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FISICA DELLA COSCIENZA
MQ 14. «Interpretazioni della Meccanica Quantistica»

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La meccanica quantistica fornisce molte informazioni sulla realtà e permette di spiegare dei fenomeni altrimenti inspiegabili con la fisica classica. Non è un lusso di cui si può fare a meno ma una teoria fisica indispensabile per comprendere ciò che ci circonda. Ma qual è il quadro di riferimento generale a cui la meccanica quantistica riconduce? Quale tipo di realtà viene in effetti descritta? Su questo non c'è alcun accordo e qui nascono le molteplici interpretazioni che andremo di seguito a conoscere.



"ZITTO E CALCOLA"


Il concetto espresso dalla frase "Zitto e calcola" è il punto di vista pragmatico di molti fisici, non è una vera e propria interpretazione, ma semplicemente l'idea che la fisica non si debba occupare di questioni ontologiche (riguardanti cioè l'essenza della realtà). Sebbene la frase venga spesso attribuita a Richard Feynman, è stata coniata dal meno noto fisico americano David Mermin ("Shut up and calculate!").

Si parla a questo proposito di "Interpretazione Strumentalistica", intendendo con questa definizione che non è necessario che le ipotesi formulate siano vere o verosimili, ciò che è importante è che siano degli utili strumenti per effettuare delle previsioni. La meccanica quantistica utilizza i teoremi più avanzati dell'algebra lineare per calcolare la probabilità statistica del risultato di un esperimento ed è molto efficace in questo.


FORMALISMO MATEMATICO


I possibili stati di un sistema quantistico sono, matematicamente, dei "vettori di stato" di uno "spazio di Hilbert" (rappresentano le "funzioni d'onda"). Le grandezze osservabili (posizione, velocità, energia, ecc...) sono dei cosiddetti "operatori autoaggiunti". I valori che possono assumere queste grandezze, quando vengono effettivamente misurate, sono gli "autovalori" dell'operatore. Nel momento della misura, il vettore di stato viene proiettato in un "autospazio", cioè nel sottospazio costituito dagli "autovettori" associati all'unico autovalore definito dalla misura. Dopo la misura la grandezza osservabile studiata rimarrà in quell'unico "autostato".

INTERPRETAZIONE DI COPENAGHEN


La cosiddetta "Interpretazione di Copenaghen" è stata sviluppata soprattutto da Niels Bohr e da Werner Heisenberg (con Pauli, Dirac, Born ed altri), negli anni 1924-27. Rappresenta l'interpretazione standard della meccanica quantistica ed è a questa visione che Einstein si oppose fortemente.

 



W. Heisenberg   -    N. Bohr



Secondo questa interpretazione la funzione d'onda descrive un'insieme di possibilità tutte copresenti e solo il processo della misura la fa collassare in un unico e solo stato osservabile.
Il gatto di  Schrödinger, perciò, non è né vivo né morto finché non si apre la scatola! Secondo questa interpretazione la realtà è probabilistica e non è determinata a priori (viene negato il "realismo" e il "determinismo"), il ruolo dell'osservatore è quindi cruciale.


INTERPRETAZIONE A MOLTI MONDI



Questa interpretazione è stata proposta da Hugh Everett III nel 1957 ("Many Worlds Interpretation"). Questa interpretazione considera la funzione d'onda come ontologicamente reale e nega il collasso. Ogni possibilità descritta dall'equazione di Schrödinger esiste in una sua specifica realtà. Quando mettiamo il gatto nella scatola l'universo si divide in due: un universo che contiene un gatto morto ed uno che ne contiene uno vivo. Tutto questo implica un numero pressoché infinito di mondi paralleli.

 

TEORIA DELLA DECOERENZA


La teoria della decoerenza quantistica (proposta per la prima volta nel 1970 da Heinz-Dieter Zeh e sviluppata poi da Wojciech Zurek) afferma che il passaggio dalla sovrapposizione di stati, descritti nell'equazione della funzione d'onda, all'unico stato osservabile dopo la misura, avviene per gradi ad opera dell'interazione con l'ambiente (per ambiente si intende qualsiasi cosa, da una particella di passaggio, al microscopio dello scienziato che sta facendo un esperimento).

Finché un sistema rimane isolato è possibile il mantenimento della superposizione, in quanto tutti i vari stati sono coerenti tra loro, ma negli oggetti macroscopici questo è praticamente impossibile, i vari stati diventano rapidamente incoerenti e si ha il passaggio dalla realtà quantistica a quella classica.

Più il sistema è complesso e più la decoerenza  è veloce. Un gatto (composto da circa 1027 particelle) va in decoerenza in un tempo infinitesimale (circa 10-23 secondi), per questo non è osservabile la sovrapposizione di stati: "gatto vivo" + "gatto morto", teoricamente possibile.  



La decoerenza, quasi istantanea, degli stati sovrapposti "gatto vivo/gatto morto"



Serge Haroche e i suoi collaboratori della "Scuola Normale Superiore" di Parigi sono riusciti, nel 1996, ad osservare la decoerenza di atomi di rubidio interagenti con fotoni, in pratica hanno potuto "filmare" il progressivo passaggio dal comportamento quantistico al comportamento classico.



