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Multimondo: una realtà prevista dalla fisica quantistica, di Giuseppe Vatinno
Tecnoscienza - Varie

multiverse construct iii
©2009 K Stephen Griffith "Multiverse Construct III"

La meccanica quantistica (in seguito mq) è ben nota per fornire risultati contrari a quello che è il senso comune, ed in questo è  in buona compagnia con la Relatività, sia ristretta che generale, di Albert  Einstein.

La mq nacque praticamente con il nascere del secolo scorso e precisamente nel 1900 quando il fisico tedesco Max Planck, nel tentativo di spiegare il cosiddetto “problema del corpo nero” e di un fenomeno chiamato “catastrofe ultravioletta”, giunse ad una formulazione in cui la luce, come fenomeno elettromagnetico, veniva emessa ed assorbita per “quanti” o pacchetti di energia ben determinati.

In questa ottica quindi, la luce, ma anche la materia (come in seguito spiegò il fisico francese Luis De Broglie), veniva a possedere una doppia natura: ondulatoria e corpuscolare.

Quella ondulatoria è ben nota e riflette il fatto che la luce si propaga per onde luminose mentre quella corpuscolare si può arguire in alcuni esperimenti, come quello fotoelettrico (che, per inciso, valse il premio Nobel ad Einstein).

La luce è  dunque costituita sia da “palline” solide, cioè i fotoni, i “quanti” del campo  elettromagnetico che a volte si comportano però anche come onde.

Già da questo si capisce subito che la mq non è una teoria semplice, neppure per gli addetti ai lavori ma che comunque, al di là dei problemi teorici funziona e funziona bene, soprattutto nello spiegare il mondo dell’infinitamente piccolo.

Negli anni seguenti, la mq fu al centro dell’attenzione di tutto il dibattito della fisica teorica del tempo.

Nacquero così  delle formulazioni matematiche molto precise, molto dettagliate della mq che facevano ricorso a due metodi principali: uno è quello della cosiddetta equazione differenziale di Schroedinger e l’altro è quello della meccanica delle matrici di Heisemberg.

Si dimostra che i due metodi sono matematicamente equivalenti per descrivere la realtà fisica quantistica:si capì subito che la mq introduceva nell’edificio newtoniano della fisica classica il virus della incertezza di tipo probabilistico: infatti i calcoli fatti portano sempre ad una distribuzione di probabilità per i risultati attesi da una misura e mai ad un risultato certo ed a priori prevedibile con certezza.

La “Realtà”, veniva così a perdere la sua intelligibilità sia pur teorica, a livello microscopico.

Ad esempio, se si ha un atomo di idrogeno composto da un nucleo massiccio, il protone, ed un elettrone che gli ruota intorno e mi chiedo dove si troverà  questo elettrone in un dato istante giungo ad un risultato abbastanza paradossale: l’elettrone non si troverà in un punto ben determinato dello spazio che circonda il nucleo dell’atomo di idrogeno, ma si potrà trovare in tutta una serie di punti con una certa probabilità descritti dalla soluzione dell’equazione di Schroedinger, cioè dalla funzione d’onda (denominata con la lettera greca Ψ).

Insomma, la misura della posizione di un elettrone, data la sua velocità, non è  ben determinata ma si potrà trovare in un certo “range”  o intervallo di valori, ottenuti con opportune operazioni sulla funzione Ψ.

Ovviamente, nel cosiddetto limite classico, l’equazione d’onda si riduce a quella di Newton.

Quando poi, in mq, si cerca di misurare contemporaneamente due grandezze fisiche (dette “correlate”) come la quantità di moto (data dal prodotto della massa per la velocità) e la posizione, oppure il tempo e l’energia, ci si accorge che questa misura non potrà mai essere effettuata.

O meglio, a seconda della precisione con cui si misura una grandezza, vi è  una perdita di accuratezza nella misura della seconda.

Questo teorema fondamentale della mq prende il nome di principio di indeterminazione di Heisemberg.

Questo principio, dal punto di vista filosofico, ha conseguenze sconvolgenti: il fatto che non si possa sapere, ad esempio con certezza e contemporaneamente il valore  della posizione e della velocità di una particella atomica significa che, a livello quantistico, la “realtà” non ha l’aspetto “solido” che ben conosciamo a livello macroscopico ma, viceversa, assume i contorni sfumati di un’immagine continuamente ondeggiante sul fondo dell’oceano.

Questo perché, a livello microscopico, per misurare la posizione di una particella la devo “illuminare” almeno con un fotone che, essendo dello stesso ordine di grandezza, l’”urterà” , spostandola inevitabilmente dalla posizione iniziale e quindi, sempre a livello atomico, non si osserva la realtà ma la realtà dopo l’osservazione

Insomma, la “realtà”, a livello quantistico, non è mai ben determinata e si passa quindi dal determinismo della fisica di Newton all’indeterminismo della fisica di Heisemberg.

Gli studi sulla mq, sia dal punto di vista della fisica teorica che da quello della fisica sperimentale continuarono per tutto il novecento (e continuano tuttora).

Ma quello che ci interessa avvenne nel 1957 ad opera di un giovane fisico, Hugh Everett III  di Princeton, New Jersey, USA quando venne per la prima volta esplicitata scientificamente la cosiddette “Interpretazione a Molti Mondi” (“Many Worlds Intrpretation”, MWI).

