Perché ad Einstein non piaceva la fisica quantistica?

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Perché ad Einstein non piaceva la fisica quantistica?

Impariamo insieme la fisica quantistica: il fenomeno dell’entanglement e il paradosso EPR

di Antonella Ravizza – 08/04/2016

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Perché ad Einstein non piaceva la fisica quantistica?

Verso linizio del 1900 le teorie di Albert Einstein non si conciliavano molto con le implicazioni
della nascente fisica quantistica, a tal punto che nella conferenza di Solvay del 1927, dedicata a
importanti problemi aperti riguardanti elettroni e fotoni, Einstein propose alcuni esperimenti per
rilevare alcune inesattezze nella teoria quantistica. Le sue obiezioni furono in seguito confutate
da Bohr e il povero Einstein, pur accettando la delusione, continuò ad approfondire largomento.

Il paradosso EPR

Nel 1935 Einstein e due suoi colleghi, Podolsky e Rosen, descrissero un esperimento passato alla
storia della fisica come paradosso EPR. Einstein rifiutava la teoria quantistica perché questa
sostiene che solo dopo aver misurato il valore della proprietà di una particella, la particella
stessa acquista realtà fisica, invece prima della misura va considerata come una sovrapposizione di
stati. Sono note le frasi che ripeteva spesso: Mi piace pensare che la luna stia lì anche se non la
sto guardando e Dio non gioca a dadi e ancora: Se, senza disturbare in alcun modo un sistema,
possiamo predire con certezza il valore di una quantità fisica, allora esiste un elemento di realtà fisica corrispondente a questa quantità fisica.
Secondo Einstein, infatti, se una proprietà fisica di un oggetto può essere vista anche senza che
loggetto sia osservato, allora la proprietà stessa non può essere stata creata dallosservazione, ma deve essere una realtà fisica anche prima dellosservazione.
Secondo Einstein lentanglement poteva essere usato per trovare un’incoerenza nella teoria
quantistica. Ricordiamo che cosè lentanglement: è un fenomeno quantistico in cui ogni stato
quantico di un insieme di due o più sistemi fisici dipende dallo stato di ciascun sistema.

Chiariamo il concetto con un esempio: consideriamo un raggio di luce, composto da un flusso di
fotoni. La direzione del campo elettrico della luce è detta la sua direzione di polarizzazione. La
direzione di polarizzazione di un fotone può formare qualsiasi angolo, ad esempio verticale o
orizzontale. È possibile generare una coppia di fotoni entangled se, per esempio, un cristallo
viene irradiato da un laser. In questo caso un singolo fotone può dividersi per formarne due.
Ciascun fotone prodotto in questa maniera avrà sempre una polarizzazione ortogonale a quella
dellaltro: ad esempio, se un fotone ha polarizzazione verticale, allora laltro dovrà avere
polarizzazione orizzontale (questo per la conservazione del momento angolare: il momento angolare
del sistema prima della divisione deve essere uguale al momento angolare del sistema dopo la
divisione). Quindi, se due persone ricevono ciascuno uno dei due fotoni entangled e ne misurano la
polarizzazione, scoprono che quella del fotone ricevuto dallaltra persona sarà ortogonale a quella
del proprio. Sembrerebbe esserci unapparente connessione fra le particelle, che prescinde dalla
loro distanza. Questo vuol dire che la misura della proprietà è dipendente dal tipo di osservazione
effettuata sullaltra particella entangled: cè una connessione istantanea fra le particelle.

Consideriamo ora due fotoni entangled, uno dei quali inviato a un osservatore donna, e laltro
allosservatore uomo. I due osservatori possono anche essere lontani fra loro, ma i due fotoni
entangled devono avere polarizzazioni ortogonali. Quindi quando la donna misura la polarizzazione
del suo fotone e la trova, diciamo, verticale, sappiamo istantaneamente che il fotone delluomo avrà
polarizzazione orizzontale anche se luomo non lha ancora misurata! La teoria quantistica però ci
dice che prima che luomo misuri il suo fotone, questo non può avere valore preciso per la sua
polarizzazione, ma si trova in una sovrapposizione di stati. Solo nel momento in cui luomo lo misura diventa fisicamente vero.
Come si può allora sapere il risultato prima della misura? Secondo la teoria quantistica, la
misurazione della polarizzazione verticale della donna fa collassare istantaneamente entrambi i fotoni, così il fotone delluomo risulterà polarizzato orizzontalmente.

Einstein e il teorema di Bell

Tuttavia Einstein sosteneva che queste comunicazioni istantanee del valore della polarizzazione fra
i due fotoni non potevano essere in accordo con la relatività, perché niente può viaggiare più
veloce della luce. Einstein credeva quindi che lunico modo per uscire da questo paradosso fosse di
assumere che il fotone delluomo possedesse alcune proprietà fisse che sono nascoste alla nostra
vista, chiamate variabili nascoste, e come lui tutte le particelle. In questo modo non sono
richieste comunicazioni più veloci della velocità della luce, perché la proprietà della particella è
fissata quando la particella stessa è creata. Nel 1964 John Bell sviluppò un teorema per dimostrare
lazione a distanza. Si arrivò alla seguente conclusione: ciò che succede a una particella influenza
immediatamente le altre. Einstein, come al solito, aveva influenzato la fisica del futuro!

Dalla Fisica Classica alla Fisica Quantistica

La Fisica sviluppata prima del 1900 (la “Fisica classica”) consta della meccanica classica, basata
sulle equazioni di Newton, della teoria di Maxwell (elettricità, magnetismo, onde elettromagnetiche), della termodinamica e della teoria cinetica dei gas.

Alla fine del secolo XIX vari esperimenti mostrarono risultati che erano in profonda contraddizione
con i fondamenti della fisica classica e portarono alla costruzione di nuove teorie: a) la teoria della relatività di Einstein, b) la meccanica quantistica.

L’ effetto della relatività nei sistemi chimici è piuttosto limitato poiché le velocità in gioco
all’interno delle molecole sono assai inferiori velocità della luce; sebbene la relatività sia
importante per la comprensione delle proprietà elettroniche degli atomi pesanti, possiamo dire che
essa non svolge un ruolo molto rilevante nello studio della struttura molecolare e nella reattività
chimica (a parte la radioattività e altri fenomeni specifici) e pertanto essa non viene generalmente insegnata, se non per sommi capi, nei corsi di laurea in Chimica.

Al contrario la Meccanica Quantistica costituisce il fondamento su cui è costruita tutta la chimica.
La nostra attuale comprensione della struttura atomica e molecolare è basata sui principi della
Meccanica Quantistica che, a buon diritto, costituisce il fondamento della struttura della materia.
Vediamo ora sinteticamente alcuni esperimenti cruciali che imposero un mutamento nel pensiero scientifico agli inizi del secolo XX.

Carlo Tarsitani
Dalla Fisica Classica alla Fisica Quantistica >>> http://goo.gl/OgUZj6 Riflessioni sul rinnovamento dell’insegnamento della fisica
http://www.macrolibrarsi.it/libri/__dalla-fisica-classica-alla-fisica-quantistica.php?pn=1567

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