domenica 29 novembre 2020

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 aveva chiesto: “Ma Schrödinger è quello del gatto?” 
“Sì” le avevo 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.

26 commenti:

  1. Io mi sono sempre divertito moltissimo a demolire l'esempio del gatto (non sul lato scientifico ma proprio l'esempio usato per illustrarlo, trovando varie soluzioni trasversali per risolverlo), tanto da farci alcuni anni fa una vignetta.
    Schrödinger con tutta probabilità mi avrebbe detestato cordialmente XD

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    1. Vabbè, anche io ci ho scritto un racconto, la narrativa è bella anche per la possibilità di violare dei principi della natura.

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  2. Bella spiegazione, non ero a conoscenza, ora so cosa vuol dire esattamente ;)

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    1. Ne sono lieto. :)
      Tra l'altro questa è una cosa molto nota nella cultura popolare, ricordo ad esempio un episodio di Big Bang Theory dove veniva raccontato.

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  3. Oddio, l'esperimento del gatto mi fa venire in mente certi paradossi filosofici. Quanto meno sono in grado di capirlo più di quanto riuscirò mai a capire anche solo mezza riga con una nozione di chimica...

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    1. Ma infatti è proprio noto come paradosso del gatto di Schrodinger.

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  4. Pensa che io sapevo che questo gatto era quello della fetta imburrata legataglia sul dorso, per creare un moto perpetuo :p
    Comunque, ricordo ora questo esperimento, ma mi chiedo: perché proprio un gatto? Non ha alcun senso... e infatti è una cosa puramente filosofica, anzi penso che l'origine sia addirittura una storiella "religiosa" (quella dell'uccellino nella mano del nonno: è vivo o è morto?).

    Moz-

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    1. Noo, quello del gatto e della fetta imburrata è un'altra cosa, che viene dalla legge di Murphy.
      Una fetta imburrata cade sempre dal lato imburrato. Un gatto cade sempre sulle zampe. Se leghi una fetta imburrata alla schiena di un gatto e li fai cadere, allora si genera il moto perpetuo. 💪😁

      Non c'è un perché del fatto che sia proprio un gatto... poteva essere qualsiasi animale abbastanza piccolo da stare in una scatola. Non ha importanza, è solo un esempio per definire il concetto che l'osservatore influenza ciò che osserva semplicemente mediante il suo atto di osservazione.

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  5. Interessante, ne avevo sentito parlare ma non avevo mai approfondito.
    È come dire che siamo noi gli artefici del nostro destino a seconda delle scelte che facciamo?
    O forse no perché le probabilità di fallire in quello che scegliamo di fare non le possiamo quantificare.
    Mah..

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    1. Assolutamente no. Il significato è che l'osservatore influisce sulla realtà già solo per il fatto di osservare la realtà.
      Ma questo solo a livello quantistico: il principio di indeterminazione ha importanza solo su oggetti quantistici, nel mondo macroscopico l'effetto è trascurabile.
      Emblematico l'esempio che ho fatto della differenza tra il moto di un pallone e quello di un elettrone. Se del primo possiamo dire istante per istante quale sia il suo percorso, con un'incertezza talmente minima da essere trascurabile, viceversa dell'elettrone non possiamo dire altrettanto, perché l'incertezza è troppo grande; perciò bisogna trattare il problema in maniera diversa, passando da una visione deterministica a una probabilistica.

      L'errore che vedo spesso commettere su questi temi è di generalizzare il discorso applicandolo alla realtà quotidiana, cosa sbagliata. La fisica quantistica non è fatta per descrivere il mondo macroscopico, e nemmeno va usata in senso psicosofico, perché si va incontro a delle storture.

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  6. Proprio quest'anno, non ricordo a che proposito, i miei figli hanno tentato di spiegarmi questo fenomeno incomprensibile: impresa arduissima con una che di chimica/fisica e roba scientifica in generale non capisce assolutamente nulla. Ci siamo fatti anche qualche risata, perché io rasento la demenza più totale quando mi si vuole spiegare qualcosa che mi rifiuto di capire (lo so, si chiama negazione, per me iper- negazione :D)
    Ora, forse, la tua spiegazione del gatto di quel tizio lì mi ha aperto uno spiraglio. Corro a leggere il post ai miei figli. :)

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    1. Ho riso anch'io! 😃
      Fammi poi sapere cosa ne dicono i ragazzi...

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    2. Avrebbero voluto avere un insegnante come te! 😉

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  7. Questo povero gatto lo vedo tirare in ballo di continuo, su Twitter, quando si parla di politica o di economia. La prossima volta che mi ci imbatterò, saprò come rispondere... O forse meglio di no, meglio far finta di niente ed evitare il flame :|

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    1. Ecco, infatti, spesso viene tirato fuori a sproposito.
      La fisica quantistica è uno di quegli ambiti del sapere di cui molti, per averne letto qualcosa, ma senza averlo capito, si sentono autorizzati a utilizzarlo in maniera inappropriata.

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  8. La fisica quantistica è affascinante. Ho letto un paio di testi divulgativi e mi sono sentita più ricca per averlo fatto.

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    1. La fisica quantistica è stato il momento in cui la fisica è tornata ad abbracciare la filosofia da cui era nata.

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  9. In Futurama, il buon Cohen ha esposto in modo molto divertente questo teorema. Pure i Coen non ci sono andati serissimi in A Serious Man! ;)

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    1. Non mi ricordo di quella puntata, forse non l'ho vista!

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  10. In questo caso, non mi sento chiamata in causa per il fatto di essere una studentessa disperata - ahimé! - di Chimica, ma anche perché in "Testimoni di nozze" compare proprio la spiegazione di questo fenomeno (ricordo troppo bene quella scena, mi aveva molto colpita), oltre al proverbio cinese sul filo rosso che ha unito i due protagonisti! Davvero un bel racconto, il tuo!

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    1. Eh sì, grazie! 😀
      In effetti avevo già dedicato al gatto di Schrodinger un racconto del mio terzo libro, e ne ho scritto anche uno sulla visione di Copenhagen e (il gatto) per ora ancora inedito.
      Diciamo che è una di quelle cose che colpiscono molto l'immaginario.

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    2. Già!😊
      Mesi fa incappai, tramite internet, nel cosiddetto "Effetto Pauli"; certo, come concetto non ha fondamenti scientifici dietro, piuttosto filosofici e supertiziosi, però mi colpì parecchio il racconto dei colleghi dello scienziato che riferivano di come gli esperimenti si traducessero in disastri quando vi partecipava! Avevo pure preso in mano la penna per scriverci su una sorta di racconto che poi è rimasto tra le mie bozze, incompleto... 😂

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    3. Sì, ne avevo sentito parlare dell'effetto Pauli... E' più una cosa scherzosa che altro. Anche i fisici hanno il senso dell'umorismo (almeno un po').

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    4. Hai ragione, i chimici sono imbattibili 😂

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