Il paradosso del gatto di Schrodinger

"Quello che io vedo bianco, creda che sia nero, se la Chiesa gerarchica così stabilisce", recita una delle regole proposte da Sant'Ignazio di Loyola nei suoi esercizi spirituali, risalenti alla prima metà del '500. La regola ci può sembrare appartenere a un tempo a noi lontano; tuttavia, la possiamo trovare anche oggi in tutt'altro contesto: "Il gatto che io vedo vivo o morto, credo che sia vivo e morto contemporaneamente, se la Meccanica Quantistica così stabilisce".

Come mai ci viene chiesto un simile atto di fede da parte della fisica moderna? Per rispondere, conviene ricordare la vicenda del gatto in questione, così come è stata presentata dal fisico Erwin Schrodinger nel 1935. Un gatto viene rinchiuso in una scatola, insieme al seguente dispositivo: in un contatore Geiger c'è una minuscola quantità di sostanza radioattiva, così piccola, che nel corso di un'ora uno degli atomi può decadere e, con uguale probabilità, non decadere; se decade, il contatore si scarica e tramite un relè rilascia un martello che frantuma una fiaschetta di acido cianidrico; se non decade, non succede nulla. Se si lascia per un'ora la scatola chiusa, in base alle leggi della Meccanica quantistica il gatto si troverà nella sovrapposizione di essere ancora vivo se nel frattempo nessun atomo è decaduto, e di essere morto se invece un atomo è decaduto, causando la rottura della fiaschetta con il veleno.

Il motivo per cui Schrodinger presenta questo caso, che lui stesso definisce "ridicolo", e che è palesemente contrario al senso comune, è conseguenza del modo in cui la Meccanica quantistica descrive i fenomeni fisici. Agli inizi del '900 gli studi sul comportamento microscopico della materia evidenziarono proprietà che non si riuscivano a inquadrare nell'ambito della fisica classica, che si basa sul presupposto che la materia è formata da elementi rigidi soggetti a forze. Ad esempio, la Luna gira attorno alla Terra in virtù della forza di gravità, la stessa che fa cadere gli oggetti per terra. Per descrivere i nuovi fenomeni che oggi chiamiamo quantistici, invece, si dovette ricorrere a una descrizione di tipo ondulatorio: in un atomo, l'elettrone gira attorno al nucleo non come la luna gira attorno alla terra, ma come un'onda che avvolge il nucleo, un po' come una gelatina vibrante.

Fin qui nulla di strano, anche se rivoluzionario: il mondo microscopico pare essere fatto di onde, non di particelle rigide. Tuttavia, se si effettua una misura della posizione dell'elettrone, l'onda scompare e l'elettrone si presenta sempre perfettamente localizzato in un punto, come una particella.

Per conciliare questi due aspetti apparentemente contraddittori, la Meccanica quantistica ha escogitato la seguente soluzione, proposta dal fisico Max Born nel 1926: l'onda associata ad una particella quantistica non rappresenta direttamente la particella, ma fornisce la probabilità di trovarla in un punto dello spazio, se si effettua una misura della sua posizione; in particolare, è più probabile trovare la particella in quei punti dove l'onda ad essa associata è più grande.

La regola di Born è stata successivamente verificata da innumerevoli esperimenti. L'onda quindi non è fisica, non è reale come la gelatina, ma è un'onda matematica di probabilità che stabilisce come una particella si manifesta nello spazio se viene osservata.

Questa situazione pone almeno tre problemi che sono ancora oggetto di dibattito da parte dei fisici. Il primo problema è stato espresso molto chiaramente da Albert Einstein: egli era ben consapevole che noi non abbiamo una conoscenza diretta della natura se non attraverso le nostre osservazioni. Tuttavia, lo scopo della fisica non è descrivere le osservazioni, ma offrire una descrizione oggettiva della natura, così come emerge dalle nostre osservazioni, ma indipendente da esse.

Il secondo problema è l'amplificazione del primo, ed è il cuore della storia del gatto di Schrödinger. Nulla nella teoria vieta di estendere la descrizione quantistica al mondo macroscopico; quindi, come una particella microscopica non è da nessuna parte - più precisamente, non è legittimo pensare che sia da qualche parte - prima di compiere una misura, allo stesso modo non è legittimo pensare che il gatto nella scatola sia vivo o moro, finché la scatola non viene aperta per guardarvi dentro.

E poi c'è il terzo problema: la Meccanica Quantistica si riferisce solo agli esiti degli esperimenti di misura, alle osservazioni, ma non specifica cosa si intende esattamente per misura e osservazione, e non a caso: l'osservazione è un fenomeno estremamente complesso, dai contorni sfumati, non definibile con precisione. È come parlare di caldo e freddo: quello che è caldo per me, può non esserlo per te. Proprio in virtù di questa ambiguità di fondo, il concetto di osservazione o misura non può essere utilizzato per formulare una teoria fondamentale della natura, per la quale sono richiesti concetti ben definiti. La Meccanica quantistica invece si fonda su elementi mal definiti, e perciò non può essere una descrizione esatta della natura, seppur molto efficace.

Tornando dunque alla domanda iniziale, davvero dobbiamo rinunciare ad una descrizione oggettiva dei fenomeni fisici, come richiesto da Bohr? Davvero il gatto non è vivo o morto prima che la scatola venga aperta, come postulato dalla teoria? A leggere certe dichiarazioni, pare di sì. Ci si è spinti persino a scrivere che recenti esprimenti di fisica quantistica hanno dimostrato che la realtà oggettiva non esiste. Ma è davvero possibile dimostrarlo sperimentalmente? Naturalmente no. Certamente rimane ancora molto da capire. Einstein stesso, in merito, ebbe a dire: "Io sono fermamente convinto che lo sviluppo della fisica teorica sarà di questo tipo; ma il cammino sarà lungo e difficile".

Angelo Bassi è professore di Fisica all'Università degli Studi di Trieste