matematica e fisica al liceo. Ho appena finito di leggere "Quanti. La straordinaria storia della meccanica quantistica" di Pietro Greco. Il libro mi è sembrato un lavoro molto ben fatto di storia della fisica, in linea con lo spessore dell'autore. Tuttavia vorrei capire qualcosa in più riguardo le critiche di Einstein (e non solo) all'interpretazione di Copenhagen. Realismo, separabilità, causalità e località in che rapporto stanno tra loro nella formulazione della meccanica quantistica? Chiedo, se possibile, tre cose:
1) se chi ha conoscenza ha voglia di fare una descrizione con un quadro di insieme delle questioni;
 
2) se chi ha competenza in fisica ha voglia di condividere la sua opinione sull'importanza del tema, ovvero se secondo lui sono questioni filosofiche ed inutili per la fisica o se sono aspetti centrali mell'indagine fisica
3) Se chi è informato sa consigliare testi interessanti sul tema
 
Grazie delle risposte
 
Davide

 3) Se chi è informato sa consigliare testi interessanti sul tema
Se non lo conosci, direi che un classico resta il libro di Ghirardi 
"Un'occhiata alle carte di Dio". Ha qualche difetto (i principale è che 
Ghirardi non era un osservatore neutrale, avendo la sua 
interpretazione), ma affronta i principali problemi in modo non 
superficiale.
Consiglierei anche il più datato, ma per certi aspetti migliore rispetto 
a Ghirardi, libro di John Bell  Speakable and Unspeakable in Quantum 
Mechanics.
 
Giorgio

 
 
Anche la cosiddetta "levitodinamica", vedi ad es. 
https://light.ethz.ch/research/pillar-optomecha.html
 

Continuo la mia risposta...
 
Giorgio:
 > A fronte di una frazione di fisici coinvolti nella ricerca sui
 > fondamenti della MQ, cè una enorme platea di fisici che utilizza la
 > MQ, senza necessità pressanti di approfondimento su questioni
 > intepretative (diciamo che utilizzano una vulgata della
 > interpretazione di Copenhagen, più che sufficiente per gran parte
 > dei problemi intepretativi).
Che la situazione sia questa, non c'è dubbio (almeno nei Paesi di cui
si sa abbastanza).
Chiarisco però una questione terminologica: non mi pare che la ricerca
sui QC sia ricerca sui fondamenti.
La MQ è quella e viene usata a un livello piuttosto semplice; è solo
diversa l'attenzione a certi tipi di problemi che fino a pochi anni fa
erano stati del tutto trascurati, appunto perché si pensava che non ci
fosse niente da scoprire.
Questo per la teoria. Per la parte sperimentale, si tratta di riuscire
a costruire insiemi suff. ampi di qbit con tempi di decoerenza suff.
lunghi. Sono in corso numerosi tentativi con tecniche diverse, e almeno
io non sono minimamente in grado di fare previsioni.
Ma anche qui vedo poco i fondamenti.
 
Aggiungo che l'atteggiamento dominante potrebbe anche essere una forma
di cecità: si lavora entro un ambito accertato, dove si pensa che non
possa esserci niente di nuovo a livello di base.
Non voglio negare che anche così ci sia larghissimo campo di
"filosofare" (nel senso di Galileo).
Ma bisogna pure pensare che la MQ si avvicina a compiere 100 anni (ha
da 4 a 6 anni più di me, a seconda di dove si mette l'inizio :-) ).
Non si può negare che siano tanti: in tempi recenti non so trovare
altri esempi di grandi scoperte che non siano state rivoluzionate
prima di un secolo, e a saper ascoltare qualche scricchiolio anche la
MQ lo fa sentire...
 
 > In questo senso, mettere troppo l'accento sulla ricerca sui
 > fondamenti, rischia di falsare il modo con cui la MQ viene
 > utilizzata in fisica oggi.
A questo ho già risposto.
 
 > E questo è importante anche dal punto di vista didattico.
Qui invece potrei scrivere qualche pagina :-)
Telegraficamente: che cosa è importante da unpunto di vista didattico?
Bisogna capire prima di tutto a che livello pensiamo.
A livello universitario Giorgio potrebbe avere ragione, ma anche
questo potrebbe essere un calcolo miope.
Dare poco spazio agli aspetti fondazionali (con le cautele che ho
detto sopra) potrebbe farci trovare impeparati il giorno che le novità
esplodessero.
 