Molti sono i fisici fautori della MWI, tra cui il celebre cosmologo inglese Steven Hawking.

Questa teoria afferma che  tutti i possibili “mondi quantistici” sono reali e non solo quello in cui viviamo e che osserviamo correntemente e nel quale la funzione d’onda quantistica è, come si dice tecnicamente, “collassata” (tramite il processo noto come “decoerenza”), probabilmente grazie alla presenza cosciente di un osservatore.

Quindi, tornando al nostro esempio precedente dell’elettrone in moto attorno al protone nell’atomo di idrogeno, la funzione d’onda soluzione della equazione di Schroedinger fornice tutta una serie di possibili “stati quantici”, caratterizzati da una ben determinata energia in cui l’elettrone può trovarsi (ovviamente la probabilità di trovare l’elettrone in qualche punto dell’orbita dell’atomo di idrogeno deve essere uguale ad 1, cioè se ne ha la certezza matematica).

Ma torniamo al set di stati quantici che vengono generati dalla funzione d’onda.

E’ evidente che un solo stato macroscopico sopravvive alla selezione di un osservatore cosciente e questo stato è quello della comune realtà macroscopica che osserviamo tutti i giorni.

Ma cosa ne è stato di tutti quegli altri stati virtuali in cui l’atomo di idrogeno poteva trovarsi?

Che fine hanno fatto?

Secondo l’interpretazione classica della mq (“detta della “Scuola di Copenaghen”) gli altri stati sono andati semplicemente perduti dopo il processo di osservazione.

Secondo invece l’interpretazione della mq di Everett tali stati non sono affatto andati perduti ma sopravvivono in un universo “parallelo” al nostro in cui le cose sono solo un po’ diverse (in quanto i “valori energetici” degli atomi sono diversi).

Insomma, i mondi paralleli della fantascienza, secondo questa autorevole interpretazione, non solo esistono, ma sono “compresenti” al nostro (sebbene non vi sia comunicazione evidente fra di essi).

E’ la coscienza dell’osservatore che provocando il continuo collasso della funzione d’onda in uno degli stati energetici possibili del sistema che, in un certo senso, “costruisce” letteralmente il mondo in cui viviamo.

Questo è  sconvolgente, non solo dal punto di vista della fisica, ma ancor di più lo è dal punto di vista della filosofia.

Non solo la realtà microscopica è indeterminata ma tale indeterminazione genera tutta una serie di altri universi che reclamano il loro diritto ad esistere se osservati- non meno del nostro!

Ogni punto di biforcazione quantistica, in cui ad esempio un elettrone sceglie (forzato dall’osservatore cosciente) un certo valore energetico tra quelli possibili, provoca uno “sdoppiamento” del “fotogramma” in cui la realtà cambia, sia pure impercettibilmente.

Ecco quindi che tutte le possibili combinazioni energetiche di tutte le particelle quantistiche esistono contemporaneamente in un vorticoso balletto in cui anche noi stessi siamo sdoppiati una, due, mille, un milione di volte.

Vi sono, ad esempio, mondi in cui la luna non ruota intorno alla Terra, oppure mondi in cui Giulio Cesare non è mai esistito.

Anche la stessa coscienza ci seguirà in questo assurdo moltiplicarsi di mondi e possibilità, ma noi saremo coscienti di un solo fotogramma: il nostro.

Questa struttura teorica che, è bene ripeterlo, è perfettamente legittimata scientificamente, apre la strada a più fantasiose interpretazioni: le realtà parallele possono interagire con il nostro mondo o meglio il nostro “unimondo”?

Allo stato attuale delle conoscenze, la linearità della teoria, implica una impossibilità di comunicare e di viaggiare tra i multiversi.

Tuttavia, i mondi non possono “interagire” ma potrebbero “interferire” (in mq sono due cose diverse).

In questo caso, l’interferenza, potrebbe avvenire tramite uno specifico esperimento che produca uno split della mente ma non del mondo.

Ideando una “macchina intelligente reversibile”, tramite la nanotecnologia reversibile e l’Intelligenza Artificiale, si può compiere un esperimento di misurazione quantistica dello spin del fotone, provocando, di fatto, uno split o separazione in due “fotogrammi”: uno in cui lo spin del fotone è “up” e l’altro è nello stato “down”.

In questo modo, sarebbe possibile verificare l’esistenza dei multimondi.

Se invece la funzione d’onda manifestasse effetti non lineari (attualmente, 2005, è verificata meglio di 1/10^27) si potrebbe invece comunicare e viaggiare nei multimondi.

Bibliografia

-Hugh Everett III "Relative State" Formulation of Quantum Mechanics Reviews of Modern Physics Vol 29 #3 454-462, (July 1957)  A condensation of [1] focusing on observation.
-Stephen W Hawking Black Holes and Thermodynamics Physical Review D Vol 13 #2 191-197 (1976)
-http://www.hedweb.com/manyworlds.htm

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Futurizzanti, il sito di Giuseppe Vatinno

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Picture credits: "Multiverse Construct III" di K Stephen Griffith, pubblicato col permesso dell'artista. Qui l'opera, sul sito di Griffith.

 

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