Paradosso del gatto di Schrödinger

La struttura dell'apparato sperimentale. Si vede come il gatto sia contemporaneamente sia vivo che morto.

Il paradosso del gatto di Schrödinger è un esperimento mentale ideato da Erwin Schrödinger allo scopo di dimostrare come l'interpretazione classica della meccanica quantistica (Interpretazione di Copenaghen) risulta incompleta quando deve descrivere sistemi fisici in cui il livello subatomico interagisce con il livello macroscopico.

Fondamenti

« Si possono anche costruire casi del tutto burleschi. Si rinchiuda un gatto in una scatola d’acciaio insieme alla seguente macchina infernale (che occorre proteggere dalla possibilità d’essere afferrata direttamente dal gatto): in un contatore Geiger si trova una minuscola porzione di sostanza radioattiva, così poca che nel corso di un’ora forse uno dei suoi atomi si disintegrerà, ma anche, in modo parimenti probabile, nessuno; se l'evento si verifica il contatore lo segnala e aziona un relais di un martelletto che rompe una fiala con del cianuro. Dopo avere lasciato indisturbato questo intero sistema per un’ora, si direbbe che il gatto è ancora vivo se nel frattempo nessun atomo si fosse disintegrato, mentre la prima disintegrazione atomica lo avrebbe avvelenato. La funzione $\Psi$ dell’intero sistema porta ad affermare che in essa il gatto vivo e il gatto morto non sono stati puri, ma miscelati con uguale peso. »

(Erwin Schrödinger)

Dopo un certo periodo di tempo il gatto ha la stessa probabilità di essere morto quanto l'atomo di essere decaduto. Visto che fino al momento dell'osservazione l'atomo esiste nei due stati sovrapposti, anche il gatto resta sia vivo sia morto fino a quando non si apre la scatola, ossia non si compie un'osservazione.

In pratica una particella elementare possiede la capacità di collocarsi in diverse posizioni e anche di esser dotata di quantità d'energia diverse al medesimo istante. Per quanto "assurde" secondo il nostro modo di pensare, queste strane proprietà della materia e dell'energia corrispondono alla realtà del mondo dei quanti. Le particelle subatomiche sono "delocalizzate" nello spazio e nel moto, per cui, fra un'osservazione e l'altra, si comportano come se stessero in più luoghi contemporaneamente. Solo quando una particella delocalizzata viene osservata con un esperimento che, inevitabilmente, ne modifica il livello energetico, la quantità di moto e la posizione, essa verrà individuata con determinati valori delle proprie variabili tra i vari possibili.

Ritornando al caso del gatto, fino a quando l'atomo non si disintegra (e questo evento dipende unicamente dalla natura dell'atomo radioattivo scelto, quindi è un evento unicamente probabilistico), emettendo la particella che aziona il marchingegno letale, il gatto è sicuramente vivo; viceversa, al decadimento dell'atomo, il gatto va certamente incontro alla morte. Ma lo stato quantico dell'atomo è determinato dall'osservazione, e pertanto, se non si apre il contenitore, non risulta determinato neppure il destino dell'animale, che di conseguenza può essere considerato al contempo sia vivo sia morto. Il paradosso, solo apparente, sta proprio qui: è soltanto l'osservazione diretta che, alterando i parametri basali del sistema e determinando, come detto, lo stato quantico dell'atomo, attribuirà anche al gatto uno stato "coerente" con la nostra consueta realtà (si vedrà successivamente a proposito dell'interpretazione del paradosso che, secondo una corrente di pensiero, pur essendo valido in linea generale tale concetto, l'interazione di un elemento "quantistico" come l'atomo radioattivo con un apparato macroscopico come il contatore Geiger modifica fin dall'inizio la situazione).

È sempre stato così, solamente non ce ne siamo accorti fino al secolo scorso: nel mondo microscopico, ogni singola particella si comporta individualmente come delocalizzata. Viceversa, nel nostro universo macroscopico, le particelle singole, una volta aggregate in un insieme macroscopico, azzerano le singole posizioni individuali, ovvero un corpo macroscopico ha una risultante nulla delle singole proprietà delle particelle componenti, il che gli conferisce le "consuete proprietà". L'interazione reciproca delle singole particelle in una realtà macroscopica che ne annulla le proprietà quantistiche prende il nome di Decoerenza quantistica. Senza di essa nessuno potrebbe vedere, afferrare, pensare: in una parola il mondo così come lo conosciamo non esisterebbe.

Il paradosso del gatto nella realtà

L'esperimento del gatto, così come proposto da Schrödinger, non è mai stato messo in pratica. Tuttavia un esperimento analogo, egualmente basato sull'interazione tra un "oggetto" quantistico e un corpo macroscopico, è stato attuato immettendo un fotone in un cavo a fibra ottica. Il fotone gode di due stati quantici contemporaneamente, esattamente come la sostanza radioattiva citata da Schrödinger. Inserendo un secondo cavo a metà del primo perché intercetti il fotone e ne registri lo stato, avviene ciò che, come nel paradosso di Schrödinger, si chiama "compiere un'osservazione", e da quel momento la luce si troverà in uno solo dei due stati.