A livello secondario, non ne parliamo neppure.
Negli anni, in base alle me esperienze e a qullo che ho visto, mi
sono formato un'opinione piuttosto netta: nella fisica della s.s.s.
non ci può essere posto per la MQ.
Nessuno sa come insegnarla; gli insegnanti sono disorientati, gli
studenti mandano giù (possono inghiottire qualsiasi cosa, come gli
struzzi; inclusi grossolani errori di cui non si accorgono).
Lasciate passare qualche mese dalla maturità, e scoprirete che è
rimasto il vuoto assoluto (magari popolato di particelle virtuali
:-(
 
Che cosa si deve fare? Non lo so, e quel poco che penso di sapere non
può trovare posto in questo post. Inoltre credo che interesi poco il
NG e l'OP in particolare.
 
Davide:
 > 3) Se chi è informato sa consigliare testi interessanti sul tema
 
Giorgio:
 > Se non lo conosci, direi che un classico resta il libro di Ghirardi
 > "Un'occhiata alle carte di Dio". Ha qualche difetto (i principale
 > che Ghirardi non era un osservatore neutrale, avendo la sua
 > interpretazione), ma affronta i principali problemi in modo non
 > superficiale.
Secondo me (ma forse mi ripeto, l'ho già scritto in altra occasione?)
il difetto principale non è quello.
Fermo restando l'interesse (per me) della materia che tratta, il
problema è che non capiva quanto poche nozioni di base abbia il suo
destinatario.
In tutto il libro tratta di ket e di algebra lineare cercando di
nascondere la natura dell'argomento, come se non usare parole come
"spazio vettoriale" rendesse le cose più facili. (Per non parlare dei
numeri complessi...)
Di fatto le rende più difficili a un lettore come me, che debbo
supplire con le mie conoscenze, districandomi in ragionamenti
complicati che sarebbero banali scrivendo la giusta formula.
Poi sopravvaluta la comprensione della fisica del suo lettore
ipotetico: ragionamenti abituali per un fisico li presenta come se
fossero cose facili, solo perché non usa termini tecnici.
Ma la fisica *è difficile*, anche a prescindere dall'uso della
matematica.
 
Quindi non so se consigliartelo.
Sono più che sicuro che quanto ad andare al nocciolo dei problemi non
ci può essere confronto con Pietro Greco, che io non ho letto (ma credo
di non averne bisogno).
Se a te è piaciuto tanto, mi preoccupa un po' l'effetto che potrebbe
farti Ghirardi.
 
Aggiungo che su tutta questa materia in wikipedia c'è perfino troppo:
è difficile districarcisi e mettere ordine.
Sicuramente un libro ben fatto sarebbe meglio, ma mi pare difficile
trovarlo, per la natura del problema e per la natura del prodotto (un
libro) che si deve vendere e non si può curare troppo delle esigenze di
persone come te.
-- 
Elio Fabri


Butto lì, molto molto in punta di piedi, con riferimento al punto (2) relativamente al giudizio sull' "importanza".
 
 
 
 
 
 
 
 
A prescindere dalla constatazione (di fatto: puramente empirica e contingente) che del tema oggi si occupino in tanti o in pochi: se ammettiamo che la fisica non si riduca a comode (e magari puramente convenzionali) "ricette che funzionano", ma che intenda rispondere a questioni fondamentali (che cos'è l'universo? quali sono le leggi che ne governano la struttura e l'evoluzione, macro e micro? che cosa si intende con "realtà"? e così via - penso ci siamo intesi) e che in tale tentativo di risposta ammetta anzitutto (à la Einstein, per intenderci) l'esistenza di una realtà fisica oggettiva e indagabile razionalmente. Se - dicevo - ammettiamo tutto questo (su cui probabilmente non c'è neppure pieno consenso tra gli stessi fisici...), allora la questione dei "fondamenti" (della MQ, anzitutto, visto che qui è il tema - e visto che sembra essere proprio l'interpretazione della MQ a essere tanto "divisiva", già dai tempi di Einstein/Heisenberg) non dovrebbe occupare più spazio nella formazione di un fisico (di un fisico, dico, che aspiri a essere qualcosa di più di un semplice applicatore di formule che talvolta funzionano bene, talaltra meno bene)? Non dovrebbe interpellare qualsiasi fisico (al di là del proprio specifico settore disciplinare)?
 
