La transizione quantistico-classica rimane uno dei problemi aperti più dibattuti nella fisica moderna. Sebbene la teoria della decoerenza spieghi con successo la soppressione delle interferenze in molti regimi sperimentali, manca ancora una chiara distinzione operativa tra decoerenza reversibile e collasso irreversibile, soprattutto nei sistemi interferometrici mesoscopici e macroscopici. In questo lavoro proponiamo una modifica fenomenologica della dinamica di Schrödinger che introduce un termine non-lineare dipendente dall’entropia, il quale induce una transizione irreversibile dalle sovrapposizioni quantistiche agli stati classici oltre una soglia ben definita. Il modello predice tempi di collasso finiti che dipendono da parametri sperimentalmente accessibili e sopprime naturalmente qualsiasi ripristino della coerenza una volta che la transizione si è verificata. La teoria è esplicitamente falsificabile: se la coerenza viene osservata a ripristinarsi oltre la soglia prevista (≈10⁶ gradi di libertà effettivi), il modello è smentito. Confrontiamo i tempi di collasso previsti con la perdita di coerenza osservata in un’ampia gamma di esperimenti interferometrici e mesoscopici, inclusi cavity QED, sistemi optomeccanici, circuiti superconduttori e interferometria molecolare. In tutti i regimi analizzati, il modello riproduce gli ordini di grandezza osservati dei tempi caratteristici di decoerenza o collasso. Infine, discutiamo scenari sperimentali—particolarmente quelli che coinvolgono grandi molecole come le porfirine—dove il modello può essere testato direttamente e potenzialmente distinto dalle descrizioni standard basate unicamente sulla decoerenza.
La transizione quantistico-classica rimane uno dei problemi aperti più dibattuti nella fisica moderna. Sebbene la teoria della decoerenza spieghi con successo la soppressione delle interferenze in molti regimi sperimentali, manca ancora una chiara distinzione operativa tra decoerenza reversibile e collasso irreversibile, soprattutto nei sistemi interferometrici mesoscopici e macroscopici. In questo lavoro proponiamo una modifica fenomenologica della dinamica di Schrödinger che introduce un termine non-lineare dipendente dall’entropia, il quale induce una transizione irreversibile dalle sovrapposizioni quantistiche agli stati classici oltre una soglia ben definita. Il modello predice tempi di collasso finiti che dipendono da parametri sperimentalmente accessibili e sopprime naturalmente qualsiasi ripristino della coerenza una volta che la transizione si è verificata. La teoria è esplicitamente falsificabile: se la coerenza viene osservata a ripristinarsi oltre la soglia prevista (≈10⁶ gradi di libertà effettivi), il modello è smentito. Confrontiamo i tempi di collasso previsti con la perdita di coerenza osservata in un’ampia gamma di esperimenti interferometrici e mesoscopici, inclusi cavity QED, sistemi optomeccanici, circuiti superconduttori e interferometria molecolare. In tutti i regimi analizzati, il modello riproduce gli ordini di grandezza osservati dei tempi caratteristici di decoerenza o collasso. Infine, discutiamo scenari sperimentali—particolarmente quelli che coinvolgono grandi molecole come le porfirine—dove il modello può essere testato direttamente e potenzialmente distinto dalle descrizioni standard basate unicamente sulla decoerenza.
Il “problema della misura” viene affrontato considerando il necessario accoppiamento tra sistema da osservare e apparato di misura, rendendo il sistema stesso aperto ad un certo ambiente. Un sistema aperto subisce decoerenza, ovvero la scomparsa di alcuni elementi non diagonali della matrice densita che ne descrive lo stato. Dopo aver mostrato che la decoerenza e’ equivalente ad un’acquisizione di informazione sul sistema da parte dell’ambiente, discutiamo la possibilita di fornirne una trattazione dinamica. Sono, quindi, proposti due modelli tali da descrivere la dinamica dei sistemi aperti, uno in approssimazione Markoviana e uno non-Markoviana, evidenziando sotto quali ipotesi aggiuntive tali modelli possono descrivere un processo dinamico di misura ideale di prima specie.
Infine, discutiamo l'irreversibilita di un tale processo per mezzo della produzione di Entropia durante lo stesso, mostrando come cio e’ in accordo con una corretta descrizione dinamica di una misura ideale irreversibile.
Gli organismi viventi, dal punto di vista termodinamico, sono simili a dei sistemi aperti, che operano lontano dall’equilibrio. Infatti, i processi metabolici della vita si basano su continui flussi interni e scambi di energia, materia e informazioni degli organismi con l’ambiente circostante. Ad un livello fisico più profondo, tuttavia, questi scambi sono mediati da oscillazioni quantistiche ondulatorie che comprendono, ad esempio: oscillazioni meccaniche, elettromagnetiche, nucleari e termiche. Anche il vuoto, secondo la Teoria Quantistica dei Campi (Quantum Field Theory – QFT), è sede di inarrestabili fluttuazioni quantistiche. Alla luce di questo, è ragionevole sostenere che gli organismi viventi sono sistemi aperti lontani non solo dall’equilibrio termodinamico, ma anche dall’equilibrio quantistico. Questo determina ed influenza anche i diversi livelli di coscienza degli organismi viventi. L’articolo propone un modello della coscienza degli organismi viventi, basato su un approccio più ampio rispetto a quello della Meccanica Quantistica e della QFT: questo nuovo approccio si propone infatti di considerare i processi della coscienza, oltre l’equilibrio quantistico, caratteristica fondamentale della vita. Il modello di coscienza proposto fa leva sulla teoria di de Broglie-Bohm che ha portato alla definizione del campo e potenziale quantistico: in particolare, la coscienza viene definita come un campo quantistico, il cui potenziale associato viene elaborato dall’organismo vivente, come informazione attiva. In analogia con il campo quantistico della teoria di de Broglie-Bohm per la materia inanimata, anche il campo quantistico della coscienza della materia vivente non ha sorgenti e la sua forma o curvatura ha più importanza fisica dell’ampiezza: in particolare, si propone che tale curvatura sia associata a condensazioni dei bosoni di Nambu Goldstone (come previsto dalla QFT) a seguito di rotture di simmetria di tale campo.
