centro studi asia

"Veramente lei è convinto che la luna esiste solo se la si guarda?"

Il problema del soggetto in Fisica Quantistica
Argomento: Scienza

Il XX secolo è stato un secolo straordinario in cui l'uomo è stato testimone di importanti rivoluzioni concettuali; fra queste merita di essere ricordata la meccanica quantistica, divenuta famosa al grande pubblico per il suo principio di indeterminazione. Ma cosa dice questo principio di tanto rivoluzionario? Per rispondere a questa domanda in modo semplice ed esauriente bisogna fare un salto indietro di qualche secolo e spendere qualche parola su come Newton intendeva il moto dei corpi. Nella visione del moto del grande fisico inglese, denominata meccanica classica, era sempre possibile conoscere simultaneamente la posizione e la velocità di un corpo (in tal caso, si dice che le due quantità sono determinate) ed anzi, una volta che queste due quantità osservabili fossero note, il moto dell'oggetto in questione era perfettamente determinato; detto in modo più semplice, si poteva prevedere per qualunque istante di tempo dove lo avremmo trovato. Beh questo signori è un fatto straordinario! Pensate, un uomo dotato solamente di un foglio di carta e di una penna è in grado di calcolare dove sarà Venere fra uno o dieci anni senza nemmeno sollevare gli occhi al cielo.

 

Il principio di indeterminazione (o di Heisenberg) ha infranto per sempre questo sogno, stabilendo che non si possono mai conoscere contemporaneamente la posizione e la velocità di una particella: se ne conosciamo la posizione (cioè essa è determinata) non possiamo conoscerne la velocità (cioè essa è indeterminata) e, viceversa, se ne conosciamo la velocità non possiamo conoscerne la posizione.

Se noi assumiamo che la meccanica quantistica ci dia una descrizione completa e corretta della realtà[1], il suddetto principio ha delle implicazioni concettuali veramente straordinarie e rivoluzionarie: in quest’ottica infatti, l'indeterminazione non può essere assunta come una carenza della nostra teoria, ma al contrario essa è intrinseca alla natura stessa della particella. In altre parole, quando una particella ha una ben definita posizione, essa non può avere “realmente” anche una velocità. Il mondo atomico[2], alla luce di questo principio, diventa allora qualcosa di estremamente misterioso, un mondo in cui certe proprietà delle particelle perdono la loro concretezza, la propria oggettività: finché noi non effettuiamo una misura di velocità sul corpo considerato, la natura rimane per così dire “sospesa” in un mondo fatto solo di potenzialità, ed è soltanto il processo di misura che rende oggettivo, nel senso di reale, il valore della velocità.

A questo punto però cominciano i problemi legati al processo di misura: l'indeterminazione non solo cancella la realtà oggettiva delle particelle, ma ha pure la qualità di essere in un certo senso “contagiosa” con tutto ciò che interagisce con lei[3]. Facciamo un esempio per chiarire meglio questo punto. Consideriamo una particella di cui conosciamo la posizione e quindi, per quanto detto sopra, indefinita nella sua velocità (nel senso che non esiste ancora una sua velocità) e poniamoci quindi l'obiettivo di misurare la velocità con uno strumento di misura dotato di un indice (immaginiamo questo strumento con una scala graduata simile ad un contachilometri); il problema ora è che lo strumento di misura è un oggetto macroscopico risultante dall'insieme di un numero enorme di particelle microscopiche e quindi quando esso entra in interazione con la particella “infetta” dalla indeterminazione esso non può fare altro che subire questo contagio. Se la meccanica quantistica è corretta, allora essa ci dice inequivocabilmente che anche l'indice macroscopico dello strumento deve finire in uno stato di potenzialità sospesa in cui esso, per così dire, non ha ancora scelto una posizione ben precisa.

A questo punto però c'è qualcosa che non torna: ognuno di noi sa benissimo (e se non lo sa per esperienza diretta lo può comunque immaginare in base ad un minimo di buon senso) che quando si fa una misura con uno strumento, il suo indice assume sempre una posizione ben precisa; ciò tuttavia è in netta contraddizione con quanto previsto dalla meccanica quantistica quando cerca di descrivere l'interazione oggetto – strumento di misura. 