In breve: non si tratta di un tema assolutamente fondamentale, dunque importante? (lo dico nella dolorosa consapevolezza di saperne io per primo molto meno di quanto vorrei).
 
 
Questo a prescindere dalle molte "interpretazioni" circa lo statuto epistemologico della fisica provenienti da filosofi spesso assai imbarazzanti nelle loro affermazioni a riguardo (esternazioni che tradiscono un'infinita incompetenza anche delle questioni di metodo più elementari, senza neppure scomodare improponibili questioni di merito). 
Saluti a tutti.
 

 il difetto principale non è quello.
.....
 
Sì lo hai scritto. Tuttavia, qui non si parla di un "lettore medio" ma 
di un laureato in fisica che vorrebbe approfondire la questione 
interpretativa. *Per questo caso specifico* mi è sembrato più importante 
l'avvertimento sulla non-neutralità di Ghirardi.
 
 
Giorgio

Il 13/08/23 16:52, Qohelet ha scritto:
....
Scusa se non riporto la parte centrale del tuo messaggio a cui sto 
rispondendo ma per due volte di seguito la robomoderazione mi ha 
rispedito indietro il messaggio perché lo prendeva come binario :-(
 
....
 
Dall'esterno potrebbe sembrare così [che occorra concentrarsi sulle 
tematiche fondamentali] . Ma nessuna attività funziona come "appare 
all'esterno". Mai parlato con un avvocato, un musicista, un cuoco o un 
falegname? Ti si aprono mondi di problematiche "interne" che non sono 
evidenti per chi non le affronti in modo professionale.
 
E' sicuramente vero che la fisica affronta *anche* problemi 
completamente generali e temi che hanno ripercussioni sulla nostra 
immagine del mondo (non è solo la fisica a farlo, ovviamente). Ma è 
altrettanto vero che le visioni generali non sono l'obiettivo diretto 
della ricerca fisica.  Sono un risultato e  quasi sempe si basano su un 
lavorio su tanti problemi molto limitati che talvolta sfociano nella 
necessità di teorie generali (o metateorie).
 
Per chi lavora nel campo, non esiste la dicotomia che presenti tra "temi 
fondamentali" e quelle che chiami "ricette che funzionano". E la storia 
della fisica (quella vera, non quella romanzata), lo ha dimostrato più 
di una volta.
 
Proprio la MQ può essere un interessante esempio di quanto ho scritto 
sopra. Nessuno si è svagliato la mattina decidendo che voleva creare una 
nuova meccanica. C'è stato un lavorio di almeno tre decenni, in cui sono 
state proposte "ricette che funzionano" su più fronti, a fronte di 
esperimenti che non pretendevano di trovare contraddizioni nell' 
immagine del mondo fino ad allora costruita ma volevano solo renderla 
più precisa. Poi, l'accumulo di "ricette che funzionano" contraddittorie 
e ancora nuovi esperimenti è sfociato, e non in una volta sola, in una 
nuova immagine del mondo.
 
I fisici che hanno "fatto la MQ" hanno  preso atto del cambio di 
paradigmi che hanno innescato, ma non era quello il loro scopo 
originale. Oggi una parte dei fisici teorici ritiene che dalla teoria 
delle stringhe potrà venire un nuovo cambio di paradigma. Tuttavia la 
ricerca reale in teoria delle stringhe non è centrata sul cambio di 
paradigma ma sulla soluzione di tanti piccoli problemi tecnici, nessuno 
dei quali ha un carattere fondamentale ma senza la loro soluzione 
resteremmo ai blocchi di partenza.
 
Perciò, nella ricerca di tutti i giorni, ci si concentra sui problemi da 
risolvere, anche se quasi mai direttamente di carattere fondamentale.
E finora ha funzionato molto bene.
 
