Le Stregatto Quantistico e l'ontologia delle proprietà

cheshire cat

Il gatto del Cheshire. Immagine tratta dal romanzo di Lewis Carroll, Alice nel paese delle meraviglie.

“È la cosa più curiosa che abbia mai visto prima!”, pensò Alice quando vide un gatto del Cheshire scomparire lasciando dietro di sé solo il suo sorriso. Con queste parole Lewis Carroll descrive l’evanescente gatto. L’episodio ha sollevato un vero e proprio rompicapo per fisici e filosofi: in che modo un oggetto può essere separato dalle sue proprietà? I fotoni sono “oggetti” nello stesso senso in cui lo sono sedie e gatti?

Cercherò di affrontare l’argomento con un linguaggio semplice, in modo da incuriosire anche chi non sa nulla di fisica quantistica e di ontologie analitiche – eh, sì, miei cari. Questo è l’humus con cui dobbiamo sporcarci le mani.

Comincio con la fisica. Esistono alcuni esperimenti abbastanza noti (almeno agli specialisti) sullo Stregatto. Il primo è stato pubblicato in un articolo intitolato Quantum Cheshire Cats, comparso sulla rivista New Journal of Physics, di cui ho parlato qui, e concerne la possibilità che un fotone possa essere separato dalla sua polarizzazione (una proprietà che indica la direzione in cui un’onda oscilla). Non molto tempo dopo un gruppo di ricercatori coordinato da Tobias Denkmayr ha applicato lo stesso principio per dimostrare che i neutroni possono essere separati dal momento angolare.

L’esperimento del team di Tobias Denkmayr. Dico qualcosa su questo secondo esperimento visto che non ne ho parlato altrove. Tobias Denkmayr della Vienna University of Technology e colleghi riferiscono nel paper di aver trovato una prima conferma sperimentale del gatto del Cheshire quantistico grazie alla tecnica della interferometria a neutroni.

Nell’apparato sperimentale usato da Denkmayr un fascio di neutroni è separato in due sottofasci, che si differenziano l’uno dall’altro per il loro stato di spin: nel primo fascio, i neutroni hanno spin orientato in direzione parallela a quella di propagazione; nel secondo, hanno direzione opposta. I due sottofasci vengono forzati a seguire due cammini diversi all’interno dell’interferometro e poi vengono ricombinati. Dopo la ricombinazione il fascio attraversa un filtro che lascia passare solo i neutroni con spin parallelo alla direzione del moto e, successivamente, è inviato al rivelatore. Questo processo si chiama post-selezione e consente di ottenere un fascio contenente neutroni con entrambe le direzioni di spin, ma – fate attenzione – solo quelli con spin parallelo al moto vengono rivelati.

Se ci si attiene alle indicazioni del rivelatore, dunque, è come se fossero presenti solo i neutroni del primo sottofascio. Come prevedibile, se si mette un filtro in grado di assorbire una piccola parte dei neutroni nel primo sottofascio il rivelatore finale ne conta di meno; mentre se il filtro stesso viene messo a intercettare il secondo sottofascio, il rivelatore non mostra differenze. Se invece si interviene con un magnete a modificare leggermente la direzione di spin dei neutroni nei due sottofasci, si verifica una fenomeno paradossale: lo spin dei neutroni del fascio finale, lo stesso che entra nel rivelatore, si modifica solo se il sottofascio influenzato dal magnete è il secondo, quello che non ha influenza sul conteggio dei neutroni finali. Il sistema si comporta come se le particelle fossero spazialmente separate dal loro spin. Per approfondire si può leggere l’articolo di Marco Malaspina su MediaInaf.

Lo Stregatto e il suo sorriso momentaneamente separati. Crediti: Leon Filter

Lo Stregatto e il suo sorriso, ovviamente separati. (Imagecredit: Leon Filter).

Quantum Cheshire Cat as simple quantum interference. Ora, un nuovo articolo comparso sul New Journal of Physics mette in discussione l’interpretazione dei risultati raggiunti congiuntamente dai due studi. Secondo questo recente studio i risultati ottenuti dagli articoli di cui sopra possono essere spiegati chiamando in causa un effetto quantistico standard, noto come interferenza quantistica, in cui una particella individuale interferisce con se stessa al livello delle proprietà ondulatorie che possiede. In questo senso sembra che le proprietà possano essere scisse dai loro soggetti ma non è così.

“La possibilità di separare una particella da una delle sue proprietà intrinseche, come suggerito da Aharonov e colleghi, è un’ipotesi piuttosto intrigante e richiama una convinzione del senso comune secondo la quale le proprietà delle cose sono inscindibili dalle cose stesse”, ha spiegato Raul  Corrêa a Phys.org.  Nessuno di noi vede il blu senza vedere un oggetto blu. La stessa regola sarebbe valida anche nello strano mondo dei quanti in cui è appunto la loro duplice natura, il loro essere onde e particelle insieme, a confermarcelo. Cosa significa? Innanzitutto che il concetto di realtà fisica non è qualcosa di già dato e ovvio. Nel momento in cui osserviamo una particella in un certo senso contribuiamo a definirne il destino e l’essenza, visto che a seconda del tipo di misurazione la rileveremo come onda oppure come particella.

