Due concetti infastidiscono o affascinano chi per la prima volta si accosti alla Meccanica Quantistica: il superamento della logica aristotelica e l'entanglement delle particelle. Anche senza una conoscenza approfondita della Fisica Quantistica, si tratta di due concetti così basilari e sorprendenti che è difficile sopravvalutarne le conseguenze per il nostro stesso modo di ragionare. Come la Relatività einsteiniana ha irreversibilmente alterato la nostra concezione di tempo (o, equivalentemente, del principio di causa-effetto), allo stesso modo qui parliamo: nel primo caso di una relativizzazione ed estensione del concetto di razionale e irrazionale, nel secondo caso del concetto stesso di che cosa può essere una causa e in che relazione una causa può essere con un effetto. Esagerando: sono cose così interessanti (Luna) che si potrebbe persino trascurare la superficialità con cui, obbligato dalla mia limitata conoscenza, mi propongo di parlarne (dito).
In questo articolo mi occuperò della logica aristotelica e della sua confutazione quantistica, lasciando l'entanglement e le sue sorprendenti implicazioni a un articolo successivo.
Perché non rimanga troppo oscuro il ragionamento, descriverò innanzitutto, in poche parole, in che cosa consista questo "superamento". Chi avesse già familiarità con questo concetto e con gli esperimenti che lo hanno evidenziato, può passare... all'ultimo paragrafo. O ad una lettura più amena, beninteso!
L'idea intuitiva della logica
La logica cosiddetta "Aristotelica", spesso intesa come logica tout court, postula, fra gli altri, un assunto apparentemente inespugnabile come:
"Due affermazioni che si contraddicono a vicenda, devono avere due valori di verità opposti."
Tralasciamo le sottigliezze logiche che speculano sul fatto che questa affermazione abbia altre formulazioni più o meno equivalenti o su come possa essere generalizzata o indebolita. Accettiamola come adeguata al nostro ragionamento e applichiamola a un fenomeno studiato dalla fisica Quantistica in cui "qualcosa succede; e, sorpresa!, qualsiasi cosa sia, quello che accade viola il principio espresso sopra".
Possiamo raccontare il fenomeno a cui mi riferisco descrivendo un esperimento; oltretutto un esperimento che non richiede né una eccessiva accuratezza sperimentale, né macchinari particolarmente complessi. I risultati di questo esperimento, che calca la scena ormai da circa duecento anni, costituiscono una spina nel fianco per chi voglia sentirsi a suo agio con il pensare che ci sia perfetta identità fra ciò che è vero e ciò che è ovvio.
Veniamo ai fatti: l'esperimento (qui spiegato più diffusamente) fu concepito da Thomas Young e perfezionato da Augustin Fresnel nell'ottocento e consiste, in breve, nel far passare la luce attraverso due fenditure di una parete opaca, verificando poi che cosa succede una volta che la luce colpisce la parete di fondo. Originariamente l'esperimento era stato concepito per determinare se la luce avesse natura corpuscolare oppure ondulatoria. Nel primo caso, infatti, la nostra ipotetica "pallina" sarebbe dovuta passare da una sola delle due fenditure. Nel secondo caso sarebbe dovuta passare da entrambe, proprio come un'onda che raggiunge un porto dotato di due aperture verso il mare aperto, e che può passare da entrambe le aperture.
