Il principio di complementarietà in Meccanica Quantistica e il dualismo della Natura

Il principio di complementarietà in Meccanica Quantistica e il dualismo della Natura

La descrizione completa di un fenomeno fisico richiede la presenza di aspetti duali e complementari della realtà quantistica, il più famoso dei quali è il dualismo onda-particella degli oggetti quantistici. Gli elettroni o i fotoni, ad esempio, talvolta si comportano come onde mostrando effetti di interferenza, altre volte si comportano come corpuscoli interagendo con la materia in modo discreto. Tuttavia gli aspetti corpuscolare e ondulatorio non si manifestano mai contemporaneamente, ma un esperimento che consenta di osservare un aspetto, impedisce all’altro di manifestarsi.

Questa affermazione è nota come il principio di complementarietà, e afferma l’impossibilità di una manifestazione unitaria della realtà quantistica. Ad esempio, in un famoso esperimento di interferenza quantistica, si fa passare un fascio di elettroni (o di fotoni) attraverso due fenditure verticali parallele e poi se ne rileva l’intensità su uno schermo lontano. Si nota allora sullo schermo un disegno di strisce luminose che si alternano a strisce scure, tipico di un comportamento ondulatorio, detto figura di interferenza. Queste strisce corrispondono alla fusione delle due onde che si ottengono dalla suddivisione del fascio iniziale attraverso le due fenditure, e che si rinforzano a vicenda nelle strisce luminose e si annullano in corrispondenza delle strisce scure. In tal caso il fascio di elettroni si comporta come un’onda.

Se il fascio è abbastanza debole si può fare in modo che gli elettroni passino attraverso l’apparato uno per uno e poi vengano rilevati quando colpiscono lo schermo. In tal caso una mente classica si aspetterebbe che la figura di interferenza scompaia, in quanto sembrerebbe che ogni singolo elettrone, in quanto materia corpuscolare, possa passare attraverso una fenditura o l’altra, e non contemporaneamente da entrambi, eliminando la possibilità di interferenza. Ma non è quello che si osserva: dopo che abbastanza elettroni sono passati attraverso l’apparato e poi rilevati sullo schermo, la figura di interferenza emerge ancora una volta. Quindi ciascun elettrone deve passare attraverso entrambe le fenditure contemporaneamente ed interferire con se stesso. In tal caso ogni singolo elettrone si comporta come un’onda quando passa attraverso la doppia fenditura, per poi ritornare a comportarsi come corpuscolo nel momento in cui è rilevato sullo schermo.

L’esperimento delle due fenditure manifesta il comportamento strano e contro-intuitivo della materia al livello quantistico. Un elettrone, nella sua natura corpuscolare, lascia la sua sorgente, e si manifesta poi a un rivelatore posto a una certa distanza. Fra la produzione e l’osservazione, dove è stato? L’esperimento di interferenza quantistica mostra l’impossibilità di concepire un oggetto quantistico come avente lo stesso tipo di presenza nello spazio e nel tempo degli oggetti del macro-mondo. «Dove è stato? » è una domanda a cui non possiamo rispondere; era dappertutto e da nessuna parte. Se peraltro lo sperimentatore volesse mettere in risalto la natura corpuscolare dell’elettrone durante il tragitto, determinando ad esempio attraverso quale fenditura esso passa – questo si può fare mediante un ulteriore apparato di misura capace di osservare il passaggio dell’elettrone da una fenditura o dall’altra –, si otterrebbe che il singolo elettrone passa effettivamente attraverso una fenditura o l’altra e mai contemporaneamente da entrambe, ma in tal caso la figura di interferenza scompare. Non è possibile ottenere contestualmente l’informazione sul cammino percorso dall’elettrone (o da un qualunque altro sistema quantistico) e una figura d’interferenza, poiché si tratta di “aspetti complementari”, riconducibili al dualismo onda-corpuscolo: il formarsi di una figura d’interferenza fa riferimento alla natura ondulatoria dell’elettrone, mentre l’informazione relativa alla traiettoria fa riferimento alla sua natura corpuscolare.

