Il potere dell'immaginazione: la mente come laboratorio

Un Gedankenexperiment, termine tedesco che significa “esperimento mentale”, è un esercizio intellettuale in cui si immagina una situazione fisica ipotetica per esplorarne le conseguenze teoriche. Pur non essendo immediatamente realizzabili nella pratica, questi esperimenti hanno avuto un impatto fondamentale nello sviluppo della fisica moderna. Essi permettono di isolare concetti chiave, mettere alla prova teorie e talvolta persino confutarle, senza la necessità di esperimenti reali. In alcuni casi, poi, questi esperimenti mentali possono ispirarne di reali, da realizzare una volta che la tecnologia e i fondi lo permettono. Uno dei primi esempi storici di esperimento mentale è stato concepito da Galileo Galilei. Contro la concezione aristotelica secondo cui i corpi più pesanti cadono più velocemente, Galileo immaginò di legare insieme due oggetti, uno pesante e uno leggero. Se la tesi di Aristotele fosse vera, l’oggetto più leggero rallenterebbe quello più pesante, ma insieme formerebbero un sistema ancora più pesante che dovrebbe cadere più velocemente. Questo paradosso logico dimostrava l’incoerenza della teoria aristotelica e anticipava la legge di caduta libera dei corpi che lo stesso Galileo poi sperimentò nella sua casa-laboratorio di Padova. Albert Einstein fu forse il più celebre ideatore di esperimenti mentali nella storia della Fisica. Più di un secolo fa, ne fece un uso sistematico per sviluppare la relatività ristretta e generale superando limiti tecnologici che impedivano, a quel tempo, di ottenere misure abbastanza precise per confermare le sue idee. Ad esempio, nel 1911 Einstein immaginò un uomo chiuso in un ascensore senza finestrini. Se l’ascensore è in caduta libera, l’uomo non percepisce il proprio peso e tutti gli oggetti intorno a lui fluttuerebbero come se fossero in assenza di gravità. L’uomo potrebbe a questo punto concludere che si trova in una regione dello spazio lontanissimo da ogni corpo celeste dove non c’è nessun campo gravitazionale.

Al contrario, se l’ascensore fosse fermo a terra, l’uomo percepirebbe il proprio peso. Ma la stessa cosa accadrebbe se l’ascensore si trovasse nello spazio vuoto e fosse accelerato in modo costante. Con questo semplice ma profondo pensiero Einstein comprese uno degli aspetti fondamentali della relatività generale, ovvero che un campo gravitazionale lo si può sempre simulare con un’accelerazione e non c’è modo di distinguere sperimentalmente tra i due (noto come principio di equivalenza). Un altro famosissimo esperimento mentale viene spesso chiamato il “paradosso dei gemelli”: supponiamo che esista una coppia di gemelli identici e che uno dei due decida di partire con un razzo per viaggiare verso la stella più vicina a velocità prossime a quelle della luce. Siccome si trova a circa 4 anni luce da noi, il viaggio di andata e ritorno durerebbe, per il gemello rimasto a terra, circa otto anni mentre per il gemello sull’astronave durerebbe solo poche ore a causa della contrazione del tempo sull’astronave prevista dalla relatività. Come risultato, il gemello viaggiatore tornerebbe sulla terra 8 anni più giovane del gemello rimasto a terra! Questo sembra un paradosso ma in realtà è un fenomeno che si spiega perfettamente con la relatività ristretta di Einstein. Alcuni decenni dopo la sua formulazione, un fenomeno simile è stato di fatto misurato sperimentalmente confrontando il ritardo accumulato (dell’ordine dei nanosecondi!) tra orologi atomici in moto su aerei di linea e orologi rimasti a terra. Nel campo della meccanica quantistica, gli esperimenti mentali hanno sollevato questioni profonde e ancora oggi dibattute. Il celebre “Gatto di Schrödinger” fu ideato per criticare l’interpretazione di Copenaghe della funzione d’onda. Secondo questa interpretazione, un sistema quantistico esiste in una sovrapposizione di stati finché non viene osservato, rompendo definitivamente l’idea che esperimento e sperimentatore siano entità separate. Schrödinger propose un esperimento mentale in cui un gatto viene chiuso in una scatola con un meccanismo che, in modo del tutto casuale, può rilasciare o meno un veleno in grado ucciderlo. Seguendo l’interpretazione di Copenaghen, una volta chiusa la scatola il gatto si trova in una sovrapposizione quantistica di due stati: vivo o morto a seconda che il veleno venga rilasciato o no. Nel momento in cui lo sperimentatore apre la scatola, il gatto “collassa” definitivamente in uno dei due stati ma fino a quel momento non è possibile dire se sia vivo o morto. Questo esperimento mentale mette in evidenza l’apparente assurdità di applicare la meccanica quantistica agli oggetti macroscopici come i gatti. Infatti la sovrapposizione di stati è un fenomeno reale ma solo a livello di singole particelle elementari, in quanto oggetti più grandi si comportano nel modo classico che ci è familiare. Tuttavia, il confine tra i due mondi, classicoe quantistico, non è ben definito e il dibattito scientifico continua ancora ai giorni nostri.

Sempre Einstein, insieme a Podolsky e Rosen, formulò nel 1935 un altro famoso esperimento mentale, oggi noto come “paradosso EPR”. Esso metteva in dubbio la completezza della meccanica quantistica, mostrando come due particelle potessero influenzarsi istantaneamente anche se separate da grandi distanze. Ciò che Einstein chiamò “azione spettrale a distanza”. La relatività ristretta impedisce a qualsiasi segnale di viaggiare più veloce della luce. Se due particelle sono caratterizzate da un “intreccio quantistico” (la traduzione dell’anglicismo quantum entanglement) possono istantaneamente influenzarsi a vicenda anche se molto distanti tra loro. Ma questo è in contrasto con il limite alla velocità di qualsiasi segnale imposto dalla relatività. Ancora oggi si dibatte sulla soluzione di questa contraddizione messa in luce da Einstein un secolo fa. I Gedankenexperimente sono strumenti straordinari della mente. Pur non facendo uso di laboratori, magari molto costosi oppure impossibili da costruire per limiti tecnologici, essi hanno rivoluzionato la fisica perché permettono di esplorare nuove idee, spingere i limiti delle teorie esistenti e affrontare paradossi concettuali. La mente quindi può diventare un laboratorio scientifico con immense potenzialità, bastano molta immaginazione e creatività.