Come uscire allora da questo apparente paradosso?

Una possibile risposta a questo tipo di problema venne fornita dal genio di von Neumann dopo che ebbe sottoposto la questione della misura alla sua penetrante capacità di analisi. Egli si accorse infatti che considerare “processo di misura” la sola interazione fra la micro particella e lo strumento di misura era sbagliato, o quantomeno incompleto, poiché di fatto ci si dimenticava proprio della cosa più importante che contraddistingue una misura, cioè la componente umana; egli era solito sottolineare questo fatto ricorrendo alla sua celebre frase: “l'esperienza non ci permette mai di affermare che una quantità fisica ha un definito valore, ma soltanto che una quantità fisica ha un definito valore per un osservatore”.

Alla luce di questo, von Neumann si spinse allora a riconsiderare il processo di misura, comprendendo oltre all'interazione particella – strumento di misura, anche l'interazione strumento – sperimentatore.

Cosa possiede però lo sperimentatore di così diverso dallo strumento di misura tale da essere determinante per far concludere il processo di misura e non ricadere nel paradosso sopra menzionato?

Lo sperimentatore, sostiene von Neumann, oltre a possedere un corpo, possiede prima di tutto una coscienza che non appartiene alla dimensione materiale ed è proprio questo elemento extra-fisico la soluzione rivoluzionaria al problema della misura. Cerchiamo però di capire meglio il perché descrivendo adesso in modo più preciso il processo di misura.

Riconsideriamo allora la nostra particella in uno stato indeterminato rispetto alla sua velocità e mettiamola in interazione con lo strumento di misura; abbiamo già sottolineato che l'esito necessario (secondo le regole della meccanica quantistica) di questo processo è che ci troviamo in una situazione ancora più complessa, poiché ora anche il nostro strumento ha l’indice in uno stato indeterminato, in cui nessuno dei valori possibili può dirsi essere ancora registrato.

Cosa succede allora quando la coscienza dello sperimentatore guarda l'indice dello strumento?

Secondo von Neumann quando essa interagisce con lo strumento, ovvero lo guarda, ha il potere di spezzare la “catena”dell'indeterminazione per il semplice fatto che essa, non appartenendo al mondo della materia e dell'energia, ne può violare le leggi (e quindi non è contagiabile dal principio di Heisenberg) e ciò ha come effetto di dare “realtà” sia alla posizione dell'indice dello strumento, sia alla velocità della particella considerata.

In quest’ottica quindi tutto il mondo materiale, sia quello microscopico che quello “famigliare” macroscopico, sarebbe sempre sospeso in una sorta di limbo di possibilità che per diventare attuali e determinate necessitano della presenza dell'uomo, anzi, per essere precisi, della coscienza dell'uomo.

Per la suddetta ragione, questo tipo di soluzione al problema della misura, proposta inizialmente da von Neumann, e in seguito appoggiata da London, Bauer e Wigner è stata vista nella storia del pensiero scientifico come una “seconda rivoluzione copernicana” in cui l'uomo è ritornato al centro dell'universo ed è il perno su cui si fonda tutta la realtà.

Tuttavia fra coloro che sono impegnati ad affrontare il problema della misura con serietà, sembra che la tendenza generale vada esattamente nella direzione opposta, cioè nella ricerca di soluzioni che non vogliono attribuire un ruolo fondamentale al soggetto cosciente, ovvero le cosiddette “teorie quantistiche senza osservatori”, e a tal riguardo vorrei esprimere alcune mie considerazioni personali.                                        

Le ragioni che si possono individuare per motivare una tale tendenza si possono racchiudere in due fondamentali linee di pensiero: la prima afferma di non riuscire a capire cosa si intenda con il termine coscienza, mentre la seconda (che sembra trovare più favore fra i fisici) non accetta che la coscienza possa avere sulla realtà delle reazioni così importanti.