L’esperimento mostra che l’elettrone nel passare attraverso la doppia fenditura si comporta o come onda o come corpuscolo, a seconda di come si effettua la misura, ma mai come entrambi contemporaneamente: un apparato sperimentale che evidenzi la natura particellare non dà segni di comportamento ondulatorio e viceversa.

Vale la pena ricordare che il dualismo onda-corpuscolo non è l’unica forma di dualità esistente nel mondo quantistico. Un’altra formulazione del principio di complementarietà riguarda la dualità tra l’aspetto deterministico-causale dell’evoluzione di un sistema quantistico e quello non causale: si afferma in tal caso l’impossibilità di descrivere gli eventi come aventi luogo nello spazio e nel tempo, e contemporaneamente come soddisfacenti alla legge di causalità. In termini semplici il principio di causalità afferma che ad ogni effetto corrisponde una causa, che può sempre essere determinata, almeno in linea di principio. Per sistemi fisici microscopici isolati, la dinamica dello stato del sistema è data dall’equazione di Schrödinger, che è un’equazione lineare deterministica, e quindi soddisfacente al principio di causalità. Invece, ogni qualvolta viene eseguita una misura, la funzione d’onda del sistema quantistico cessa di evolvere secondo l’equazione di Schrödinger per obbedire alla regola del “collasso” della funzione d’onda: quando c’è un’interazione tra un sistema quantistico e un apparato di misura, le variabili classiche che caratterizzano l’apparato di misura subiscono dei “salti” casuali imprevedibili.

Questa affermazione appare completamente assurda alla logica comune poiché la contemporanea descrizione spazio-temporale e causale della realtà sta alla base dell’interpretazione della nostra esperienza quotidiana e della fisica classica. Gli elementi non riconducibili al principio di causa ed effetto, se pure esistono in alcune nostre esperienze, vengono in genere tralasciati o dimenticati in quanto incomprensibili, non riproducibili e quindi inaffidabili.

Altrettanto difficile da concepibile è una descrizione della realtà senza il concetto di spazio e tempo. In un mondo quantistico, invece, talvolta dobbiamo usare il concetto di spazio-tempo, altre volte il principio di causalità – espresso ad esempio attraverso la conservazione dell’energia-, ma è impossibile applicare entrambe le descrizioni in forma esatta contemporaneamente.

Niels Bohr, uno dei padri della meccanica quantistica e il primo a formulare questo principio, amava molto il concetto di complementarietà della realtà, tanto da estenderlo a una lezione di vita. Diceva per esempio che: “L’opposto di un’affermazione vera è un’affermazione falsa, ma l’opposto di una profonda verità è un’altra verità profonda”.

Il principio di complementarietà ci invita a ripensare la nostra visione del mondo: normalmente pensiamo che, al di fuori di noi, ci siano cose che “esistono”, che sono caratterizzate da una loro natura intrinseca indipendentemente da noi. Proviamo invece a chiederci: quando un oggetto o un essere vivente non influenza il nostro apparato percettivo (in termini fisici non viene misurato) possiamo dire di sapere qualcosa su di esso? In realtà rispondere negativamente a questa domanda non ci porta a conseguenze assurde.

Bohr, e tutta l’interpretazione ortodossa della meccanica quantistica, ci suggerisce che chiederci quale sia la natura essenziale delle cose, indipendentemente da quanto possiamo osservare, non ha senso. Inoltre, poiché vediamo una natura sostanzialmente diversa a seconda di dove poniamo l’attenzione, la complementarietà della manifestazione ci lascia nell’impossibilità di conoscere la natura essenziale dell’universo quantistico.

Una bella lezione di umiltà che, una volta compresa a fondo, ci avvicina al mistero che ci compenetra e ci avvolge.

Per me, è proprio attraverso il principio di complementarietà che la Fisica Quantistica trascende la comprensione intellettuale e diventa una ricerca esistenziale, che ho indicato con il termine: “Koan Quantistico”.

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