Perché il gatto di Schrödinger può esistere come esperimento? La risposta è in uno studio italiano

Uno studio italiano ha formulato un nuovo modello per spiegare perché le leggi della meccanica quantistica non possono essere estese alla realtà macroscopica. Lo studio potrebbe aiutare ad aprire nuove strade di ricerca per scoprire qual è il confine fra quantistica e gravità

C’è un modo per spiegare perché alcune leggi alla base della meccanica quantistica non possono valere anche nella realtà macroscopica, quella di tutti i giorni? E perché il paradosso del gatto di Schrödinger rimarrà un esperimento che vive solo nella nostra immaginazione? Un team di fisici italiani del Centro ricerche Enrico Fermi, dell’Istituto nazionale di fisica Nucleare e dell’università di Trieste sonda i confini fra meccanica quantistica e realtà, provando a spiegare perché alcune regole cadono quando si passa dal mondo submicroscopico a quello macroscopico. I risultati sono pubblicati su Nature Physics. Questo filone di ricerca potrebbe trovare applicazione nel mondo delle tecnologie quantistiche.

Lo strano mondo della meccanica quantistica

Nella meccanica quantistica un sistema fisico – rappresentato da particelle o atomi – vive in una sovrapposizione di stati differenti (ad esempio in luoghi diversi), almeno fino a quando non si effettua un’osservazione, una misura, per accertarsi delle sue caratteristiche – un po’ come dire che, fino alla misura, nello stesso istante è sia in un modo sia in un altro. Per raffigurare questa strana condizione attraverso un paragone delle realtà possono venirci in mente diversi esempi. Ai fisici, e in particolare al fisico austriaco Erwin Schrödinger, venne in mente di pensare a un particolare esperimento, passato alla storia ma puramente immaginario, con una scatola e con un gatto.

Il gatto di Schrödinger

Nell’esperimento un gatto viene inserito in una scatola d’acciaio contente un marchingegno mortale, che può ucciderlo oppure lasciarlo in vita. Secondo le leggi della meccanica quantistica, fino a quando un osservatore esterno non compie una misura, ovvero fino a quando non si apre la scatola, il gatto si trova contemporaneamente in due stati, cioè è sia vivo sia morto. In questo paradosso, in pratica, il gatto di Schrödinger si trova in una sovrapposizione di due stati, vita e morte, che rappresentano una somma matematica di due condizioni entrambe possibili con la stessa probabilità, fino a quando non si apre la scatola.

Il presupposto dello studio odierno

La domanda ora è: perché questa legge della meccanica quantistica – la presenza di sovrapposizioni di stati – non vale per gli oggetti macroscopici della realtà? Il motivo per cui ciò accade, il cosiddetto “problema della misura”, è ancora da capire. Avere una spiegazione è molto importante, sottolineano gli scienziati, e può essere utile anche per studi e applicazioni nel mondo delle tecnologie quantistiche (ad esempio per i computer del futuro). Una risposta importante si trova nella teoria dei fisici Roger Penrose e Lajos Diósi, che hanno formulato il modello Diósi-Penrose alla fine degli anni ’80, accreditato fra i fisici. Il modello fornisce una spiegazione del salto fra mondo sub-microscopico della quantistica e realtà macroscopica. Secondo Penrose in questo passaggio la sovrapposizione spaziale quantistica diventa instabile e decade, dunque collassa per effetti correlati alla gravità, in un tempo che Penrose stima essere tanto più breve quanto più l’oggetto è massiccio.

Lo studio

Oggi gli scienziati hanno ripreso in mano il modello di Penrose e hanno svolto delle prove sperimentali. Come? Il punto centrale è che il collasso descritto da Penrose è associato a un tremolio di fondo che dovrebbe accompagnare il moto di tutte le particelle di materia. Nel caso degli elettroni e dei protoni questo tremolio si accompagna all’emissione di una caratteristica, seppur debole, radiazione elettromagnetica, che è stata calcolata dal gruppo teorico, diretto da Angelo Bassi, dell’Università di Trieste, con Diósi del Wigner Research Center di Budapest e Sandro Donadi del Frankfurt Institute for Advanced Studies.

“Abbiamo effettuato una misura della radiazione (raggi X e gamma) con un rilevatore a germanio ultra-puro nel silenzio cosmico ai Laboratori nazionali del Gran Sasso (Lngs) dell’Infn”, spiega Catalina Curceanu, ricercatrice dell’Infn, che assieme a Matthias Laubenstein dell’Infn e Kristian Piscicchia del Centro ricerche Enrico Fermi  hanno eseguito l’esperimento. Dopo due mesi di presa dati l’esperimento ha concluso che il segnale rivelato (la radiazione elettromagnetica) è 1.000 volte più basso di quanto previsto dal modello Diósi-Penrose. La misura stabilisce quindi un nuovo limite in questo tipo di studi e, soprattutto, per la prima volta, esclude la teoria di Penrose nella sua formulazione originale.

Il futuro

Il team intende lavorare su modelli più sofisticati, aprendo dunque un nuovo campo di ricerca nello studio fra la gravità e la meccanica quantistica. “Questo studio”, sottolinea Curceanu, “apre un mare di nuove possibilità di ricerca – pensiamo solo al rapporto complesso e tuttora discusso fra meccanica quantistica e gravità. Nonché potrebbe essere molto importante per nuove applicazioni pratiche legate alla comunicazione e alle tecnologie quantistiche”.

Insomma, qualora si riuscirà a definire sempre meglio questo limite potremmo conoscere meglio l’anello mancante fra quantistica e realtà macroscopica. “Se ci fosse un confine che non sia solo dovuto alla nostra incapacità di tenere stabile un sistema quantistico”, aggiunge Angelo Bassi, “ma legato ai principi primi che vanno oltre la meccanica quantistica e che magari sono legati agli effetti della gravità, questo consentirebbe di studiare la materia sotto una nuova prospettiva”.

Ancora siamo all’inizio di un lungo percorso e i risultati sono preliminari, ma i ricercatori contano di andare avanti nello studio di questa potenziale radiazione. Insomma, potremmo scoprire nuove realtà e anche capire meglio perché il paradosso del gatto di Schrödinger non sarà mai un esperimento possibile.

Fonte: https://www.wired.it/scienza/lab/2020/09/10/gatto-schrodinger-confini-meccanica-quantistica-realta/