La prima di queste posizioni sostiene criticamente che l’interpretazione di von Neumann e Wigner è affetta da un problema di principio: essa fu elaborata per eliminare un’ambiguità (quella dell’indeterminazione dell’indice dello strumento) introducendone una ancora più grande, giacché le nostre attuali conoscenze (a dir loro) non sanno precisare cosa sia coscienza. Se è possibile un commento su questa posizione, mi sembra di poter dire che sia estremamente molto ingenuo ritenere che le nostre conoscenze attuali non ci permettano di caratterizzare in modo preciso cosa debba intendersi per coscienza, tanto è vero che gli stessi London e Bauer (due importanti sostenitori di von Neumann) non sembrano avere le stesse difficoltà. Lascio quindi alle loro stesse parole ciò che essi intendono per coscienza: “l'osservatore dispone di una facoltà caratteristica e ben familiare, che noi possiamo chiamare la facoltà di introspezione: egli può rendersi sempre conto in maniera immediata del suo proprio stato”.

La seconda critica invece non accetta la totale perdita del realismo per finire in una posizione necessariamente idealista in cui tutto il mondo che ci sta di fronte non è che una creazione della nostra mente; una tale obiezione, per quanto comprensibile (giacché ci toglie il “famigliare” mondo macroscopico cui siamo abituati) è comunque piuttosto debole, in quanto essa non poggia su argomenti filosofici (poiché il problema dell’idealismo non è risolvibile filosoficamente) ma piuttosto sul rifiuto emotivo che si ha nell'appoggiare una tale posizione.

Tuttavia oggi non si può ignorare quanto la fisica moderna ha reso necessario, al fisico che si voglia occupare dei fondamenti filosofici della sua disciplina, un più profondo interrogarsi sui concetti quali “ realtà”, “fenomeno”, “oggettivo”, ecc.

Questa esigenza filosofica d'altronde è stata molto sentita da fisici quali Heisenberg, Wigner, London e Bauer i quali, in perfetta consonanza con il pensiero dei grande filosofo tedesco Husserl, rifiutano completamente il concetto naive e grossolano di una distinzione fra realtà oggettiva e soggettiva derivante dalla divisione cartesiana fra res cogitans e res extensa; tutto ciò risulta poi estremamente chiaro nella seguente affermazione di Heisenberg: “in definitiva, la realtà della quale possiamo parlare non è mai la realtà in sé, ma una realtà filtrata dalla nostra conoscenza o persino in molti casi da noi configurata. Se a quest'ultima formulazione si obietta che dopo tutto c’è un mondo oggettivo, completamente indipendente da noi e dal nostro pensiero, che procede o può procedere senza il nostro apporto e alla quale realtà ci riferiamo con la ricerca, a questa obiezione a prima vista così ovvia si deve opporre il fatto che già la parola “c'è” appartiene al linguaggio umano che non può quindi significare qualcosa che non sia in relazione alla nostra capacità conoscitiva. Per noi “c'è” appunto solo il mondo nel quale l'espressione “c'è” ha un senso.”

Concludo allora sottolineando che, nonostante le dure critiche e la connessa ricerca di “teorie senza osservatori”, tutto fa comunque pensare che, se si rimane nella convinzione che la teoria quantistica sia una teoria completa, la soluzione di von Neumann e Wigner costituirà l'unica risposta veramente significativa e consistente.

a cura di Manuel Mazzucco
redazione asia.it



[1] Albert Einstein ad Abraham Pais, in “Sottile è il Signore…”. La scienza e la vita di Albert Einstein, Bollati Boringhieri, Torino 1986.

[2] Questo fatto non è scontato (anzi!) in quanto fisici del calibro di Einstein ritenevano che la meccanica quantistica non fosse corretta e interpretavano quindi queste indeterminazioni come carenze della teoria.

[3] In linea di principio, l’indeterminazione di Heisenberg è applicabile a qualsiasi corpo esistente (di qualunque dimensione, dal pianeta Venere fino ed un elettrone); in pratica, però, per corpi “grandi” tale principio è trascurabile, e la meccanica di Newton continua ad essere applicabile ed avere grande valore predittivo.


Facebook Twitter Youtube
Newsletter




Acconsento al trattamento dei miei dati personali.

Videocorsi scaricabili
Dona ora
Iscriviti ad Asia
Articoli
Eventi