6/01/15

La doppia fenditura astronomica **

Tra relatività ristretta e generale non vogliamo certo dimenticate la meccanica quantistica. Soprattutto, quando si riesce ad applicarla alle distanze cosmiche…

Parecchio tempo fa, parlando dell’esperienza della doppia fenditura, eravamo arrivati a discutere brevemente della “scelta ritardata”. E’ semplice richiamare questo concetto. Se un osservatore controlla il passaggio dell’elettrone o del fotone PRIMA che esso possa “scegliere” da che fenditura passare, si può sempre dire che la scelta è stata influenzata da questa osservazione. In fondo, pur essendo un risultato assurdo, si mantiene una certa sequenza temporale logica. Prima si controlla dov’è la particella; in quel momento si influisce sulla sua futura condotta e a lei non resta che adeguarsi.

La MQ sarebbe pur sempre un fenomeno da Alice, ma almeno l’effetto avverrebbe dopo la causa (osservazione), anche se questa causa non ha un alcun senso logico. La conseguenza finale, come sappiamo molto bene, è la mancanza di frange d’interferenza sullo schermo , dato che abbiamo trasformato l’onda in particella prima del passaggio da uno o dall’altro dei due fori.

Il vero ingresso nel mondo dello Stregatto & co. si ha nel caso dell’esperimento a scelta ritardata. In questo caso, l’osservatore si mette DOPO le fenditure, quando ormai la scelta deve essere stata fatta dalla particella. Tuttavia, anche in queste condizioni, l’interferenza non avviene. Il fatto stesso di aver osservato la particella annulla ciò che doveva già essere successo. La sequenza temporale viene distrutta! In altre parole, la particella sceglie da dove passare PRIMA di essere  influenzata da chi osserva, ma la sua scelta dipende sempre e comunque dall’osservazione che avviene DOPO. Ancora più semplicemente, sembra che la particella sappia in anticipo, prima di attraversare la fenditura, se DOPO vi è un osservatore oppure no.

La spiegazione del tutto “illogica”, ma completamente “reale”, come verificato da innumerevoli esperimenti, è che se non si guarda la particella essa si comporta come un’onda passando da entrambe le fenditure o -se preferite- ogni particella che passa è in continuo contatto con le sorelline in modo da formare tutte assieme una figura d’interferenza.

Comunque scegliate di descriverla, il suo comportamento è quello di un’onda finché non viene rilevata e di particella “materiale” non appena viene osservata, sia dall’osservatore lungo il percorso che nel momento dell’impatto con lo schermo finale. Non preoccupiamoci se gli elettroni sono comunemente identificati come vere particelle, con tanto di massa, mentre i fotoni sono soltanto pacchetti d’energia, apparentemente privi di massa. Entrambi si sanno comportare come onde e particelle, a seconda della situazione in cui si trovano. In parole tecniche possono esistere in due “stati” diversi.

Queste cose se le sappiamo molto bene. Tuttavia, la scelta ritardata ha dei risvolti astronomici che sono veramente allucinanti. Non differiscono affatto da quelli che si ottengono in laboratorio, ma il fatto stesso di trattare con distanze e con numeri giganteschi li rendono molto più affascinanti e misteriosi. Abbiamo appena parlato di effetto fotoelettrico e di Einstein. Tanto vale utilizzare una previsione della sua relatività generale, ampiamente confermata continuamente nel Cosmo, per costruire un sistema a doppia fenditura su scala immensa. Al posto delle due fenditure usiamo una galassia o un ammasso di galassie o anche solo un buco nero, ossia qualsiasi cosa sia abbastanza massiccio da curvare sensibilmente lo spaziotempo.

Mi ricordo che quando avevo accennato a questa possibilità, qualcuno (non ricordo più chi) mi aveva chiesto di spiegarlo con maggiori dettagli. Io gli avevo risposto che la situazione era identica al caso della scelta ritardata e che potevo aggiungere ben poco. Se l’era un po’ presa, ma spero che sia rimasto tra di noi. Pensando nuovamente a quegli strani abitanti dell’Universo che sono i fotoni mentre descrivevo l’effetto fotoelettrico, mi è tornato in mente quell’episodio e ho deciso di descrivere passo a passo l’applicazione astronomica anche se per molti (forse quasi per tutti) non sarebbe assolutamente necessario.

Essendoci, però, molti “nuovi” lettori, può essere interessante, per loro, rendersi conto di un’applicazione gigantesca della doppia fenditura e magari essere invogliati ad andare a leggere con attenzione e curiosità la nostra introduzione alla MQ, che li aspetta nella sezione “approfondimenti” (tra non molto la seguirà anche la QED…).

Torniamo a “bomba”. La luce di un oggetto estremamente lontano potrebbe essere teoricamente “bloccata” dalla presenza del tutto casuale di un oggetto estremamente massiccio che si interpone esattamente (o quasi) tra noi e l’oggetto nascosto. Tuttavia, invece di nascondersi, come logicamente dovrebbe capitare, la curvatura dello spaziotempo causata dalla massa più vicina, descritta da Einstein, costringe la luce dell’oggetto più lontano a “curvare” anch’essa e raggiungerci, comunque, sulla Terra. Siamo di fronte al celebre e ben conosciuto effetto lente.

