Cosmologia e Big Bang

[franconeve]

Einstein non amava la meccanica quantistica, anche se paradossalmente contribuì come pochi altri scienziati a fondare, con le proprie indagini e intuizioni, questa branca della fisica (basti pensare al già citato esperimento sull'effetto fotoelettrico).
Ma egli era un positivista troppo onesto e convinto per familiarizzare con i quanti, e dar completamente ragione a chi invece li aveva in grande confidenza. Quindi, con due suoi colleghi, ideò un paradosso che avrebbe dovuto dimostrare l'intima contraddizione alla base della meccanica quantistica: il paradosso EPR, dalle iniziali appunto dei tre scienziati Einstein, Podolski e Rosen.
Andiamo con ordine:esistono processi fisici che conducono all'emissione di particelle tra loro identiche (ad esempio fotoni) le quali, una volta scaturite, si allontanano vicendevolmente in maniera simmetrica.
In quanto particelle elementari (chiamiamole A e B) esse non sfuggono alla regola di presentare determinate caratteristiche in modo "caotico", caratteristiche che possono essere "fissate" (uscendo così dal loro "limbo") solo grazie a una misurazione.
Le particelle in questione (A e B) fluttuano dunque in un "mare magnum" probabilistico dal quale escono ogniqualvolta uno strumento indagatore provoca il collasso della funzione d'onda concretizzandone una proprietà.
Una proprietà da misurare può essere, ad esempio, lo "spin", caratteristica che ci illumina sul modo in cui la particella ruota su se stessa (il discorso è in realtà molto più complesso, ma del tutto inutile ai nostri fini contingenti, per cui possiamo accontentarci di citare lo "spin" anche senza aver compreso esattamente cos'è). Ebbene, è stato abbondantemente dimostrato che, incredibile a dirsi!, misurare lo spin della particella A "costringe" la sua gemella B ad assumere il medesimo spin nel medesimo istante anche in assenza di misurazione.
Per intenderci meglio: io, misurando SOLTANTO la particella A e "costringendola" a collassare in uno spin definito, costringo automaticamente anche la particella B a collassare e ad assumere il medesimo spin nel medesimo attimo pur senza aver minimamente interferito con essa. Ma la cosa più incredibile è che ciò avviene A PRESCINDERE dalla distanza che separa le due particelle. Che esse si trovino a 10 millimetri, 10 metri o 10 anni luce di distanza il fenomeno si verifica sempre! E' il fenomeno chiamato "entanglement" e le particelle in questione vengono appunto definite "entangled".
E' un fenomeno sorprendente (tant'è che ancora oggi, a svariati decenni dalla sua scoperta, la comunità scientifica non lo ha capito completamente, e alcuni studiosi immaginano addirittura spiegazioni mistico-religiose e/o paranormali per venire a capo dell'enigma) perchè dà l'impressione che le due particelle entangled "si parlino", comunichino fra loro. E lo facciano istantaneamente, a prescindere dalla distanza che le separa, dunque a velocità ovviamente superiori a "c", in totale opposizione ai dettami della relatività ristretta.
Insomma, sulla base di tutto ciò, EPR riteneva di poter smascherare la non veridicità della meccanica quantistica, affermando che essa contraddiceva la relatività ristretta in quanto postulava una forma di comunicazione superluminale, mentre nella realtà nulla può superare la velocità della luce "c".
Partendo da questa base, l'allegra combriccola EPR elaborava nei primi decenni del 20° secolo il suo paradosso. Vale la pena di gustarselo:
