La dimostrazione che ha trasformato le idee del grande Isaac Newton sulla natura della luce è stata incredibilmente semplice. "Può essere ripetuto con grande facilità ovunque splenda il sole", disse il fisico inglese Thomas Young nel novembre 1803 ai membri della Royal Society di Londra, descrivendo quello che ora viene chiamato esperimento della doppia fenditura. E Young non era un giovane entusiasta. Ha escogitato un esperimento elegante ed elaborato che dimostra la natura ondulatoria della luce, e quindi ha confutato la teoria di Newton secondo cui la luce è composta da corpuscoli, cioè particelle.
Ma la nascita della fisica quantistica all'inizio del 1900 ha reso chiaro che la luce è composta da minuscole unità indivisibili - o quanti - di energia che chiamiamo fotoni. L'esperimento di Young con singoli fotoni, o anche con singole particelle di materia come elettroni e neuroni, è un mistero che ti fa interrogare sulla natura stessa della realtà. Alcuni l'hanno persino usato per affermare che il mondo quantistico è influenzato dalla coscienza umana. Ma può davvero dimostrarlo un semplice esperimento?
Può la coscienza definire la realtà?
Nella sua moderna forma quantistica, l'esperimento di Young prevede il lancio di singole particelle di luce o materia attraverso due fessure o fori tagliati in una barriera opaca. Su un lato della barriera c'è uno schermo che registra l'arrivo di particelle (diciamo, una lastra fotografica nel caso dei fotoni). Il buon senso ci fa aspettare che i fotoni passino attraverso l'una o l'altra fenditura e si accumulino dietro il passaggio corrispondente.
Ma no. I fotoni colpiscono alcune parti dello schermo ed evitano altre, creando strisce alternate di luce e oscurità. Queste cosiddette frange assomigliano a un'immagine di due onde che si incontrano. Quando le creste di un'onda si allineano con le creste di un'altra, si ottiene un'interferenza costruttiva (strisce luminose) e quando le creste si allineano con le depressioni, si ottiene un'interferenza distruttiva (oscurità).
Ma solo un fotone alla volta passa attraverso il dispositivo. Sembra che il fotone attraversi entrambe le fessure contemporaneamente e interferisca con se stesso. Questo è contrario al senso comune (classico).
Matematicamente parlando, non è una particella fisica o un'onda fisica che passa attraverso entrambe le fenditure, ma la cosiddetta funzione d'onda, una funzione matematica astratta che rappresenta lo stato di un fotone (in questo caso, la posizione). La funzione d'onda si comporta come un'onda. Colpisce due fenditure e nuove onde escono dall'altra parte delle fessure, si propagano e interferiscono tra loro. La funzione d'onda combinata calcola la probabilità di dove potrebbe essere il fotone.
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Il fotone ha un'alta probabilità di trovarsi dove le due funzioni d'onda interferiscono in modo costruttivo e bassa - dove l'interferenza è distruttiva. Le misurazioni - in questo caso, l'interazione della funzione d'onda con la lastra fotografica - porta al "collasso" della funzione d'onda, al suo collasso. Di conseguenza, indica uno dei punti in cui il fotone si materializza dopo la misurazione.
Questo collasso della funzione d'onda, apparentemente indotto dalla misurazione, è diventato la fonte di molte difficoltà concettuali nella meccanica quantistica. Prima del collasso, non c'è modo di dire con certezza dove andrà a finire il fotone; può essere ovunque con probabilità diversa da zero. Non c'è modo di tracciare la traiettoria di un fotone dalla sorgente al rivelatore. Il fotone è irreale nel senso che un aereo che vola da San Francisco a New York è reale.
Werner Heisenberg, tra gli altri, ha interpretato questa matematica in modo tale che la realtà non esiste finché non viene osservata. "L'idea di un mondo reale oggettivo, le cui particelle più piccole esistono oggettivamente nello stesso senso in cui esistono pietre o alberi, indipendentemente dal fatto che li osserviamo o meno, è impossibile", ha scritto. John Wheeler ha anche usato una variante dell'esperimento della doppia fenditura per affermare che "nessun fenomeno quantistico elementare sarà un fenomeno finché non diventa un fenomeno registrato ('osservato', 'definitivamente registrato')."