Giorgio

Chiedo scusa, mi si sono "entangled" le risposte.
Questa doveva precedere quella che è apparsa alle 16:33.
 
Davide ha scritto:
 > ...
 > vorrei capire qualcosa in più riguardo le critiche di Einstein (e
 > non solo) all'interpretazione di Copenhagen. Realismo, separabilità,
 > causalità e località in che rapporto stanno tra loro nella
 > formulazione della meccanica quantistica?
Quando ho letto questo post la prima cosa che mi è venuta in mente è
stata di suggerirti l'iscrizione a "sagredo".
Poi mi ha girato qualcosa nella memoria: "ma io questo nome l'ho già
sentito..." Ho verificato, e ho visto che sei già iscritto, anche se
non da molto.
Ti avrei suggerito d'iscriverti lì per due ragioni:
- forse potevi trovare qualcuno in più che avesse voglia o fosse in
grado di risponderti
- l'interesse didattico di cui parli è molto più attinente a sagredo
che a questo NG, dove quasi nessuno è interessato all'insegnamento.
Comunque ora siamo qui, e qui provo a rispondere.
In vari punti o sfumature le mie risposte differiranno da quelle di
Giorgio, il che è bene.
Non perché io abbia la presunzione di pensare che le mie sono
migliori, ma solo perché risposte diverse illuminano megli il campo.
 
 > Chiedo, se possibile, tre cose:
 > 1) se chi ha conoscenza ha voglia di fare una descrizione con un
 > quadro di insieme delle questioni
Non credo sia possibile una risposta in un NG.
Come saprai, sono stati scritti molti libri (di cui io non conosco
quasi nessuno) e intendo libri seri, non tentativi di divulgazione,
sui quali, come forse sai, nutro una pessima opinione.
Se anche fosse possibile, io certo non ne sarei in grado.
 
 > 2) se chi ha competenza in fisica ha voglia di condividere la sua
 > opinione sull'importanza del tema, ovvero se secondo lui sono
 > questioni filosofiche ed inutili per la fisica o se sono aspetti
 > centrali mell'indagine fisica
Qui la mia risposta è diversa da quella di Giorgio.
Per cominciare, sulla materia sono stati fatti numerosi esperimenti e
sono in vista applicazioni pratiche importanti (v. appresso).
Questo già taglia la testa al toro: *non è filosofia*.
Certo ciò non impedisce a chi sia più filosoficamente orientato di
occuparsene, ma la mia personalissima opinione è che da quella parte
non c'è da aspettarsi niente neppure per la comprensione "profonda"
dei problemi.
Anticipando: per es. condivido completamente la feroce critica che
Ghirardi fa a Popper nel libro citato da Giorgio.
In due parole: ma se la m.q. non l'hai capita, che ne parli a fare?
 
Concordo con Giorgio quando scrive
 > Attualmente, la questione dei fondamenti della MQ è un settore di
 > ricerca attivo e con forti interazioni con attività sperimentale e
 > problemi applicativi (quantum computer per dirne uno).
Io direi di più.
Temo che commetteremmo un grave errore a sottovalutare questo settore
della fisica, quale che sia la percentuale dei fisici che se ne
occupano, o la frazione di fondi che vi arrivano.
 
Due parole sui computer quantistici (QC).
Se e quando si arriverà ad avere dei QC suff. potenti e soprattutto
programmabili in modo universale, come sono stati fin dall'inizio i
computer elettronici, si rivoluzioneranno diversi campi, non solo
della scienza.
Non è solo questione di affrontare con facilità e in poco tempo
problemi intrattabili coi supercomputer attuali. Verrà coinvolta ad
es. la sicurezza delle comunicazioni, con conseguenze geopolitiche che
è meglio prevedere prima che si verifichino.
Mi spiego meglio.
 
La sicurezza delle comunicazioni "sensibili" agli alti livelli di uno
Stato (o fra stati) sono affidate oggi, per quanto posso capire, a due
fattori:
- canali sicuri, ossia protetti fisicamente da intrusioni
- comunicazioni codificate in forme che allo stato attuale delle
conoscenze e dei mezzi disponibili non possono essere decodificate in
un tempo utile.
I QC mettono in crisi il secondo punto, rendendo facile la decodifica
di queste comunicazioni.
Il punto della sicurezza fisica riguarda più un secondo aspetto di cui
parlo tra poco.
 
