Chimica for Lovers #5: Gatto di Schrödinger

Era da parecchio che non scrivevo un post per la rubrica Chimica for Lovers, dedicata alle domande più belle dei miei studenti. Ho voluto approfittarne dopo aver sentito qualche tempo fa la bizzarra e per me del tutto incomprensibile spiegazione di cosa sia il "gatto di Schrödinger" fatta da un noto fisico e divulgatore. Ne avevo già parlato in passato, e spero mi perdonerete se riprendo qualcosa di già trattato... ma in fondo voi che mi leggete oggi non siete gli stessi che c'erano agli inizi del blog. 

All'inizio del XX secolo il modello atomico vedeva un nucleo (contenente protoni e neutroni) attorno a cui ruotavano su orbite fisse gli elettroni, aventi valori predeterminati di energia. Questo finché Heisenberg non propose il Principio di Indeterminazione, che fece ridiscutere daccapo tutta quanta la questione. 

Per determinare il moto di un oggetto, servono la sua posizione e la sua velocità, le quali sono però inevitabilmente soggette all'errore di misura: ogni misura che viene fatta ha un margine di incertezza, dovuto allo strumento utilizzato per effettuarla. L'errore che si commette nel moto di un pallone o di un pianeta è trascurabile, mentre per l'elettrone non lo è affatto, per via delle sue dimensioni. Con il principio di indeterminazione si può dimostrare che l'errore è maggiore della sua distanza dal nucleo: se l'errore è più grande della misura da effettuare, allora la misura non ha più senso. Il meglio che si può fare è che la misura di una sola delle due grandezze sia perfetta; l'altra però è affetta da un errore non accettabile. Inoltre, anche se si concepisce un esperimento per misurare una delle due, l'esperimento stesso altera comunque l'altra, rendendo tutto inutile. Questa è la "visione di Copenaghen" della meccanica quantistica, ovvero che fare l'esperimento altera il risultato dell'esperimento. 

Perciò, per parlare di struttura atomica, è necessario cambiare approccio, considerando invece la probabilità che ha l'elettrone di trovarsi in una certa regione di spazio: da qui viene il modello a nuvola elettronica di Schrödinger, basato sul concetto di orbitale. 

Allora una volta una studentessa mi ha chiesto: “Ma Schrödinger è quello del gatto?” 

“Sì” le ho risposto. “Il gatto di Schrödinger è proprio questa cosa che ho appena spiegato.” 

Per far capire che le implicazioni della fisica quantistica possono portare a dei risultati paradossali, Schrödinger propose il famoso esperimento del gatto (che è un esperimento mentale, cioè non è realizzato per davvero), che qui riporto in una forma semplificata. 

In una scatola vengono messi un gatto e una fiala contenente un gas tossico, e poi si chiude la scatola. Se la fiala si rompe, il gas fuoriesce e il gatto muore. Finché non si apre la scatola, non si può sapere se la fiala si sia rotta o meno, e quindi se il gatto è vivo o morto: le due possibilità sono ugualmente probabili, e a livello quantistico coesistono; quindi da un punto di vista quantistico il gatto è contemporaneamente sia vivo che morto. 

Ovviamente il gatto o è vivo o è morto, ma noi non lo sappiamo, né abbiamo modo di saperlo. L'unico modo per accertarci di cosa gli sia successo è di aprire la scatola, quindi tramite l'osservazione diretta; ne consegue che è l'atto di osservazione a definire la realtà. Ma ciò che capita al gatto dipende dall'osservatore, dato che è lui a decidere quando aprire la scatola, quindi dipende da lui il fatto di trovare il gatto vivo o morto. Perciò fare l'esperimento influisce sull'esito dell'esperimento, ovvero l'atto di osservazione influisce sullo stato quantistico della realtà. Come si esce da un paradosso del genere? Non se ne esce, perché è una proprietà della natura.