La MQ mette davvero in crisi la fisica?
Inviato: 28/02/2017, 10:20
Ogni volta che leggo un articolo sulla meccanica quantistica, anche divulgativo, mi pare che restiamo sempre fermi alle origini: le stesse interpretazioni e lo stesso clima di mistero. Quasi mai sono dovutamente considerati gli sviluppi avvenuti nella fisica negli ultimi dieci anni.
La Meccanica Quantistica è presentata come la pietra tombale della fisica che conosciamo e la nostra visione della realtà è messa in discussione alle fondamenta. In particolare paiono inevitabili azioni a distanza e la possibilità di eventi senza causa specifica.
Ma è proprio così? La MQ deve per forza essere bizzarra?
Un brevissimo confronto tra fisica classica e MQ potrebbe essere utile per focalizzare alcuni concetti.
La Fisica Classica studia il moto dei corpi e i campi. Si impiegano teorie basate sulle leggi di conservazione dell'energia e dei momenti come la Lagrangiana e le equazioni di Maxwell. Le variabili sono locali e deterministiche. Ad esempio la posizione in una dimensione x è rappresentata da un singolo numero.
La Fisica Classica studia anche il comportamento collettivo di insiemi di elementi.
In questo caso possiamo ritenere le teorie come emergenti, cioè non ricavabili (in pratica) dalle leggi che governano il moto dei singoli componenti, ma che emergono come proprietà autonome del sistema. Esempi: a) Moto dei fluidi ( Equazioni di Navier-Stokes); b) Termodinamica (Primo principio e secondo principio). In queste teorie le equazioni sono strettamente deterministiche, ma le variabili sono statistiche e non locali. Esempi di tali variabili sono la velocità media e la densità nel moto dei fluidi, la temperatura e la pressione in termodinamica. Si può constatare, ad esempio, che non ha senso parlare di densità o di pressione riferendosi ad un punto nello spazio in cui è presente una singola particella o addirittura nessuna.
La Meccanica Quantistica si basa sulla funzione d’onda di Schroedinger o sulle matrici di Heisemberg che, grosso modo, sono equivalenti.
Le variabili hanno carattere statistico e non locale. Ad esempio il numero derivante dalle formule non fornisce l'esatta posizione, ma rappresenta solo la probabilità di trovare una particella in una certa zona.
Si possono considerare due punti di vista per spiegare la MQ
Punto di vista dominante
La MQ è fondamentale e completa. Sotto non c'è niente.
Ci sono proprietà particolari esistenti solo nella MQ:
- dualismo onda-particella e decoerenza,
- sovrapposizione stati (gatto Schroedinger),
- entanglement quantistico (azione a distanza),
- non esistenza delle traiettorie.
Giustificazioni. Negli esperimenti le particelle elementari verificano le disuguaglianze di Bell come previsto dalla MQ. Questo fatto indica l'impossibilità dell'esistenza di variabili nascoste cioè di una realtà sottostante alla MQ
Punto di vista alternativo
La QM è una teoria emergente. Le variabili della QM hanno carattere statistico e non locale perché emergono da una realtà sottostante che obbedisce a regole valide per enti che operano a scale inferiori.
Indizi (I nomi dei ricercatori citati e le date non si riferiscono a lavori specifici, ma sono spunti per approfondimenti).
1) Equazione di Schroedinger come teoria emergente.
La teoria quantistica dei campi (QFT) che è uno sviluppo da tutti accettato della MQ afferma che allo zero assoluto il campo elettromagnetico possiede ancora energia (campo di punto zero - Zero Point Field ZPF) e può generare o annichilire particelle. Facendo alcune ragionevoli ipotesi sulle proprietà dello ZPF è possibile ricavare l'equazione di Schroedinger con procedimenti statistici che si basano solo sulla fisica classica. Una volta ricavata tale equazione, la teoria emergente gode di tutti i successi della MQ. (G. Cavalleri 2005).
2) Problema della contestualità in Bell.
I rilevatori impiegati nelle esperienze per dimostrare le diseguaglianze di Bell sono separati e quindi il settaggio iniziale è necessariamente diverso. Ne consegue che i risultati non possono essere confrontati pensando che appartengano allo stesso universo statistico. Quindi il calcolo della disuguaglianza non dà indicazioni decisive sull'esistenza delle variabili nascoste o sulle loro caratteristiche. (Th. M. Nieuwenhuizen, 2012)
3) Entanglement classico.