 



Perdita progressiva di coerenza quantistica

INTERPRETAZIONE TRANSAZIONALE


L'interpretazione transazionale è stata presentata nel 1986 dal fisico John Cramer dell'Università di Washington. Si basa su di un'evoluzione dell'equazione d'onda di Schrödinger che prende in considerazione i principi della teoria della relatività (equazione di Klein-Gordon). Questa equazione contiene due soluzioni descriventi due onde:  una soluzione che descrive il flusso di energia dal passato al futuro [b](onde ritardate[/b]) e una soluzione che descrive il flusso di energia dal futuro al passato (onde anticipate).

La transazione tra onde ritardate, provenienti dal passato, e onde anticipate, provenienti dal futuro, dà luogo alla nota dualità onda/particella. La proprietà delle onde è conseguenza dell'interferenza delle onde ritardate e anticipate e la proprietà della particella è dovuta alla localizzazione della transazione.

INTERPRETAZIONE STATISTICA


L'interpretazione statistica è un'estensione dell'interpretazione probabilistica di Max Born della funzione d'onda. La funzione d'onda non viene considerata un'entità reale e viene negato che possa essere applicata ad un sistema individuale (come un fotone o una particella); essa descrive semplicemente il comportamento statistico di un insieme di sistemi, allo stesso modo in cui le leggi probabilistiche descrivono il comportamento delle molecole di un gas nel suo insieme. I misteri dei quanti non sarebbero affatto diversi dai "misteri" relativi ai numeri che potrebbero uscire da un lancio di dadi. Il dualismo onda/particella non esiste proprio in questa interpretazione
 
 


Einstein fu un convinto sostenitore dell'interpretazione statistica e disse: "Il tentativo di concepire la descrizione quantistica teorica come la descrizione completa dei sistemi individuali porta a interpretazioni teoriche innaturali, che diventano immediatamente non necessarie se si accetta che l'interpretazione si riferisca ad insiemi di sistemi e non a sistemi individuali".

 

INTERPRETAZIONE DI DE BROGLIE-BOHM



Questa interpretazione ("Guide Wave Interpretation") fu proposta originariamente da Louis de Broglie e poi migliorata e sostenuta da David Bohm. Fa parte del gruppo detto "a variabili nascoste". Secondo questa teoria ad ogni tipo di particella è associata un'onda ("onda pilota") che guida il moto della particella.
L'onda pilota è ben reale e permea tutto l'universo, costituendone l'ordine implicato (non manifesto), che Bohm considera avere una struttura ologrammica, in quanto lo schema globale è riprodotto in ogni sua singola parte. Quello che noi possiamo osservare è solo l'ordine esplicato, che risulta dall'elaborazione che il nostro cervello effettua delle onde di interferenza. Poiché Bohm riteneva che l'universo fosse un sistema dinamico (mentre il termine ologramma rimanda di solito ad un'immagine statica), utilizzò il termine "Olomovimento" per descrivere la natura del cosmo.



Secondo Bohm esiste un'onda pilota che sottende l'intera realtà


 
Nello spiegare il processo di entanglement, Bohm afferma che le due particelle che noi vediamo come distinte ma interconnesse sono una cosa sola ad un livello di realtà più profondo. Se due telecamere differenti riprendessero lo stesso pesce in un acquario, infatti, noi potremmo avere la percezione di vedere due pesci stranamente interconnessi tra loro. Ogni cambiamento nei movimenti dei due pesci, infatti, sarebbe sincrono. Ciò che nei due televisori (ordine esplicato) sembra diviso, noi sappiamo trattarsi di un'unica entità nell'acquario (ordine implicato). Allo stesso modo le due particelle entangled costituirebbero un'unità su un piano di realtà più fondamentale di quello che i nostri sensi percepiscono.




I due pesci nell'acquario sono in realtà uno solo! Copyright immagine Xmx.it

 


COSCIENZA CAUSA COLLASSO

La teoria detta "Coscienza causa collasso" identifica la coscienza come l'autentica responsabile del passaggio tra gli stati di sovrapposizione quantistica e la realtà della fisica classica. E' connessa al paradosso dell'amico di Wigner, già descritto nel capitolo del paradosso del gatto di Schrödinger.




INTERPRETAZIONE A STORIE CONSISTENTI

La teoria delle storie quantistiche consistenti (Griffiths, 1984) prevede che le soluzioni dell'equazione di Schrödinger siano paragonabili a degli schemi narrativi. Per un determinato quadro sperimentale esistono varie storie possibili e per quelle consistenti (cioè congruenti alla realtà che stiamo studiando) esiste una probabilità maggiore o minore di manifestarsi. Tramite il processo di decoerenza vengono scartate le storie meno probabili fino a che rimane solo la storia più congruente, che quindi si manifesta.

 

TEORIA DI GHIRARDI-RIMINI-WEBER


E' una cosiddetta "teoria oggettiva del collasso" e introduce l'idea che la funzione d'onda collassi spontaneamente, senza alcun intervento di misura esterno. Il gatto di  Schrödinger è vivo e morto solo per una brevissima frazione di secondo e poi assume uno dei due stati in modo casuale.

Esistono ulteriori interpretazioni: la Logica Quantistica, l'Approccio Modale, la Teoria delle Misure Incomplete, la Meccanica Quantistica Relazionale, l'Interpretazione a molte menti ed altre ancora.




Ricapitolando...

Non esiste, a tutt'oggi, una interpretazione della meccanica quantistica univoca e condivisa da tutti; esistono solo molte interpretazioni sulla realtà che sottende determinati fenomeni.

 


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