Vediamo la situazione nella figura, dove la sorgente lontana è il quasar Q e la “lente” che piega (e amplifica la luminosità) la galassia G.  Due raggi luminosi emessi dal quasar, in direzioni diverse, vengono incurvati dalla galassia che funge da lente gravitazionale e vengono focalizzati sulla Terra T, dando luogo, all’interno dei nostri telescopi, a immagini multiple del quasar stesso.

doppiaastron

A noi, comunque, non interessa questo aspetto, ma il fatto che la galassia G crea esattamente un sistema a doppia fenditura. Parte della luce, ossia dei fotoni del quasar (particelle o onde che siano), passa da un lato della galassia (F1) e una parte dall’altra (F2). Teoricamente (ma anche praticamente, visti i risultati degli esperimenti di laboratorio), se giungono fino  noi abbastanza fotoni del quasar Q, essi devono dare luogo a una figura di interferenza su una lastra fotografica o su qualche rilevatore di ultima generazione. Ovviamente, ciò capita solo e soltanto se nessuno interviene a “disturbare” il percorso dei fotoni.

Se, invece, si decidesse di inviare un rivelatore O nello Spazio per osservare l’effettivo percorso di ciascun fotone, ci aspettiamo -e ne siamo più che sicuri- che l’interferenza deve sparire, proprio come succede nell’esperimento della doppia fenditura. Ricordiamoci che, teoricamente, basta un solo rilevatore, dato che se anche  non vediamo "direttamente" passare il fotone, abbiamo la sicurezza che sia passato dall'altra parte e quindi è come se avessimo due rilevatori.

Non abbiamo fatto niente di diverso rispetto al caso precedente che ci aveva sicuramente meravigliato, ma che sembrava limitato a dimensioni e a tempi piuttosto modesti. In questo caso astronomico, invece, la questione si “allarga” di molto. L’osservazione dei fotoni eseguita vicino al punto di arrivo dei fotoni (la Terra) avviene MILIARDI DI ANNI dopo che la luce è transitata da un lato o dall’altro della galassia-lente. E questa osservazione odierna costringe a far passare MILIARDI DI ANNI PRIMA un fotone da una parte o dall’altra. In altre parole, la scelta dei fotoni viene decisa solo oggi o -ancora meglio- i fotoni dovevano già “sapere”, diversi MILIARDI DI ANNI prima della formazione della nostra Terra, che noi li avremmo osservati.

Posso dirvi che a tutt’oggi non è ancora stato possibile eseguire praticamente l'esperimento, a causa del limitato numero di fotoni che ci raggiunge e per il lungo e difficoltoso percorso che hanno dovuto compiere in uno spazio che sembra vuoto, ma che vuoto non è. In ogni modo, è solo questione di tempo.

Quando questa particolare versione dell’esperimento di scelta ritardata verrà realizzata, dimostrerebbe praticamente un concetto che ha del … mostruoso: il passato nel mondo quantistico è influenzato dal tipo di osservazioni che decidiamo di eseguire ora.

Chi ha il coraggio di dire ancora che Alice nel Paese delle Meraviglie è SOLO un libro per ragazzi?

Ma, questi concetti, stimolano ancora di più la nostra fantasia e il nostro pensiero più profondo. Ne avevamo già discusso a lungo. Ad esempio, potrebbe essere una spiegazione (senza il bisogno di ricorrere a Dio) del come mai i fenomeni naturali del Cosmo sembrano “fatti apposta” per dar luogo alla vita. Ovvio! Siamo proprio noi che diamo forma e sostanza alla realtà fisica del passato, quando ancora non esistevamo.

La vita intelligente non sarebbe, quindi, un prodotto dell’evoluzione dell’Universo, ma ne sarebbe una parte attiva. Va beh… non cadiamo nuovamente nella filosofia scientifica più spinta. Io preferisco riferirmi come sempre al grande Richard Feynman. Egli riteneva che l’esperimento della doppia fenditura fosse impossibile da spiegare in modo “classico” e che rappresentasse l’unico vero MISTERO della meccanica quantistica (e non solo). Con parole sue: “Non possiamo eliminare il mistero spiegando PERCHE’ funziona, ma solo descrivere COME funziona”.

Io, piccolo microbo di fronte a lui, mi permetto di aggiungere: “La mente umana si basa su processi quantistici che cerca ancora di spiegare attraverso la fisica classica. Il giorno che riuscirà a utilizzare il cervello e a comprendere il suo vero linguaggio, qualsiasi mistero scomparirà nel modo più semplice e ovvio possibile. Nella fase evolutiva odierna, la mente cerca  di tradurre le sue azioni in una lingua molto “rozza” e primitiva, l’unica che riusciamo a comprendere. Quando finalmente avremo imparato il nostro “vero” linguaggio, la nebbia scomparirà”.

Ce la faremo mai? Ci applicheremo abbastanza? Perderemo meno tempo a pensare a cose prive di un senso “veramente” logico? Non so, ma -come vi è ben noto- sono molto pessimista. Se continuiamo a parlare tra di noi in inglese è ben difficile che si possa imparare il cinese…

1 commento

  1. carlo2002

    Oddio ! Penso di essere stato io quel "qualcuno" brontolone :D

    ...ma non me l'ero presa!!! Cercavo solo di stimolare la produzioni di maggiori spiegazioni.

    E comunque sia sono sempre qua e, anche se molte volte quello che viene spiegato è ben superiore a quello che riesco a capire, mi piace seguire quello che spieghi ed insegni ma anche le osservazioni di molti tuoi lettori.
    Si impare sempre ed è un piacere.

    Grazie per questo approfondimento, ma adesso una curiosità: Esiste già nella comunità scientifica qualche progetto per tentare l'esperimento?
    Se si, chi ci sta lavorando? Quali strutture dovrebbero essere messe in opera?

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