Come fare, quindi, per rilevare in quale delle due condizioni ci si trova? La risposta è: ce lo dirà l'interferenza! Consideriamo infatti il caso delle due aperture: un fronte d'onda che colpisce la parete e passa attraverso due fenditure, proseguirà la sua corsa come se un ulteriore onda si originasse in ognuna delle due fenditure. E' facile convincersi quindi che, per poter raggiungere la parete di fondo, le distanze percorse dalle varie porzioni dell'onda saranno differenti. Ad esempio, osservando l'immagine sotto, si vede che A e B sono le fenditure della parete e che il loro percorso, per raggiungere C, è differente. Oltretutto considerando che C è un punto variabile sulla parete di fondo, le distanze fra A e B sono da considerare come variabili:
Ci sarà una posizione di C in cui le distanze AC e BC sono uguali (in particolare questo avviene quando C si trova sulla proiezione del punto medio di AB sulla parete di fondo). In questa posizione le onde saranno sovrapposte; spostando C in alto o in basso la differenza fra le distanze aumenterà; in questo modo, invece di avere due onde coincidenti rispetto ai loro picchi (interferenza costruttiva) il risultato sarà di sovrapporre il picco di un'onda con la valle dell'altra (interferenza negativa). Ovviamente il passaggio da una situazione all'altra sarà graduale, ma quello che potrà essere rilevato sulla parete di fondo sarà un'alternanza di barre verticali più o meno scure. Saranno più chiare quando l'interferenza è positiva e più scure quando l'interferenza è negativa.
Riassumiamo brevemente esperimento e risultati attesi:
- Se la luce è composta da corpuscoli discreti, non c'è interferenza;
- Se la luce è composta da onde, c'è interferenza.
Al termine delle osservazioni sperimentali, quando un fascio luminoso veniva fatto passare attraverso le fenditure, è stata accertata la presenza di bande di interferenza; e quindi la natura ondulatoria della luce.
Tuttavia...
Uno per volta!
...tuttavia, che cosa è successo quando, questo stesso esperimento, è stato condotto con un solo fotone per volta? Qui la questione è diventata per anni incomprensibile: anche un solo fotone produceva bande di interferenza. Come a dire: anche un solo fotone non solo aveva natura ondulatoria (condizione necessaria all'interferenza), ma un unico fotone si doveva supporre che passasse contemporaneamente da entrambe le fenditure (altra condizione necessaria all'interferenza). Infatti, un solo fotone che passasse, di volta in volta, per una sola fenditura, non avrebbe avuto nessuna "controparte" con cui produrre interferenza.
Un risultato come questo chiaramente non poteva essere digerito molto facilmente dai fisici dell'epoca che, come ci possiamo ben immaginare, lo avranno ripetuto per un conguro numero di volte prima di azzardarsi a condividerne i risultati con il resto della comunità. Si è arrivati fino al momento in cui qualcuno ha ipotizzato un pezzo in più, vale a dire un'osservazione diretta che potesse determinare da quale fenditura il fotone stesse passando, sciogliendo così le ombre di incomprensibilità che si andavano accumulando sui destini dell'ottica. Di nuovo il risultato è stato inatteso e caratterizzato da quel misto di fascino o di delusione con cui si può pensare alla fisica quantistica. Se si osservava il fotone, illuminandolo, si poteva capire esattamente se il fotone passava da A o da B... ma in questo caso non c'era più interferenza sulla parete di fondo. Se si tornava a lasciare il fotone inosservato e quindi inalterato, e il passaggio dall'una o dall'altra delle fenditure era perciò indeterminato, allora di nuovo, al prezzo di questa indeterminazione, si riotteneva l'interferenza sulla parete di fondo.
C'era di che essere quantomeno irritati.
Oscuro, ostico, fastidioso... ma non irrazionale
Nonostante i suoi risultati, non si poteva sostenere che l'esperimento fosse "sbagliato", dove per sbagliato si può intendere: non accurato, non consistente, non determinato. Certo qualcuno si sarà anche chiesto: "Ma perché mai ci siamo impegolati in questo esperimento?" Ma è un po' come imparare a leggere e riuscire, a fatica, a leggere la prima frase scritta su un muro, rilevando con disappunto che questa è: "Asino chi legge." Troppo tardi per rimediare con l'ignoranza.
No: il risultato dell'esperimento era indefinitamente riproducibile e non riguardava il modo in cui il singolo esperimento era condotto, o la persona che lo conduceva, ma la luce in sé e le sue proprietà. Di nuovo, occorre notarlo, la guastafeste era l'interferenza. Di nuovo perché questo fenomeno non era nuovo a riservare spiacevole sorprese, come quando, nell'esperimento di Michelson e Morley, grazie all'interferenza erano state poste le basi per comprendere l'invariabilità della velocità di propagazione della luce nel vuoto. Di nuovo si era obbligati a riconoscere che qualcosa succedeva e che questo qualcosa era differente dall'atteso e non trascurabile.