La quantistica, sulla base del Principio di indeterminazione, dice che una particella non possiede qualità "in sè" ma fluttua in un limbo probabilistico e mostra tali qualità solo quando noi la sottoponiamo a delle misurazioni. E su ciò costruisce tutto il proprio castello teorico. Bene, l'entanglement ci consente di distruggerlo. Come? In questo modo, dice EPR: se io misuro A, acquisisco conoscenza di una sua proprietà solo perchè ho interferito con essa; per forza: la quantistica ci dice che solo interferendo con una particella (misurandola, facendola collassare) io le attribuisco delle proprietà. Ma se A è entangled con B, quando io conosco A automaticamente conosco, nel medesimo istante, anche B; e con B non ho minimamente interferito!
Ecco che il seguente cardine della quantistica: "Si possono conoscere le qualità di una particella solo misurandola e facendola così uscire dal limbo probabilistico, ossia facendone collassare la funzione d'onda" viene a cadere. Le qualità delle particelle non si concretizzano solo dopo che io ho effettuato una misurazione, ma esistono A PRESCINDERE dalle misurazioni stesse. Altrimenti io non potrei conoscere le qualità della particella B che non ho mai misurato, con cui non ho mai interferito!
Insomma, EPR col suo paradosso vuole dire che l'entanglement dimostra il possesso delle proprietà IN SE' da parte delle particelle, proprio ciò che la quantistica invece nega.
Grande fu lo sconcerto, inizialmente, da parte dei fisici quantistici. Tuttavia il paradosso fu risolto dimostrando intanto che non avveniva nessuna forma di comunicazione "superluminale" tra le due particelle, col che si evitava qualunque conflitto con la relatività ristretta. Non si riusciva a inviare "messaggi", "informazioni" tramite le particelle entangled, proprio perchè esse uscivano dal loro limbo quantistico in modo assolutamente casuale, non prevedibile dall'osservatore, dunque non vi era alcun superamento di "c" da parte di nessun segnale o fantomatica entità.
Solo accadeva (e accade...) che le particelle entangled presentassero un comportamento identico tra loro. Qui sta l'enigma, che comunque non porta acqua al mulino di EPR, dato che il collasso della particella, vale la pena ripeterlo, è del tutto CASUALE, quindi proprio l'esatto contrario di quanto dovrebbe prevedere il possesso di una proprietà IN SE'! Il nocciolo del discorso non sta nel fatto che B abbia una proprietà in sè; infatti B non ha nessuna proprietà conoscibile "a prescindere"; la proprietà di B io la conosco solo perchè ho fatto collassare A; e A è collassata in modo assolutamente casuale (concetto di funzione probabilistica) e non prevedibile da parte dell'osservatore. Casuale? Certo, è collassata COSI', ma poteva farlo in mille altre maniere. Il nocciolo del discorso (e il relativo mistero) sta nel fatto che A e B, pur lontane metri, chilometri, anni luce, in quanto entangled collassino allo stesso modo quando ne misuro una sola!
E qui siamo giunti al bello del ragionamento: l'allegra (e comunque geniale) compagnia EPR, tentando di far cadere la fisica quantistica su una buccia di banana, in realtà l'ha arricchita di uno dei suoi cardini più importanti e stupefacenti (ma cosa non è stupefacente nella quantistica?). Questo cardine, dimostrato dal paradosso EPR contro la sua stessa volontà, è la "non località" dell'Universo. Ovvero: esistono casi in cui l'origine comune di due particelle ne tiene uniti i destini a prescindere dalla loro distanza; le fa abitare in un universo "non locale" (o, se preferiamo, "non spaziale"). Molto probabilmente (e "semplicemente", per chi sostiene questa posizione, la più "scientifica" tra quelle architettate per risolvere il mistero dell'entanglement) queste due particelle, che potrebbero essere anche 20 o 200 o 2000, fanno parte di un unico sistema fisico, avendo avuto origine comune, e in quanto tali sono destinate ad avere una "vita" comune per sempre; senza trasmettersi alcuna informazione a velocità superiori a "c". Senza possedere IN SE' nessuna proprietà che l'altra riveli solo dopo il collasso probabilistico.