Cosa accade applicando le leggi di Fresnell dell'ottica classica e le equazioni di Maxwell ad un raggio di luce che attraversa uno specchio semi riflettente che lascia passare il 50℅ della luce e riflette l'altro 50℅? Con un po' di matematica la soluzione è ottenibile. La sorpresa sta nel constatare che le rilevazioni delle polarizzazioni sono correlate come nella MQ; in pratica i raggi di luce sono entangled e verificano la diseguaglianza di Bell pur essendo stati trattati in modo interamente classico (Xiao-Feng qian, 2011). Entanglement quantistico e entanglement classico sono diversi perché appartengono a teorie diverse, ma se le caratteristiche sono uguali possiamo dire che sono cose diverse? Si deduce che la MQ implica le disequazioni di Bell, ma queste possono derivare anche da trattazioni classiche.
4) Rilevazione debole (Weak measurements)
Con la strumentazione moderna molto sensibile si può misurare il momento di una particella senza modificarne in modo distruttivo la posizione. Eseguendo molte misurazioni in posizioni diverse è possibile ricostruire la traiettoria media delle particelle. Ad esempio nell'esperienza della doppia fenditura si vede che la particella passa intera da una sola fenditura. Per inciso, la sua traiettoria è in accordo con la teoria dell'onda pilota di Bohm. (R. Flack, B J Hiley, 2014). Se esistono veramente le traiettorie allora la MQ è incompleta.
5) Le goccioline rimbalzanti ( bouncing droplet )
In un liquido posto in vibrazione si formano delle goccioline sferiche che camminano sulla superficie del fluido. Il moto di queste goccioline, pur appartenendo interamente alla fisica classica ha strette analogie con il moto delle particelle descritto della MQ. Le goccioline presentano diffrazione, effetto tunnel, orbite quantizzate ecc. Ciò dimostra che queste proprietà possono emergere da organizzazioni sottostanti di atomi o molecole e che non sono esclusive della MQ. (Yves Couder, 2005)
Conclusione
Le prove che la MQ sia l’unico punto di partenza della fisica e che di più fondamentale non ci sia nulla sta solo in un teorema che afferma l’impossibilità di andare oltre (disequazioni di Bell), ma questo teorema e le sue conseguenze presentano delle serie difficoltà a cui si è fatto cenno.
Allora perché accettare posizioni per cui non si può andare oltre la MQ anche se stridono con il mondo che noi conosciamo? Perché non lasciare la porta aperta ad altre possibilità come quelle indicate dagli indizi che la QM sia una teoria emergente? Vedasi ad esempio i convegni EmQm13 e EmQm15 di Vienna
Considerare la MQ come teoria emergente toglierebbe molti argomenti ai cultori delle pseudo scienze che prendendo a pretesto l’entanglement quantistico o l’azione a distanza parlano di anima cosmica, coscienza universale, spirito immanente ecc.
Oscar
La Meccanica Quantistica è presentata come la pietra tombale della fisica che conosciamo e la nostra visione della realtà è messa in discussione alle fondamenta. In particolare paiono inevitabili azioni a distanza e la possibilità di eventi senza causa specifica.
Ma è proprio così? La MQ deve per forza essere bizzarra?
Un brevissimo confronto tra fisica classica e MQ potrebbe essere utile per focalizzare alcuni concetti.
La Fisica Classica studia il moto dei corpi e i campi. Si impiegano teorie basate sulle leggi di conservazione dell'energia e dei momenti come la Lagrangiana e le equazioni di Maxwell. Le variabili sono locali e deterministiche. Ad esempio la posizione in una dimensione x è rappresentata da un singolo numero.
La Fisica Classica studia anche il comportamento collettivo di insiemi di elementi.
In questo caso possiamo ritenere le teorie come emergenti, cioè non ricavabili (in pratica) dalle leggi che governano il moto dei singoli componenti, ma che emergono come proprietà autonome del sistema. Esempi: a) Moto dei fluidi ( Equazioni di Navier-Stokes); b) Termodinamica (Primo principio e secondo principio). In queste teorie le equazioni sono strettamente deterministiche, ma le variabili sono statistiche e non locali. Esempi di tali variabili sono la velocità media e la densità nel moto dei fluidi, la temperatura e la pressione in termodinamica. Si può constatare, ad esempio, che non ha senso parlare di densità o di pressione riferendosi ad un punto nello spazio in cui è presente una singola particella o addirittura nessuna.
La Meccanica Quantistica si basa sulla funzione d’onda di Schroedinger o sulle matrici di Heisemberg che, grosso modo, sono equivalenti.
Le variabili hanno carattere statistico e non locale. Ad esempio il numero derivante dalle formule non fornisce l'esatta posizione, ma rappresenta solo la probabilità di trovare una particella in una certa zona.
Si possono considerare due punti di vista per spiegare la MQ
Punto di vista dominante
La MQ è fondamentale e completa. Sotto non c'è niente.