Come se ne esce, allora? Forse un paragone con la relatività einsteiniana può aiutare a comprendere. Vediamo il raffronto:
| Aspetto | Relatività | Quantistica |
|---|---|---|
| Obbiettivo della ricerca | Michelson e Morley cercano di determinare la variazione della velocità della luce dovuta all'effetto doppler | Young, Fresnel e svariati altri cercano di determinare la natura (corpuscolare o ondulatoria) della luce |
| Esperimento | Determinare la velocità della luce tramite l'interferenza | Rilevare presenza o assenza dell'interferenza |
| Risultati ottenuti | La velocità della luce è sempre costante, indipendentemente dal movimento relativo della sorgente luminosa rispetto al rilevatore | Un fotone non passa attraverso una sola fenditura, se non quando viene rilevato. Se è indeterminato, passa attraverso entrambe |
| Che hanno portato a... | riconsiderare lo spazio tempo e abbandonare il concetto della contemporaneità degli eventi | riconsiderare la logica e abbandonare le assunzioni date dall'esperienza comune dell'universo macroscopico |
Noi consideriamo la logica aristotelica "vera" semplicemente perché lo è a livello macroscopico. E tutte le nostre esperienze sensoriali concordano nel confermarci che questa è l'impalcatura di riferimento implicita per i fenomeni che cadono sotto i nostri sensi; anzi: che è quella più opportuna per la nostra sopravvivenza. Un sasso scagliato verso la nostra testa manterrà una traiettoria parabolica e non sarà soggetto a divagazioni quantistiche che gli permettano di colpirci contemporaneamente alla testa e allo stomaco; quindi conviene adeguarsi e abbassare la testa. Un leone che per azzannarci passa a sinistra di un arbusto, non dovremo preoccuparci che, contemporaneamente, possa passare anche alla sua destra. Ci basta coglierne la direzione e sperare di avere ancora il tempo di fuggire. E questo perché le indefinite fluttuazioni dei fenomeni quantistici, portati al livello in cui agisce la nostra esperienza, non sono più applicabili.
Sostanzialmente noi viviamo in un universo di una microscopicità tale da essere come un fenomeno implicitamente osservato. Cioè un universo che, al livello della nostra soglia percettiva, ha già perso ogni indeterminatezza quantistica.
Eppure, ed è questo il risultato sorprendente della meccanica quantistica, al livello microscopico quella descritta dai fenomeni quantistici è la logica da considerare. In questa logica è perfettamente consistente che di un'onda luminosa non si possano predicare contemporaneamente la posizione e lo stato. Che la rilevazione di una di queste due cose alteri anche l'altra.
Un'ulteriore conseguenza della quantistica, per quanto secondaria, mi ha sempre affascinato per il suo contenuto di disequilibrio: non solo l'uomo non è al centro dell'universo, dato che fino al livello delle sue molecole, che sono molti ordini di grandezza sotto l'estensione degli esseri umani, il comportamento dell'universo rimane inalterato. Alla dimensione dell'uomo, dei suoi organi, delle sue cellule, delle sue molecole la logica da applicare è quella del tertium non datur. E così pure passando a ordini di grandezza superiori al metro, al chilometro, al'Unità Astronomica o al parsec. Se un centro dell'universo deve per forza essere trovato, cioè un punto di soglia fra il piccolo e il grande, allora questo punto potrebbe essere posto, in modo non ambiguo, nel punto in cui i fenomeni quantistici iniziano ad essere rilevabili. In questo modo si sarebbe portati a chiamare in modo non soggettivo piccolo qualsiasi concetto sottoposto a logica quantistica e grande qualsiasi concetto sottoposto a logica aristotelica. Senza necessità di concepire entrambi i termini come "relativi a corpi differenti" ma in sé.