[franconeve]

Vorrei ricavare da questo lavoro un fascicoletto, semplificando molto, per una divulgazione culturale al Centro dove sono impiegato (per gente di ogni livello d'istruzione, comunque tutte persone interessate, motivate e intelligenti); voi cosa ne dite?
Accetto suggerimenti, consigli, dritte, censure...
Franco

[lovingsnow]

Io te l'ho già detto tante volte, come scrivi mi piace tantissimo, se vuoi semplificare l'unica maniera è semplificare il lessico, magari i "paroloni" con qualcosa di più accessibile a tutti, perchè come struttura della frase non vedo come migliorarli, vanno benissimo così!

Approfitto per ringraziarti dell'ultimo allegato che mi hai mandato (così non devo aprore la mail ), l'ho letto, il giudizio è il solito!

[franconeve]

Se l'entanglement vi ha stupito, bè, mettetevi comodi perchè l'esperimento quantistico che stiamo per descrivere vi stupirà ancora di più; e forse, sconcertandovi, contribuirà paradossalmente a farvi davvero entrare nello spirito tutto particolare della realtà quantistica.
Ritengo probabile che siano in molti a considerare la meccanica quantistica una cosa astrusa e affascinante, comunque poco applicabile all'idea che durante la nostra evoluzione cerebrale ci facciamo della realtà. Più di qualcuno sarà poi colpito dalle diverse posizioni assunte sul tema proprio dagli stessi fisici (basti pensare ai dibattiti amichevoli ma spietati fra Einstein e Bohr), e verrà quindi incoraggiato da tali divergenze a considerare la quantistica solo una geniale interpretazione del mondo, che ogni testa particolarmente fine ed elastica può comunque contraddire, plasmare e modulare sulle note delle proprie personali intuizioni.
D'altra parte lo stesso dibattito intorno al paradosso EPR è stato giudicato più metafisico che scientifico, dunque trovo assolutamente sensata la posizione di chi considera la quantistica una "filosofia" più che una branca della fisica.
Sensata però non sempre significa corretta. La quantistica è scienza; le sue asserzioni riguardano la realtà, non il sesso degli angeli; che poi non si tratti della realtà come siamo abituati a considerarla, non ha nessuna importanza, non siamo mica noi il centro del mondo! E se per credere alla "scientificità" della quantistica volete la descrizione semplice e intuitiva (finalmente!) di un esperimento per nulla astruso, siete prontamente serviti. Basta che leggiate quanto segue, tenendo presente che abbiamo semplificato apposta l'iter del test trascurando passaggi complicati (uso di specchi semiargentati, separatori di fasci luminosi, etc...) ma del tutto ininfluenti per quelli che sono i nostri scopi.
Immaginiamo di posizionare un apparecchio che spara un flusso di particelle quantistiche (possono essere elettroni, ad esempio, ma qui parleremo di fotoni, cioè di luce, perchè la cosa diventa più intuitiva senza mutare minimamente la correttezza dell'esperimento) dietro una barriera sulla quale siano presenti due fenditure vicine, a sua volta posizionata dietro uno schermo. Ricapitolando, da sinistra verso destra abbiamo in successione:
1) un proiettore;
2) una barriera su cui sono praticate due fenditure vicine;
3) uno schermo.
Sparando col proiettore 1) il fascio di luce verso la barriera 2) notiamo che sullo schermo 3) si viene a formare una figura a strisce chiare e scure. La cosa è una semplice, intuitiva conferma del fatto che la luce si propaga a onde. Infatti è tipico delle onde che attraversano due pertugi la creazione di aree in cui esse si sommano (o meglio, si sommano i loro picchi, ma qua non ci interessa addentrarci nella specifica questione) e aree in cui si elidono: le prime aree saranno le righe chiare, le seconde quelle scure.
Fino a qua tutto bene, le cose procedono assolutamente secondo logica.
Ora proviamo a diminuire l'intensità del fascio luminoso fino a costringere il nostro proiettore 1) a sparare UN FOTONE alla volta (esistono apparecchi di laboratorio in grado di farlo).
Un fotone è un'entità luminosa indivisibile, è un quanto di luce, è una particella. Sicuramente questa particella, sparata verso la barriera 2), potrà attraversarla passando da una o dall'altra fenditura, dunque originando sullo schermo 3) una figura corpuscolare, puntiforme. Invece no! Sullo schermo 3) si riproduce, ancora una volta, incredibilmente, la figura a strisce. Il SINGOLO FOTONE si è comportato come un'onda. Il SINGOLO FOTONE è passato contemporaneamente attraverso ENTRAMBE LE FENDITURE!
Se siete sobbalzati sulla sedia, aspettate di sentire questa: okay, il nostro fotone ci ha giocato un brutto scherzo e vuole prenderci in giro comportandosi, lui che è un quanto, da onda. Vuole farci credere di riuscire a passare sia da una che dall'altra fenditura, come se noi a casa potessimo passare contemporaneamente dalla porta della cucina e del bagno!
Ma adesso un brutto scherzo glielo giochiamo noi: è possibile porre vicino alla barriera 2) un piccolo rivelatore di fotoni in grado di non interferire assolutamente col nostro quanto, ma capace solo di "guardare" per dirci che strada prende e quindi da quale fenditura passa effettivamente quel burlone d'un corpuscolo? Sì, è una cosa fattibilissima, e la mettiamo subito in pratica.
Accendiamo allora il rivelatore e vediamo cosa accade. Tenetevi forte: quando mettiamo in funzione il rivelatore (il quale, va ribadito, è un apparecchio che si limita a "guardare"), la figura d'interferenza sullo schermo 3) scompare! Il fotone, sentendosi semplicemente osservato, ha "deciso" di smettere i vestiti dell'onda e di indossare quelli del corpuscolo. Insomma: quando io mi disinteresso del fotone, e volgo il mio sguardo solo sullo schermo 3), vedo comparire la figura a strisce di matrice ondulatoria; quando invece dirigo il mio sguardo anche sul fotone in viaggio, ecco che sullo schermo 3) compare la figura di matrice corpuscolare!
Franco

