Risolvere il problema (quantistico) della misura

In fisica quantistica una misura è una situazione sperimentale in cui un’entità fisica subisce un cambiamento non-deterministico e irreversibile, denominato collasso della funzione d’onda, o riduzione del vettore di stato.

L’esistenza di processi di cambiamento di questo genere è considerata un problema, poiché anche quando si conosce perfettamente lo stato iniziale dell’entità fisica, cioè il suo stato prima della misura, non è possibile predire con certezza quale sarà il suo stato finale, cioè lo stato al completamento del processo di misura.

Il meglio che si può fare è associare delle probabilità ai diversi stati finali possibili, usando un’apposita regola di corrispondenza, detta regola Born.

Risolvere il problema (quantistico) della misura significa spiegare che cosa accade “dietro le quinte”, quando un’entità fisica viene sottoposta a un contesto sperimentale corrispondente a un processo di misura. Che cosa produce il rapido cambiamento di stato? Perché tale cambiamento è non-deterministico e irreversibile? E perché la regola di Born è così efficace nel determinare le probabilità dei diversi esiti possibili?

Generalmente, si ritiene che delle risposte convincenti alle domande di cui sopra siano ancora da trovare. Non solo, molti ritengono che queste risposte non potranno essere trovate, poiché le cosiddette teorie delle variabili nascoste, che presuppongono che la meccanica quantistica sia una teoria incompleta, avrebbero ricevuto uno stop definitivo dai cosiddetti no-go theorems: vere e proprie dimostrazioni di impossibilità che vieterebbero la costruzione di teorie in cui l’indeterminazione quantistica viene sostituita da una descrizione più specifica, di tipo puramente deterministico.

In altri termini, i no-go theorems proibirebbero la sostituzione della meccanica quantistica con una teoria più fondamentale, in cui le entità fisiche possiedono sempre delle proprietà ben definite, cioè tali che le probabilità di avere o non avere una certa proprietà possono assumere solo i valori 0 e 1. Ma è davvero così?

Nel seguente video di presentazione (in inglese) scoprirete che contrariamente a quanto solitamente ritenuto, il problema centrale della meccanica quantistica può di fatto essere risolto, utilizzando un argomento di tipo “variabili nascoste”. Ma per fare questo è necessario seguire l’intuizione del fisico belga Diederik Aerts, che già negli anni ottanta del secolo scorso ha proposto di associare le variabili nascoste non allo stato dell’entità misurata, ma alla sua interazione con l’apparato di misura, in quella che oggi è nota come l’interpretazione a misure nascoste della meccanica quantistica.

Se le variabili nascoste sono le possibili interazioni associate a un processo di misura, allora i no-go theorems non si applicano più, e diventa possibile non solo spiegare concettualmente la natura di una misura quantistica, ma anche derivare, in modo non circolare, la famosa regola Born. Buona visione!

Se sei un fisico professionista, e vorresti approfondire la soluzione illustrata nel summenzionato video, da un punto di vista tecnico, consiglio la lettura del seguente articolo ad accesso aperto, pubblicato di recente:

Diederik Aerts & Massimiliano Sassoli de Bianchi, The Extended Bloch Representation of Quantum Mechanics and the Hidden-Measurement Solution to the Measurement Problem, Annals of Physics 351, Pages 975–1025 (2014).

Se disponi di una buona preparazione scientifica, ma vorresti leggere un testo meno tecnico (ma nondimeno rigoroso), consiglio il seguente articolo, scritto in forma di dialogo (scaricabile gratuitamente qui: arXiv:1406.0620 [quant-ph]):

Diederik Aerts & Massimiliano Sassoli de Bianchi, Many-Measurements or Many-Worlds? A Dialogue, Foundations of Science. DOI: 10.1007/s10699–014–9382-y (December 2014).

Se invece non possiedi conoscenze specifiche nel campo della fisica, e vorresti leggere un testo più didattico circa l’interpretazione a misure nascoste, posso consigliare la lettura del seguente libricino:

Massimiliano Sassoli de Bianchi, Effetto Osservatore – Il mistero quantistico demistificato, Adea Edizioni (2013).

Vedi anche il video di presentazione:

Come ultima raccomandazione, segnalo il seguente video, che ha avuto un notevole successo su YouTube (più di 75’000 visualizzazioni ad oggi!), che vi spiegherà, tra le altre cose, il famoso principio di indeterminazione di Heisenberg, l’effetto Compton, il principio di complementarità di Bohr, il criterio di realtà di Einstein, e la misteriosa non-spazialità delle entità microscopiche.