L'esperimento ha permesso tra l'altro di dimostrare che l'osservazione non deve necessariamente essere compiuta da un essere umano: in questo caso l'osservazione è stata compiuta dal secondo cavo e già in quel momento la realtà macroscopica ha interagito con quella quantica, obbligando quest'ultima a incanalarsi in uno dei due stati. Se l'uomo già sapesse che l'intercettazione è avvenuta, ma non ne avesse ancora letto il risultato, dovrebbe comunque concludere che in quel momento il fotone si trova già in uno dei due stati, anche se non sa ancora in quale dei due.

Interpretazione del paradosso

Come per l'interazione fra i due cavi descritta sopra, così, anche per l'esempio del gatto, diversamente da come era stato ipotizzato da Schrödinger, già l'interazione con il contatore Geiger obbligherebbe la sostanza radioattiva ad assumere uno solo dei due stati: il gatto, in quanto parte del mondo macroscopico, sarebbe quindi sempre o solo vivo o solo morto, anche se ovviamente l'osservazione umana è necessaria perché l'uomo sappia quale di questi due casi si sia effettivamente verificato.

Il paradosso del gatto fu inventato da Schroedinger per evidenziare che l’interpretazione di Copenhagen, proposta dal fisico danese Niels Bohr, aveva conseguenze insostenibili. La maggioranza dei fisici, però, continuò a seguire l’orientamento concettuale di Bohr. Si può persino vedere l’esempio del gatto come un’ottima illustrazione degli aspetti peculiari della meccanica quantistica, e usare anche in altri ambiti la visione filosofica sottostante all’interpretazione di Copenhagen.