Dopo un’introduzione sui fondamenti matematici della Meccanica Quantistica e la sua formulazione wigneriana, si ricava un’equazione 1-dimensionale di Wigner con termine di decoerenza partendo dalla descrizione dettagliata di R. Adami, M. Hauray, C. Negulescu per la decoerenza di una particella pesante che interagisce con una particella leggera. Si mostra che il modello ottenuto ne contiene, quali casi particolari, altri già utilizzati per descrivere il fenomeno della decoerenza quantistica, come ad esempio l’equazione di Wigner–Fokker–Planck o le funzioni di Wigner con lunghezza di coerenza finita. Si indaga l’effetto della decoerenza sulla dinamica delle quantità macroscopiche (densità, corrente, energia) attraverso le corrispondenti leggi di bilancio. Si applica poi il modello ricavato ad una situazione di interesse fisico mediante simulazioni numeriche: un processo di tunneling in ambiente decoerente. Si investiga la questione asintotica per tempi lunghi nel caso di soluzioni gaussiane e si accenna al caso generale spazio omogeneo. Si mostra che l’aggiunta di un termine di frizione quantistica di tipo Caldeira-Legget all’equazione di Wigner con decoerenza è capace di realizzare il comportamento asintotico prevedibile sulla base di considerazioni di natura fisica.
Il dibattito sui fondamenti e sulla filosofia della meccanica quantistica si è arricchito negli ultimi decenni di nuove riflessioni e nuove idee, che difficilmente trovano posto però nei testi divulgativi e nei manuali. Questo volume si propone di colmare tale lacuna, accompagnando il lettore lungo un percorso che parte dai concetti di base della teoria (vettore di stato, funzione d’onda, dinamica e proprietà dei sistemi) e arriva alla spiegazione dei fenomeni quantistici più importanti (dualismo onda-corpuscolo, principio di sovrapposizione, entanglement), per approdare infine all’analisi delle sfide interpretative più complesse, come il problema della misura, il carattere statistico e il rapporto tra formalismo e ontologia. Ampio spazio è dedicato al significato del principio di indeterminazione, alla descrizione di alcuni apparenti paradossi (gatto di Schrödinger, scatola di Einstein) e alla teoria della decoerenza, che descrive il passaggio dalla meccanica quantistica alla meccanica classica. Il testo è corredato di riquadri di approfondimento in cui vengono esaminati temi più avanzati e tracciati collegamenti fra i diversi argomenti. Il volume si inserisce, dunque, nella discussione attuale sui fondamenti, offrendo al lettore una chiave di lettura chiara e rigorosa dell’interpretazione standard della meccanica quantistica.
SOMMARIO. Esistono fenomeni fisici come la decoerenza, il rumore, la misura effettuata nel mezzo del processo computazionale, che difficilmente possono essere interpretati attraverso il paradigma quantistico standard. In un processo computazionale, una qualsiasi interazione del sistema con l’ambiente causa un’inevitabile perdita di informazione che rende il processo stesso irreversibile. Per tener conto di situazioni di questo tipo, la computazione quantistica ha recentemente adottato un nuovo approccio che si spinge oltre a quello standard. Lo scopo di questo articolo `e quello di riassumere in maniera descrittiva (evitando di entrare in dettagli tecnici) i caratteri principali di questo nuovo approccio e analizzarne qualche possibile applicazione.
È stato studiato un problema di scattering tra due particelle che interagiscono tramite un potenziale puntuale in tre dimensioni nel limite in cui una particella ha massa molto minore dell’altra. I risultati ottenuti hanno permesso di stimare gli effetti di decoerenza dinamicamente indotta su uno stato entangled della particella “pesante” che si ottengono quando la particella “leggera” viene utilizzata come misuratore per la posizione della particella “pesante”. Utilizzando la teoria delle estensioni autoaggiunte è stato modellizzato un sistema in cui una particella quantistica (senza spin) interagisce con uno spin posto in un punto fissato dello spazio mediante un potenziale singolare dipendente dallo spin. È stata discussa la caratterizzazione di tutte le possibili hamiltoniane di interazione ottenibili come perturbazioni puntuali dell’hamiltoniana libera. In alcuni casi particolari è stato possibile ottenere espressioni esplicite per il propagatore. La conoscenza della dinamica esatta del sistema ha permesso di valutare esplicitamente l’attenuazione dei termini di interferenza quantistica in uno stato entangled dello spin, dovuta all’interazione con la particella. È stato studiato un problema di interazione in una dimensione di un numero finito e infinito di sorgenti con il campo acustico. Lo scopo era quello di dimostrare che, in assenza di meccanismi di riflessione delle onde acustiche, il moto delle sorgenti risulta smorzato a causa dell’interazione con il proprio campo. Utilizzando la teoria delle estensioni autoaggiunte di operatori simmetrici è stata realizzata una formulazione del tutto nuova di tale problema. Tale formulazione ha permesso di ottenere risultati molto generali sullo smorzamento delle oscillazioni delle sorgenti.