[franconeve]

La meccanica quantistica, già alla luce dei "semplici" esperimenti e concetti che abbiamo appena esplicato, ci costringe a ripensare completamente la nostra visione del mondo; o, per lo meno, ad accettare il fatto che, accanto a un mondo macroscopico, nel quale siamo abituati a vivere, a muoverci, a formare la nostra logica corrente sulla base di leggi fisiche di un certo tipo, ne esiste un altro microscopico nei cui meandri quella medesima nostra logica corrente e quelle medesime leggi fisiche non hanno più lo stesso senso.
Pensiamo al fotone (o all'elettrone) che passa contemporaneamente attraverso le due fenditure, pur essendo un corpuscolo. L'unica spiegazione al fatto che la nostra particella sia in grado di creare sullo schermo una figura di interferenza, tipica delle onde, è che passi da entrambe le fenditure; e dunque che sia, contemporaneamente, anche un'onda. Il nostro fotone è un'onda, ma possiede pure tutte le caratteristiche di una particella, prova ne sia lo strepitoso esito derivante dall'aggiunta del rivelatore nei pressi della barriera a fenditure.
L'onda è una funzione probabilistica, dunque il nostro fotone è una somma di probabilità, le quali nella fattispecie hanno eguale dignità e capacità di manifestarsi; ecco perchè passa contemporaneamente da entrambe le fenditure: perchè PUO' farlo, perchè ha tante probabilità di passare a destra quante di passare a sinistra, e dunque passa sia a destra che a sinistra; da qui la figura d'interferenza risultante.
Il fotone, nel suo esistere, nel suo muoversi all'interno del nostro mondo, non ha una sua sola STORIA, ne possiede svariate, tutte all'interno della funzione probabilistica, delle quali nessuna emerge a discapito delle altre, e dunque tutte sono in grado di concretizzarsi, esplicando i loro effetti (nella fattispecie la figura d'interferenza sullo schermo). Se noi spariamo il fotone contro una barriera e questa ha delle fenditure, il fotone PUO' attraversarle tutte, e lo fa, perchè non c'è un suo "passato" che abbia maggiore dignità degli altri passati. Quando il fotone ha superato la barriera a fenditure lo ha fatto in tutti i modi contemplati dalla sua intrinseca funzione probabilistica, in quanto non è disturbato da nulla, non è costretto da nulla a "collassare" decidendo se scegliere una strada o l'altra! Giunto oltre la barriera, esso ha lasciato dietro di sè molti "passati", molte "storie", ognuna delle quali si realizza nella figura d'interferenza, appunto interferendo con le altre.
Questa teoria, perfettamente avvalorata dai dati sperimentali, è stata chiamata dal grande fisico Premio Nobel statunitense Richard feynman "somma sui cammini" (o "somma sulle storie") e sta proprio a indicare che a livello particellare tutto quanto PUO' ACCADERE, in effetti ACCADE, e lascia traccia di sè (la figura d'interferenza ondulatoria). Una singola entità, a livello particellare, possiede più STORIE che si sommano, che esistono contemporaneamente, fino a quando non vengono costrette a collassare l'una a scapito delle altre (che è poi quanto avviene nella trasposizione macroscopica).
In sostanza, secondo la teoria della "somma sulle storie" di feynman, la figura d'interferenza altro non sarebbe che la trasposizione nel presente da noi osservabile dei diversi passati, tutti reali, del fotone!
Ma quando noi "osserviamo" (tramite il rivelatore, ad esempio) il fotone lungo il suo cammino, in qualche modo interferiamo con il suo passato, anzi con i suoi passati, cogliendo solo una delle sue possibili storie; ecco che allora, con la nostra osservazione, costringiamo la funzione probabilistica al collasso, a una scelta fra tutte le probabilità; e di conseguenza, nel prosieguo della nostra attività conoscitiva (analisi della figura che si realizza sullo schermo), considereremo soltanto il "passato" o la "storia" del fotone compatibile appunto con la nostra osservazione. E siccome un solo "passato", una sola "storia" significano una sola probabilità realizzata, ovvero una sola entità, ecco scomparire la figura d'interferenza (figlia della funzione probabilistica) e comparire, quasi per incanto, quella puntiforme (figlia dell'essenza particellare)!