Per spiegare la loro interpretazione gli scienziati hanno in breve richiamato l’interpretazione che Yakir Aharonov e Tobias Denkmayr avevano fornito dell’esperimento condotto con gli interferometri. Per capire di cosa stiamo parlando dovete almeno avere presente lo storico esperimento delle due fenditure – in cui un fascio di luce che passa attraverso due strette fenditure fra loro vicine forma figure d’interferenza su uno schermo posto dietro di esse – che portò a un duro dibattito fra Albert Einstein e Neils Bohr sulla natura della meccanica quantistica (ne ho parlato un po’ qui).

Se per Aharonov e Denkmayr in un braccio era passato il fotone e nell’altro la sua polarizzazione, per il team guidato da Raul Corrêa le cose non sono così semplici. Se infatti si tiene conto di una variabile per nulla trascurabile come l’interferenza quantistica si può almeno dubitare che questa spaccatura tra soggetto e proprietà avvenga davvero, soprattutto perché se in un qualunque esperimento della doppia fenditura si osserva la traiettoria di una particella, l’interferenza viene distrutta (principio di complementarità). La spiegazione dei fenomeni di interferenza osservati non è dunque univoca. Anzi, lo stregatto quantistico potrebbe essere un semplice fenomeno di interferenza.

Si può davvero distinguere tra soggetti e proprietà nel dominio quantistico? Non ne sono molto sicura, soprattutto perché l’ontologia dei fotoni non coincide con quella delle sedie e dei gatti. Al di là di queste complesse interpretazioni quantistiche che, mi rendo conto, restano fumose per chi non mastica molto la materia, è innegabile che ci siano profonde implicazioni filosofiche per quanto concerne lo statuto ontologico delle proprietà a ogni livello dell’ontologia delle cose che esistono. Ma per capire quali domande porci, come impostare i problemi e, soprattutto, per non commettere l’errore di usare un linguaggio comune per ontologie che non sono del tutto sovrapponibili – e che, per questo, hanno una loro grammatica concettuale propria – vi faccio un breve esempio per mostrare come lavora un ontologo (e spero di essere all’altezza).

Intuitivamente, quando si parla di oggetti come sedie, gatti, libri, si intende parlare di entità che si distinguono almeno per le seguenti caratteristiche. Si tratta di entità materiali, cioè corporee, concrete, accessibili all’esperienza. Posso osservare il computer con cui sto scrivendo, posso toccarlo, misurarlo, pesarlo, ma non posso fare queste cose con il contenuto astratto delle frasi che leggo sullo schermo. In secondo luogo, oggetti come il mio computer sono entità particolari, cioè con una collocazione nello spazio e nel tempo unica e irripetibile. Questo computer esiste  e in questo momento si trova nella mia stanza; la sua forma invece è una proprietà universale che si è già manifestata molte volte in passato e che in questo momento si ritrova anche in altri luoghi, per esempio in corrispondenza degli altri pc della stessa marca. Infine, proprio in quanto entità corporee estese nello spazio e durature nel tempo, gli oggetti materiali sono entità variamente qualificate, cioè dotate di proprietà molteplici e mutevoli.

Questo computer è pesante, pulito, di colore grigio scuro, e non è detto che non possa sporcarsi o rompersi senza per questo cessare di esistere. Per quanto sia secondo alcuni pensatori sufficiente, questa caratterizzazione intuitiva sia non è di per sé sufficiente a definire le coordinate metafisiche della categoria di oggetto materiale (per approfondire questi temi rinvio agli scritti di Achille Varzi).

Tutte queste considerazioni non valgono per i quanti. Ho fatto questo rapido accenno, certamente non completo, solo per farvi capire come si può impostare un ragionamento sull’esistenza degli oggetti materiali, ragionamento che ovviamente ci porta a distinguere gli oggetti dalle loro proprietà. Siamo davvero sicuri che le nostre teorie possano trattare lo spin di una particella a guisa del grigio del mio computer? Non credo proprio. L’ontologo, qualora decida di volgersi al dominio dei quanti, dovrà dotarsi di principi differenti ed adattare la propria grammatica alla natura probabilistica e fenomenica di questo ambito. Con ciò non intendo dire che i fotoni esistono solo se li guardo: queste sono banalizzazioni e bestialità filosofiche. Intendo dire che non si possono usare le stesse categorie logiche in entrambi i dominii – microcosmo e macrocosmo. Per questo motivo credo che l’interpretazione proposta da Raul Corrêa et alii. abbia un grado di plausibilità maggiore di quelle precedenti.

Fonte: http://phys.org/news/2015-06-quantum-cheshire-cat-effect-standard.html

Paper: Raul Corrêa, et alii., ‘Quantum Cheshire Cat’ as simple quantum interference, in “New Journal of Physics”: DOI: 10.1088/1367-2630/17/5/053042

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