Il paradosso del gatto nella cultura popolare

• Schrodinger's Cat è il titolo di una canzone del gruppo inglese Tears for Fears appartenente all'album Saturnine Martial & Lunatic.
• Il gatto di Schrödinger era il nome di una trasmissione radiofonica della Radiotelevisione Svizzera in lingua italiana a cura di Vincenzo Masotti, che prendeva il paradosso come simbolo delle incertezze date dalla ricerca scientifica.
• Al gatto di Schrödinger si riferisce il titolo del romanzo di fantascienza Il gatto che attraversa i muri di Robert A. Heinlein. Nel romanzo stesso è presente un gatto "delocalizzato" in grado di passare dall'una all'altra parte del muro grazie a un balzo quantico.
• Una situazione del tutto simile accade al protagonista del libro Il risveglio di Endymion di Dan Simmons, rinchiuso in una navicella e condannato a morte.
• Il paradosso è citato nel romanzo Sabato di Ian McEwan, per descrivere una situazione di incertezza vissuta dal protagonista.
• Paradosso del gatto di Schrödinger è il titolo di un romanzo del pittore Lodovico Mancusi, edizioni Il Filo, 2008.
• Il gatto di Schroedinger è il titolo di un racconto contenuto nella raccolta di Ursula K. Le Guin La rosa dei venti (Editrice Nord, 1984).
• Il paradosso del gatto trova applicazione nel racconto Il gattino di Schrödinger (Schrödinger's Kitten) di George Alec Effinger (in Cuori elettrici Einaudi Stile Libero 1996) che ha vinto nel 1988 i premi più importanti della fantascienza: Hugo e Nebula.
• Il paradosso del gatto è citato nel film A Serious Man dei fratelli Coen.
• Il paradosso del gatto di Schrödinger è citato in una puntata di Star Trek: Voyager per dare un esempio della fisica quantistica ad un'altra forma di vita (questa forma di vita la definisce fisica "errata" per il fatto che nel nostro universo una forma di vita non può essere sia viva che morta in uno stesso punto dello spazio-tempo, anche se viene comunque studiata da questa forma di vita).
• Il paradosso del gatto di Schrödinger è citato nell'episodio 17 della prima stagione di The Big Bang Theory da Sheldon per spiegare come il primo appuntamento possa essere una situazione positiva e negativa.
• Il paradosso del gatto di Schrödinger è citato in una vignetta di Cyanide and Happiness disegnata da Matt Melvin e pubblicata il 7 luglio 2007.
• Il paradosso del gatto di Schrödinger è citato in alcuni episodi della serie animata giapponese Noein; in uno in particolare Amamiku spiega alla protagonista Haruka come lei in quel momento sia l'osservatore che definisce l'esistenza in vita o meno del suo amico Yu Goto, trascinandola fuori dalla stanza.
• Il paradosso del gatto di Schrödinger è citato da McGee nella puntata n. 19 della quarta serie di NCIS, dal titolo Scrupoli. Infatti, in quella puntata, un terrorista suicida si credeva che non fosse morto. Per questo motivo, McGee, che è il cervellone della squadra, cita questo paradosso spiegandolo a Ziva, anche se lei ovviamente non riuscì a comprenderlo.
• Il paradosso del gatto di Schrödinger è citato nel numero 125 di Dylan Dog intitolato Tre per Zero e nel numero 240 intitolato Ucronia da uno scienziato che dice di aver scoperto che tre per zero fa tre e non zero per poter spiegare la sovrapposizione di due mondi.
• Il paradosso è citato nel 9º Viaggio di Capitan Harlock Amico Mio, alla fine dei meandri oscuri dell'anima durante una dettagliata anche se breve descrizione della nascita dell'universo.
• Il paradosso è citato all'inizio del fantathriller Repo Men (2010) di Miguel Sapochnik.
• Il paradosso è citato nel libro Avanti nel tempo (Flashforward) di Robert J. Sawyer (e anche in un episodio dell'omonima serie televisiva): il fisico Simon Campos ne utilizza l'esempio per spiegare come due eventi futuri siano ugualmente probabili a un dato momento.
• Il paradosso è citato nella serie televisiva Numb3rs, prima stagione, ottava puntata.
• Il paradosso è citato nel 10° volume del manga giapponese Hellsing; è presente un personaggio chiamato Schrödinger, in grado di essere, allo stesso tempo, ovunque e in nessun posto.
• Il paradosso è citato nella serie televisiva del 2009 Defying Gravity - Le galassie del cuore, prima ed unica stagione, ottava puntata, quando l'astronauta Wassenfelder, fisico, durante un'emergenza a bordo dell'astronave (una tempesta solare radioattiva), che costringe l'equipaggio in un rifugio, descrive ai suoi compagni che per il controllo missione, situato a milioni di chilometri di distanza (sulla terra), in mancanza di comunicazioni dovuta alla tempesta solare stessa, l'equipaggio sia per loro contemporaneamente vivo e morto.
• Il paradosso è citato in una puntata di Stargate SG-1 per spiegare la meccanica quantistica ad un extraterrestre, il quale risponde di aver studiato l'argomento in un corso elementare riguardante i concetti fisici errati. La loro civiltà, infatti, ha già superato la meccanica quantistica ma egli non può rivelare nulla, in quanto, disponendo di tali conoscenze, potremmo fare del male a noi stessi o ad altri.
• Nel videogioco BioShock 2, nel livello Dionysus Park è presente un gatto, chiamato appunto Schrödinger, congelato all'interno di un blocco di ghiaccio.
• Il paradosso è citato nel telefilm Six Feet Under nella prima puntata della terza serie, viene nominato in un telefilm che sta guardando uno dei protagonisti Nathaniel Samuel Fisher Jr.
• Nell'episodio Il viaggiatore del manga di Oh! Mia Dea (volume 18) il paradosso da spunto alla creazione della "Balena di Schroedinger".
• Il paradosso viene citato su The Amazing Spider-Man (vol 2) 58 del novembre 2003 nella storia Buon Compleanno parte 2 mentre l'Uomo Ragno parla con il Dr. Strange.
• Il paradosso viene citato da Scarlett Thomas in Che fine ha fatto Mr Y.
• Schrödinger's Cat è una carta creatura del gioco online Elements. La sua abilità principale "Dead and Alive", se attivata, scatena tutti gli effetti correlati alla morte d'una creatura ma "Schrödinger's Cat" non muore realmente.
• Il paradosso viene citato nella visual novel Umineko no naku koro ni.
• Nei fumetti viene citato anche nell'edizione italiana di Spider-Man 549.
• Il Gatto di Schrödinger è anche citato due volte nell'anime To aru majutsu no index.
• Il Gatto di Schrödinger è anche citato nel romanzo Limit di Frank Schätzing.
• Nel romanzo Dirk Gently. Agenzia di investigazione olistica di Douglas Adams, l'investigatore racconta di essere stato ingaggiato dallo stesso Schrödinger per ritrovarne il gatto che, all'apertura della scatola, risultava né vivo né morto ma scomparso.
• Citazione nel commento di Dr. Who 6ª stagione episodio 2: "Il giorno della luna".
• Il gatto di Schrödinger è uno spettacolo teatrale rappresentato dalla compagnia Foravia, tratto dal romanzo di L. Licalzi "Cosa ti aspetti da me".
• Il paradosso è citato in Bones III stagione ep.15
• Nel videogioco di esplorazione del sottosuolo (dungeon crawling) NetHack un particolare tipo di mostro, il Quantum mechanic, può trasportare una scatola grande. Se il giocatore ottiene questo oggetto e lo apre, viene generato un gatto domestico di nome "Schroedinger's Cat", che ha un 50% di probabilità di essere vivo o morto. Lo stato del gatto non è determinato fin quando non è aperta la scatola.
• L'esperimento condotto dal fisico e matematico austriaco è ripreso da J. Michael Straczynski nel fumetto Thor, quando Donald Blake viene catapultato fuori dal corpo del suo alter ego, il dio norreno.

Voci correlate

• Interpretazioni della meccanica quantistica
• Collasso della funzione d'onda
• Paradosso dell'amico di Wigner

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Collegamenti esterni

Il problema della macro-oggettivazione

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