Il gatto di Schrödinger: un esperimento mentale di fisica quantistica - Chad Orzel

Per vedere l'intera lezione: http://ed.ted.com/lessons/schrodinger-s-cat-a-thought-experiment-in-quantum-mechanics-chad-orzel

Il fisico austriaco Erwin Schrödinger, uno dei padri fondadori della meccanica quantistica, una volta pose questo dilemma: se si mette un gatto in una scatola sigillata, con un meccanismo che ha il 50% di possibilità di uccidere l'animale nell'arco di un'ora, in che stato si troverà il gatto trascorso questo tempo? Chad Orzel indaga su questo esperimento mentale.

Lezione di Chad Orzel, animazione di Agota Vegso.

Il fisico austriaco Erwin Schrödinger
è uno dei padri della meccanica quantistica,

ma è famoso per lo più per qualcosa
che in realtà non ha mai fatto:

un esperimento mentale
che coinvolgeva un gatto.

Ipotizzò di prendere un gatto
e di metterlo in una scatola chiusa

con un dispositivo che avesse il 50%
di possibilità di ucciderlo in un'ora.

"Passata un'ora - si chiese -
In che stato è il gatto?"

Il buonsenso suggerisce
che il gatto sia o vivo o morto,

ma Schrödinger fece notare
che secondo la fisica quantistica,

subito prima di aprire la scatola,
il gatto è in pari misura vivo e morto,

allo stesso tempo.

Solo quando la scatola viene aperta
vediamo un unico stato definito.

Fino ad allora, il gatto
è una probabilità confusa,

per metà una cosa,
per metà un'altra.

Sembra assurdo,
così pensò Schrödinger.

Trovò la fisica quantistica
così filosoficamente inquietante,

che abbandonò la teoria
che aveva contribuito a formulare

e passò a scrivere di biologia.

Per quanto assurdo possa sembrare, però,
il gatto di Schrödinger è del tutto reale.

Anzi, è essenziale.

Se un oggetto quantistico non potesse
essere in due stati contemporaneamente,

il computer che stai usando per guardare
questo filmato non potrebbe esistere.

Il fenomeno quantico della sovrapposizione

è una conseguenza della duplice natura,
corpuscolare e ondulatoria, di ogni cosa.

Un oggetto può avere
una lunghezza d'onda

solo se si estende
in una certa area dello spazio,

il che significa che occupa
molte posizioni allo stesso tempo.

La lunghezza d'onda di un oggetto
in un piccolo spazio

non può tuttavia
essere definita perfettamente.

Esiste quindi in molte diverse
lunghezze d'onda allo stesso tempo.

Non vediamo le proprietà
ondulatorie negli oggetti quotidiani

perché la lunghezza d'onda diminuisce
quando aumenta la quantità di moto.

E un gatto è relativamente
grande e pesante.

Se ingrandissimo un unico atomo
fino alla dimensione del sistema solare,

la lunghezza d'onda
di un gatto che fugge un fisico

sarebbe piccola come un atomo
all'interno di quel sistema solare.

È troppo piccola, e non percepiremo mai
il comportamento ondulatorio di un gatto.

Una particella piccola, come un elettrone,

può invece mostrare molto chiaramente
la sua duplice natura.

Se spariamo degli elettroni uno ad uno
contro due strette fessure di una parete,

ogni elettrone è rilevato sul lato opposto
in un unico luogo ad un dato istante,

come una particella.

Ma se ripeti questo
esperimento molte volte,

tenendo traccia
di ogni singolo rilevamento,

vedrai gli elettroni formare una figura
tipica del comportamento ondulatorio:

una serie di strisce, cioè
zone con molti elettroni

separate da zone
dove non ce ne sono affatto.

Blocca una delle fessure
e le strisce scompariranno.

Questo mostra che la figura deriva
dal fatto che ogni elettrone attraversa

entrambe le fessure allo stesso tempo.

Un singolo elettrone
non sceglie destra o sinistra

ma va a destra e a sinistra
simultaneamente.

Questa sovrapposizione di stati
porta anche a tecnologie moderne.

Un elettrone vicino al nucleo di un atomo
ha un'orbita estesa, simile a un'onda.

Unisci due atomi,

e gli elettroni non avranno
bisogno di sceglierne solo uno

ma saranno condivisi fra i due.

È così che si formano
alcuni legami chimici.

In una molecola un elettrone non è solo
sull'atomo A o sull'atomo B, ma su A+B.

Se aggiungi più atomi,
gli elettroni si estendono di più,

condivisi da immensi
numeri di atomi contemporaneamente.

In un solido gli elettroni non sono legati
ad un atomo particolare

ma condivisi tra tutti loro, estendendosi
su un'ampia porzione di spazio.

Questa gigantesca sovrapposizione di stati

determina come si muovono
gli elettroni attraverso il materiale,

e quindi se questo è un conduttore,
un isolante o un semiconduttore.

Capire come gli elettroni
sono condivisi fra gli atomi

permette di controllare con precisione
le proprietà dei semiconduttori,

come il silicone.

Combinare diversi semiconduttori
nel modo giusto

ci permette di produrre
transistor su scala piccola,

milioni su ogni singolo chip.

In quei chip e i loro elettroni estesi

risiedono le capacità del computer
con cui guardi questo video.

Una vecchia battuta dice che Internet
esiste per condividere video di gatti.

Ma a un livello molto profondo,
Internet deve la sua esistenza

a un fisico austriaco
e al suo gatto immaginario.