Quindi, a seconda che ci approcciamo al fotone in un modo o nell'altro, lo vedremo a noi rivelarsi in un modo (onda) o nell'altro (corpuscolo), dato che esso è SIA onda SIA corpuscolo: è onda quando tutti i suoi passati, tutte le sue possibili storie interferiscono tra loro (figura d'interferenza); è corpuscolo quando, dopo un'osservazione "precisa", solo una storia viene portata a compimento fino a esplicare i propri effetti a dispetto delle altre (figura corpuscolare).
E' senza dubbio straordinario che un'entità quale una particella subatomica possieda due modi d'essere contemporaneamente e mostri l'uno o l'altro a seconda di come viene osservata. Ma, se riflettiamo un istante, anche nel mondo macroscopico possiamo descrivere, sia pure con grande approssimazione, fenomeni analoghi. Pensiamo ad esempio al "windchill", ovvero all'effetto di temperatura percepita in caso di vento sostenuto. In una giornata fredda noi ci imbattiamo in un vento, il quale altro non è che una massa d'aria che si muove; questa massa d'aria ha una temperatura, poniamo, di +2 °C. Infatti, se noi effettuiamo una misurazione termometrica leggeremo sul nostro strumento esattamente +2 °C; ma se esponiamo una parte del nostro fisico a questa corrente d'aria senza protezione, noi percepiremo una temperatura, poniamo, di -8 °C! E subiremo tutti gli effetti fisici (arrossamenti cutanei, problemi respiratori, ipotermie, fino a sintomi di congelamento, etc...) tipici dei -8 °C, non certo dei +2 °C indicatici dal termometro! A seconda di come ci approcciamo alla corrente d'aria noi potremo coglierne gli effetti su una colonnina di mercurio e arguire che ci sono +2 °C oppure su una parte del nostro corpo e arguire che ci sono -8 °C.
Certamente noi, per convenzione, diciamo che la temperatura di -8 °C è solo un'impressione, un valore non "reale" ma solo "percepito" in seguito alla forte ventilazione. Ma siamo proprio sicuri che il valore di +2 °C abbia "maggiore dignità" del valore di -8 °C solo perchè è indicato da uno strumento? Forse il nostro cervello ci suggerisce di sì (e molto giustamente, anche perchè si fa presto poi a fare i conti con il mancato congelamento dell'acqua e con altri fenomeni fisici capaci di indicarci inequivocabilmente che non ci troviamo sottozero); ma andiamo a dirlo alla nostra guancia arrossata o a un nostro arto semicongelato che non fa poi così freddo, che i -8 °C sono solo un'impressione!
Certo, quello del windchill è solo un esempio molto tirato per i capelli, però ci aiuta a entrare nell'ottica della quantistica: uno stesso evento può avere molte storie e dipende da come noi lo avviciniamo perchè tutte, una sola o nessuna di queste storie ci facciano l'onore di manifestarsi attraverso i propri effetti.
Franco

[franconeve]

Cari amici, con questo ultimo intervento, il n° 14, io ritengo di concludere questo approfondimento su "cosmologia e big bang", avendo in qualche modo chiuso il cerchio della meccanica quantistica.
Certo, molte erano e sono le cose che avrei voluto continuare a dire e approfondire, ad esempio di big bang quasi non si è parlato in questi post, ma la sempre minore incidenza del contradittorio, l'assenza ormai di interventi che animino il dibattito, mi suggeriscono di fermarmi qui. Io credo che su un Forum sia bello discutere, non sentire uno che parla come in un monologo. Ecco perchè... getto la spugna.
Comunque le mie riflessioni proseguono "in privato" (anzi, ho già redatto altri capitoli al proposito), e gli amici che volessero proseguire questo rapporto sulla scienza col sottoscritto, possono contattarmi (già alcuni lo fanno, ma sarei contento se altri si unissero) alla mia mail privata che è riportata qualche post sopra e comunque ripeto anche qui: tempofranco@inwind.it
Grazie a tutti per l'attenzione (come i radiocronisti...)!
Franco