Immagina ora che uno stato A investa largamente (uomini e mezzi) su
queste tecniche, mentre uno stato B fa la scelta strategica di
lasciare all'iniziativa privata quanto e come volersi impegnare nella
ricerca. Non succede in pratca, ma lascio a te pensare le conseguenze,
in modo da capire quanto sia necessaria una massiccia attività in
questo settore.
 
La questione della sicurezza è figlia non tanto lontana delle ricerche
che hanno avuto origine dal "paradosso EPR" (1935), poi dalle ricerche
di Bell (la famosa disuguaglianza, 1964). Rimaste un settore di
nicchia per molti anni, ora non lo sono più proprio perché intravedere
vicina l'applicazione pratica crea sostanziose preoccupazioni ai
livelli di governo dei vari Stati.
 
Ne so talmente poco che posso solo richiamre le basi più elementari,
che consistono nel fenomeno più caratteristico degli stati quantistici:
il cosiddetto "entanglement".
Debbo però aprire subito una parentesi su questo termine. Non sembra
che sia stata trovata un traduzione italiana che si sia diffusa tar gli
interessati.
Però vorrei osservare che in realtà è già il termine inglese a essere
infelice.
"Tangle" in inglese significa "groviglio", il verbo "to entangle"
significa "impigliare", "intrappolare", "irretire".
 
Che questa sia l'idea me l'ha confermato la copertina dell'ultimo
numero di "Europhysics News", dedicato appunto al "quantum
entanglement". La copertina mostra un intrico di fili colorati.
Trovate lo scan in
 
http://www.sagredo.eu/temp/RPN.png
 
 
Ma uno stato "entangled" non è affatto un intrico: può ossere qualcosa
di molto semplice e ordinato.
Un esempio noto da moltissimo tempo è lo stato di spin dei due
elettroni nello stato fondamentale dell'atomo di He:
|1+>|2-> - |1->|2+>
dove 1,2, si riferisce all'elettrone, +,- all'autovalore di s_z.
Si tratta, come sapete, di uno stato di spin totale S=0;
antisimmetrico nello scambio dei due elettroni.
Si chiama "entangled" perché in tale stato nessun dei due elettroni ha
un s_z determinato, essendo lo stato sovrapposizione di stati con
autovalori opposti.
Per questa ragione ho deciso da anni di chiamare stati siffatti
"intrecciati" (che dà un'idea di ordine) e non "aggrovigliati" o
"intrappolati". Ma probabilmente sono il solo :-(
C'è perfino chi ha lo stomaco di scrivere "entanglati". No comment.
 
Ma torniamo alla fisica. Se gli stati intrecciati erano noti fin
dagli inizi della MQ, perché tanto rumore ngli ultimi anni?
Risposta: perché stati intrecciati come quelli dell'elio riguardano
particelle vicine (stesso atomo) che interagiscono in modo importante.
Invece dopo EPR si sono dovuti considerare stati intrecciati tra
particelle distanti, che per costruzione non interagiscono più tra
loro, eppure conservano quella particolare relazione costituita
appunto dell'"intreccio".
Il Nobel 2022 ad Aspect, Clasuer, Zeilinger ha appunto premiato il
lavoro per realizzare esperimenti sempre più "puliti" in cui fotoni si
mostravano intrecciati a distanze di metri.
Col tempo sono stati fatti passi avanti. Copio da wikièedia
https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_Experiments_at_Space_Scale
 
 
"Once experiments within China concluded, QUESS created an
international QKD channel between China and the Institute for Quantum
Optics and Quantum Information, Vienna, Austria - a ground distance of
7,500 km (4,700 mi), enabling the first intercontinental secure
quantum video call in 2016.[3][6]"
 
 
-- 
Elio Fabri

 
Quasi :-) 
http://www.sagredo.eu/temp/EPN.png
 
;-) 
Ciao.
 
--
Wakinian Tanka 