Ma la teoria quantistica non fornisce assolutamente alcun indizio su ciò che conta come "misurazione". Postula semplicemente che il dispositivo di misurazione dovrebbe essere classico, senza definire dove si trova la linea tra il classico e il quantico, e lasciando la porta aperta a coloro che credono che il collasso stia causando la coscienza umana. Lo scorso maggio, Henry Stapp e colleghi hanno affermato che l'esperimento della doppia fenditura e le sue versioni attuali suggeriscono che "un osservatore cosciente potrebbe essere necessario" per dare un significato al regno quantistico e che l'intelligenza transpersonale è al centro del mondo materiale.
Ma questi esperimenti non sono prove empiriche per tali affermazioni. In un esperimento a doppia fenditura eseguito con singoli fotoni, si possono solo testare le previsioni probabilistiche della matematica. Se le probabilità compaiono quando decine di migliaia di fotoni identici vengono inviati attraverso la doppia fenditura, la teoria afferma che la funzione d'onda di ciascun fotone è collassata, grazie a un processo sfocato chiamato misurazione. È tutto.
Inoltre, ci sono altre interpretazioni dell'esperimento della doppia fenditura. Prendiamo, ad esempio, la teoria di de Broglie-Bohm, che afferma che la realtà è sia un'onda che una particella. Il fotone è diretto alla doppia fenditura in una certa posizione in qualsiasi momento e passa attraverso una fenditura o l'altra; quindi, ogni fotone ha una traiettoria. Viaggia attraverso un'onda pilota che penetra in entrambe le fenditure, interferisce e quindi dirige il fotone verso il sito di interferenza costruttiva.
Nel 1979, Chris Dewdney e colleghi del Brickbeck College di Londra hanno modellato la previsione di questa teoria dei percorsi delle particelle che avrebbero viaggiato attraverso una doppia fenditura. Negli ultimi dieci anni, gli sperimentatori hanno confermato l'esistenza di tali traiettorie, sebbene abbiano utilizzato la controversa tecnica delle cosiddette misurazioni deboli. Nonostante le polemiche, gli esperimenti hanno dimostrato che la teoria di de Broglie-Bohm è ancora in grado di spiegare il comportamento del mondo quantistico.
Ancora più importante, questa teoria non ha bisogno di osservatori o misurazioni o coscienza intangibile.
Né sono necessari per le cosiddette teorie del collasso, da cui segue che le funzioni d'onda collassano in modo casuale: maggiore è il numero di particelle in un sistema quantistico, maggiore è la probabilità del collasso. Gli osservatori registrano semplicemente il risultato. Il team di Markus Arndt dell'Università di Vienna in Austria ha testato queste teorie inviando molecole sempre più grandi attraverso una doppia fenditura. Le teorie del collasso prevedono che quando le particelle di materia diventano più massicce di una certa soglia, non possono più rimanere in una sovrapposizione quantistica e passare attraverso entrambe le fenditure contemporaneamente, e questo distrugge il modello di interferenza. La squadra di Arndt ha inviato una molecola di 800 atomi attraverso la doppia fenditura e ha ancora visto l'interferenza. La ricerca della soglia continua.
Roger Penrose aveva una sua versione della teoria del collasso, in cui maggiore è la massa di un oggetto in sovrapposizione, più velocemente collassa in uno stato o nell'altro a causa delle instabilità gravitazionali. Ancora una volta, questa teoria non richiede un osservatore o alcun tipo di coscienza. Dirk Boumeester dell'Università della California, Santa Barbara, mette alla prova l'idea di Penrose con una versione dell'esperimento della doppia fenditura.
Concettualmente, l'idea non è solo di mettere un fotone in una sovrapposizione di passaggio attraverso due fenditure contemporaneamente, ma anche di mettere in sovrapposizione una delle fenditure e farla stare in due posti contemporaneamente. Secondo Penrose, la fenditura sostituita rimarrà in sovrapposizione o collasserà con un fotone al volo, il che porterà a diversi modelli di interferenza. Questo collasso dipenderà dalla massa delle fenditure. Boumeester ha lavorato a questo esperimento per dieci anni e potrebbe presto confermare o negare le affermazioni di Penrose.
In ogni caso, questi esperimenti mostrano che non possiamo ancora fare alcuna affermazione sulla natura della realtà, anche se queste affermazioni sono ben supportate matematicamente o filosoficamente. E dato che neuroscienziati e filosofi della mente non possono essere d'accordo sulla natura della coscienza, l'affermazione che essa porti al collasso delle funzioni d'onda sarebbe prematura nel migliore dei casi e sbagliata nel peggiore.
Ilya Khel