Ci sono proprietà particolari esistenti solo nella MQ:
- dualismo onda-particella e decoerenza,
- sovrapposizione stati (gatto Schroedinger),
- entanglement quantistico (azione a distanza),
- non esistenza delle traiettorie.
Giustificazioni. Negli esperimenti le particelle elementari verificano le disuguaglianze di Bell come previsto dalla MQ. Questo fatto indica l'impossibilità dell'esistenza di variabili nascoste cioè di una realtà sottostante alla MQ
Punto di vista alternativo
La QM è una teoria emergente. Le variabili della QM hanno carattere statistico e non locale perché emergono da una realtà sottostante che obbedisce a regole valide per enti che operano a scale inferiori.
Indizi (I nomi dei ricercatori citati e le date non si riferiscono a lavori specifici, ma sono spunti per approfondimenti).
1) Equazione di Schroedinger come teoria emergente.
La teoria quantistica dei campi (QFT) che è uno sviluppo da tutti accettato della MQ afferma che allo zero assoluto il campo elettromagnetico possiede ancora energia (campo di punto zero - Zero Point Field ZPF) e può generare o annichilire particelle. Facendo alcune ragionevoli ipotesi sulle proprietà dello ZPF è possibile ricavare l'equazione di Schroedinger con procedimenti statistici che si basano solo sulla fisica classica. Una volta ricavata tale equazione, la teoria emergente gode di tutti i successi della MQ. (G. Cavalleri 2005).
2) Problema della contestualità in Bell.
I rilevatori impiegati nelle esperienze per dimostrare le diseguaglianze di Bell sono separati e quindi il settaggio iniziale è necessariamente diverso. Ne consegue che i risultati non possono essere confrontati pensando che appartengano allo stesso universo statistico. Quindi il calcolo della disuguaglianza non dà indicazioni decisive sull'esistenza delle variabili nascoste o sulle loro caratteristiche. (Th. M. Nieuwenhuizen, 2012)
3) Entanglement classico.
Cosa accade applicando le leggi di Fresnell dell'ottica classica e le equazioni di Maxwell ad un raggio di luce che attraversa uno specchio semi riflettente che lascia passare il 50℅ della luce e riflette l'altro 50℅? Con un po' di matematica la soluzione è ottenibile. La sorpresa sta nel constatare che le rilevazioni delle polarizzazioni sono correlate come nella MQ; in pratica i raggi di luce sono entangled e verificano la diseguaglianza di Bell pur essendo stati trattati in modo interamente classico (Xiao-Feng qian, 2011). Entanglement quantistico e entanglement classico sono diversi perché appartengono a teorie diverse, ma se le caratteristiche sono uguali possiamo dire che sono cose diverse? Si deduce che la MQ implica le disequazioni di Bell, ma queste possono derivare anche da trattazioni classiche.
4) Rilevazione debole (Weak measurements)
Con la strumentazione moderna molto sensibile si può misurare il momento di una particella senza modificarne in modo distruttivo la posizione. Eseguendo molte misurazioni in posizioni diverse è possibile ricostruire la traiettoria media delle particelle. Ad esempio nell'esperienza della doppia fenditura si vede che la particella passa intera da una sola fenditura. Per inciso, la sua traiettoria è in accordo con la teoria dell'onda pilota di Bohm. (R. Flack, B J Hiley, 2014). Se esistono veramente le traiettorie allora la MQ è incompleta.
5) Le goccioline rimbalzanti ( bouncing droplet )
In un liquido posto in vibrazione si formano delle goccioline sferiche che camminano sulla superficie del fluido. Il moto di queste goccioline, pur appartenendo interamente alla fisica classica ha strette analogie con il moto delle particelle descritto della MQ. Le goccioline presentano diffrazione, effetto tunnel, orbite quantizzate ecc. Ciò dimostra che queste proprietà possono emergere da organizzazioni sottostanti di atomi o molecole e che non sono esclusive della MQ. (Yves Couder, 2005)
Conclusione
Le prove che la MQ sia l’unico punto di partenza della fisica e che di più fondamentale non ci sia nulla sta solo in un teorema che afferma l’impossibilità di andare oltre (disequazioni di Bell), ma questo teorema e le sue conseguenze presentano delle serie difficoltà a cui si è fatto cenno.
Allora perché accettare posizioni per cui non si può andare oltre la MQ anche se stridono con il mondo che noi conosciamo? Perché non lasciare la porta aperta ad altre possibilità come quelle indicate dagli indizi che la QM sia una teoria emergente? Vedasi ad esempio i convegni EmQm13 e EmQm15 di Vienna
Considerare la MQ come teoria emergente toglierebbe molti argomenti ai cultori delle pseudo scienze che prendendo a pretesto l’entanglement quantistico o l’azione a distanza parlano di anima cosmica, coscienza universale, spirito immanente ecc.
Oscar