I fisici teorici hanno proposto una nuova soluzione al paradosso del gatto di Schrödinger, che potrebbe consentire alle teorie della meccanica quantistica e della relatività di Einstein di convivere in migliore armonia.
La "sovrapposizione" della meccanica quantistica
La teoria della fisica quantistica postula un universo dove le entità fisiche possono esistere in uno stato di sovrapposizione, indicando che possono occupare più stati simultaneamente. Questo concetto, apparentemente paradossale, implica che un oggetto può trovarsi in più posizioni o avere diverse proprietà contemporaneamente, fino a quando non viene misurato o interagisce con un sistema esterno, momento in cui si verifica ciò che viene comunemente definito come "collasso della funzione d'onda".
Il paradosso del gatto di Schrödinger
Il celebre paradosso del gatto di Schrödinger, introdotto nel 1935, rappresenta in modo pungente questa idea. Immagina un gatto intrappolato in una scatola sigillata con una sostanza radioattiva che potrebbe o non potrebbe decadere in un dato intervallo di tempo, determinando se il gatto sia vivo o morto. Fino a quando la scatola non viene aperta e il gatto osservato, la teoria quantistica suggerisce che esso esiste in una sovrapposizione di stati, cioè sia vivo e morto contemporaneamente, fino a quando non si verifica l'atto di osservazione.
Einstein: l'antagonista della "favola quantistica"
Tuttavia, quando si tenta di estendere questi principi al mondo macroscopico, sorgono notevoli sfide concettuali. Sebbene la fisica quantistica governi il regno delle particelle elementari con grande successo, gli oggetti di dimensioni macroscopiche, soggetti alle leggi della relatività generale di Einstein, si comportano in modo deterministico e non mostrano mai un comportamento quantistico come la sovrapposizione di stati. Questo fenomeno è noto come il limite di decoerenza, dove le interazioni con l'ambiente circostante distruggono rapidamente le delicate sovrapposizioni quantitative.
Inoltre, applicare di applicare i principi della fisica quantistica all'intero universo presenta ulteriori interferenze. Poiché il cosmo stesso sembra seguire le leggi della fisica classica e non dispone di un osservatore esterno che possa agire come dispositivo di misurazione, la questione del collasso della funzione d'onda diventa astratta e problematica. In altre parole, non c'è nulla al di fuori dell'universo che possa misurarlo e determinare il suo stato definitivo.
La grande domanda sull'Universo
"La domanda è: può l'Universo, che non ha un ambiente circostante, trovarsi in una tale sovrapposizione?" L'autore principale Matteo Carlesso, fisico teorico dell'Università di Trieste in Italia, ha dichiarato a WordsSideKick.com in una e-mail. "Le osservazioni dicono di no: tutto segue le previsioni classiche della Relatività Generale. Allora, cosa rompe una tale sovrapposizione?"
"Modifiche specifiche dell'equazione di Schrödinger possono risolvere il problema", ha detto Carlesso. In particolare, il team ha aggiunto termini all'equazione che catturavano il modo in cui il sistema interagisce con se stesso, oltre ad aggiungere altri termini specifici. Ciò a sua volta porta alla rottura della sovrapposizione.
"Tali effetti sono più forti quanto più grande è il sistema", ha aggiunto Carlesso.
Fondamentalmente, queste modifiche hanno un impatto minimo sui sistemi quantistici microscopici, come atomi e molecole, ma consentono a sistemi più grandi – come l'universo stesso – di collassare a intervalli frequenti, conferendo loro valori definiti che si adattano alle nostre osservazioni del cosmo. Il team ha descritto l'equazione di Schrödinger modificata a febbraio sul Journal of High Energy Physics.
Portare il gatto fuori dal purgatorio
Nella loro versione modificata della fisica quantistica, i ricercatori hanno eliminato la distinzione tra oggetti soggetti a misurazione e dispositivi di misurazione. Invece, hanno proposto che lo stato di ciascun sistema subisca un collasso spontaneo a intervalli regolari, portando all'acquisizione di valori definiti per alcuni dei suoi attributi.
Per i sistemi di grandi dimensioni, il collasso spontaneo si verifica frequentemente, rendendoli di aspetto classico. Gli oggetti subatomici che interagiscono con questi sistemi ne diventano parte, portando al rapido collasso del loro stato e all'acquisizione di coordinate definite, simili alla misurazione.
"Senza alcuna azione da parte di entità esterne, qualsiasi sistema si localizza (o collassa) spontaneamente in uno stato particolare. Invece di avere un gatto morto E vivo, lo si trova morto O vivo", ha detto Carlesso.
Il nuovo modello potrebbe spiegare perché la geometria spazio-temporale del nostro universo non esiste in una sovrapposizione di stati e obbedisce alle equazioni classiche della relatività di Einstein.
La chiave per la Teoria del Tutto
"Il nostro modello descrive un universo quantistico, che alla fine collassò diventando così effettivamente classico", ha detto Carlesso. "Mostriamo che i modelli di collasso spontaneo possono spiegare l'emergere di un universo classico da una sovrapposizione quantistica di universi, in cui ciascuno di questi universi ha una geometria spazio-temporale diversa."
Sebbene questa teoria possa spiegare perché l'universo sembra essere governato dalle leggi classiche della fisica, non fa nuove previsioni sui processi fisici su larga scala.
Tuttavia, fa previsioni su come si comporteranno gli atomi e le molecole, anche se con deviazioni minime dalla meccanica quantistica convenzionale.
Di conseguenza, testare il loro modello quantistico modificato non sarà così semplice. Il lavoro futuro sarà finalizzato a elaborare tali test.
"Insieme ai collaboratori sperimentali, stiamo cercando di testare gli effetti delle modifiche del collasso o di ricavare limiti sui loro parametri. Ciò è del tutto equivalente a testare i limiti della teoria quantistica."