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1.4 L’effetto “osservatore” nella fisica quantistica

Gli scienziati hanno dovuto affrontare il problema della misurazione di un singolo evento o oggetto, e anche l'”effetto osservatore”; cioè, in che modo la propria osservazione cambia (o “collassa”) la possibilità in realtà? Se l’elettrone è un’onda di probabilità, cosa o chi lo fa collassare in una “pallina” di materia?

L’evento di collasso non solo mostra l’elettrone come particella, ma evidenzia anche lo spazio e il tempo in esso.

Ma in cosa consiste questo “enigma quantistico”? Di seguito si cerca offrire una risposta.

Un atomo è circa un decimiliardesimo di metro. È molto strano ciò che accade in queste dimensioni e la scienza è governata da nuove regole per descriverlo; infatti, nello studio del piccolissimo i confini tra scienza e filosofia si sfumano

Forse l’esperimento più famoso della fisica quantistica è quello della doppia fenditura. In questo esperimento, gli scienziati hanno fatto passare gli elettroni attraverso due fenditure davanti a uno schermo. Così facendo, hanno osservato che sullo schermo non c’erano due linee di impatto, come nel caso delle biglie, ma molte, come quando si spinge l’acqua attraverso le stesse due fenditure. Come era possibile? Perché un elettrone si comporta come un’onda e non come una particella?

I ricercatori hanno poi scoperto qualcosa di sorprendente: se osservavano l’elettrone mentre passava attraverso le fenditure, si comportava come una particella, ma se non lo osservavano, si comportava come un’onda, un’onda di possibilità. Quindi l’elettrone si comportava come un’onda o una particella a seconda che fosse osservato o meno. In seguito si resero conto che la misurazione stessa cambiava la natura dell’osservato e chiamarono questa scoperta “enigma quantistico”. (*)

Durante l’osservazione, la luce si deve concentrare sulle particelle subatomiche e questo cambia la loro posizione e il modo in cui si muovono. Ma perché la luce non cambia solo la direzione delle particelle, ma anche la loro natura? Questo era il grande mistero.

In una versione più avanzata dello stesso esperimento, gli scienziati osservarono il comportamento degli elettroni “dopo” il passaggio attraverso le fenditure, ma “prima” dell’impatto con lo schermo. Scoprirono che si comportavano di nuovo come particelle e che questo era vero dal momento in cui lasciavano la macchina. È come se fossero tornati indietro nel tempo prima di passare attraverso le fenditure e avessero deciso di passare attraverso l’una o l’altra e non attraverso entrambe, come avrebbero fatto se fossero state onde.

La scelta dell’esperimento da eseguire determina lo stato preesistente dell’elettrone. In un modo o nell’altro, l’osservatore esercita un’influenza sull’elettrone, che viaggia “indietro” nel tempo.

Esiste un Universo misterioso quanto la fantascienza. La fisica quantistica suggerisce che la realtà è solo frutto della nostra immaginazione, una “illusione”, e forse… un ologramma?

Ulteriori ricerche hanno rivelato qualcosa di inaspettato: la natura si rifiuta di rivelare il suo mistero a causa della sua immensa complessità o sottigliezza. C’è un’incertezza fondamentale in tutto ciò che si vuole misurare, ma non si tratta di un problema di misurazione, bensì la natura stessa non sa quale sarà il risultato; è una questione di probabilità. Gli scienziati lo chiamano “principio di indeterminazione” ed è uno dei concetti più profondi emersi dall’Universo microscopico. Si può riassumere come segue: non è possibile conoscere nulla con assoluta certezza. Non è possibile sapere con certezza dove si trova una particella, a causa delle sue proprietà ondulatorie. Ma ciò che è ancora più strano, se si cerca di confinare una particella, c’è sempre abbastanza energia per farla uscire dal suo confinamento prima che la sua velocità e la sua posizione siano determinate.

Edward Lorenz dimostrò, nei suoi studi sulle previsioni meteorologiche, che una leggerissima alterazione dei parametri iniziali aveva un grande impatto sulle previsioni. Da questa osservazione è nato lo studio della teoria del caos (piccole alterazioni, grandi effetti). L’esempio più famoso è quello dell'”effetto farfalla”, secondo il quale una farfalla che sbatte le ali in un luogo può produrre minuscoli cambiamenti nell’aria che influenzano il clima dell’intero pianeta. Quando si cerca di prevedere l’effetto di qualsiasi cosa possa muoversi nel pianeta, si giunge alla conclusione che è imprevedibile. Non è possibile prevedere il comportamento del mondo materiale a lungo termine, per quanto determinato possa essere.

Il principio di indeterminazione postula che la natura non permette di bloccare i suoi elementi costitutivi. L’incertezza non si limita alla posizione delle particelle, ma si applica a tutto, anche all’energia, dando origine al fenomeno noto come “effetto tunnel”.

Sebbene non siano uniche, le quattro interpretazioni più generalizzate del problema dell’enigma quantistico sono le seguenti.