Il gatto del fisico e il cane del medico!

Cane e gatto rappresentano i 2 animali da compagnia dell'uomo per antonomasia.

Ma avete mai pensato che potessero avere un ruolo decisamente importante in campo scientifico?
Come forse sapete, agli scienziati, oltre che sperimentare con la natura, piace anche immaginare esperimenti ideali, che avvengono solamente nella mente.
Tra essi il più noto è quello che elaborò il fisico austriaco Erwin Schrödinger nel 1935.
Faccio una breve premessa.
L'inizio del XX secolo è stato costellato da scoperte scientifiche rivoluzionarie.
Come tutti sanno, Einstein sviluppò la teoria della relatività, in un primo momento soltanto ristretta, infine generale (un po' come il caffè).

Intanto, nel 1900, l'amico di Einstein, Max Planck, aveva dato vita al concetto che forse più di tutti ha scosso la visione odierna del mondo: il quanto.
Per Planck, l'energia non si trasmette come un flusso continuo, bensì in piccoli pacchetti discreti, limitati ed indivisibili: i quanti, appunto.
Come scoprirà lo stesso Einstein, la radiazione elettromagnetica è formata da particolari quanti, che vengono detti fotoni.
In fin dei conti, le particelle sono quanti!
I fotoni rappresentano non altro che i quanti del campo elettromagnetico.
Ma la luce (la parte visibile all'occhio umano dell'ampio spettro delle radiazioni elettromagnetiche), come era stato dimostrato in passato (in particolare dal fisico inglese Thomas Young, nel 1801), è anche un'onda (così come il suono).
Ebbene, una delle numerose stranezze di quella branca della Fisica, che risulterà (non a caso) nota come Meccanica Quantistica, è il fatto che la luce (così come tutte le particelle) presenti un dualismo onda-particella o, se vi piace di più, onda-corpuscolo.
Detto in termini poverissimi, la luce è simultaneamente un'onda e una particella; in alcuni casi si manifesta sotto forma di onda, in altri assume la conformazione di un corpuscolo (fotone).

Nel 1927, il fisico tedesco Werner Heisenberg espose il notissimo principio di indeterminazione che porta il suo nome.
Spiegato con parole il più chiare possibili, esso dice che di una particella non è possibile conoscere, con esattezza, simultaneamente la sua posizione e la sua velocità.
E non è finita qui: più si conosce una caratteristica, meno si può sapere dell'altra!
Questa è la ragione alla base di questa simpatica immagine:

Cosa emerge da tutto ciò è che il mondo degli atomi e delle particelle è un vero caos, dove regna non il determinismo, bensì la probabilità.
Nulla è certo nel mondo dell'infinitamente piccolo!
Tenendo conto delle varie stravaganti scoperte, il danese Niels Bohr sviluppò il suo famoso modello atomico, "giusto un tantino" differente dal banale modello "a sistema solare" di Rutherford: l'intera spiegazione la trovate in questo post sul mio blog Scienza e Musica.

Gli stessi Bohr e Heisenberg sono i fondatori della particolare interpretazione (o scuola di pensiero) all'interno della fisica quantistica: la cosiddetta interpretazione di Copenaghen.
Tale visione poggia le sue fondamenta, in particolare, sul dualismo onda-particella sopra descritto e sul principio di complementarità, enunciato dallo stesso Bohr, nel 1927, in occasione del Congresso internazionale dei Fisici tenutosi in Italia, a Como, a cui prende parte anche il grande fisico italiano Enrico Fermi.
Cosa afferma tale principio?
Non è complicato: esso ci dice che in qualsivoglia esperimento non possono manifestarsi contemporaneamente l'aspetto ondulatorio e quello corpuscolare di una particella.
Se fosse vero il contrario, le potremmo chiamare "psycho particles"!
Ma Schrödinger è un po' "rompiscatole" e non accetta di buon grado l'interpretazione dei suoi eminenti colleghi.
Egli dichiara, al contrario, che questo modo di vedere la fisica microscopica è incompleto!
Cosa fa per dimostrare ciò?
Semplice: si avvale del gatto!
Ed ecco che nasce il paradosso del gatto di Schrödinger, in cui questo povero felino (per fortuna immaginario) viene messo in una scatola, dove è posta una sostanza radioattiva prossima al decadimento.
L'effettivo decadimento comporterebbe, secondo la folle ma geniale mente del fisico, l'azionarsi di un meccanismo che porterebbe al decesso del felino.
Infatti, nella sua scatola fittizia, Schrödinger non si fa mancare proprio niente: c'è un contatore Geiger, atto a rilevare l'effettivo decadimento della sostanza, il quale, in caso positivo, andrebbe a provocare il movimento di un martelletto, che a sua volta comporterebbe la rottura di una fiala di cianuro.
Sussiste un però: la sostanza può anche non decadere!
Ed è adesso che sorge il singolare paradosso.
Si delineano 2 scenari:

1) la sostanza decade: la fiala col veleno viene rotta e il gatto muore;
2) la sostanza non decade: il meccanismo omicida non viene azionato e il gatto si salva.

Una persona normale direbbe: "cosa c'è di strano nel fatto che sussistano 2 scenari diversi per il gatto?"
"Ne può accadere uno soltanto".
Tuttavia la Meccanica Quantistica è esattamente l'opposto dell'intuizione comune.
L'esperimento mentale mostra che il gatto, fin quando non si apre quella benedetta scatola, risulta morto e vivo contemporaneamente! 

Questo è il paradosso!
Il gatto risiede in una sorta di limbo tra una condizione di vita e una di morte!
Se volete provare a mettervi nei panni del gatto, vi consiglio questo post di Spartaco Mencaroni sul suo blog Il coniglio mannaro.
Bene, adesso avete capito chi è il gatto (zombie) del fisico.
Ma chi diavolo è il cane del medico?
Facile: sto alludendo al cane di Pavlov.
Ivan Pavlov è stato un medico e fisiologo russo, le cui ricerche si sono focalizzate sull'analisi, in particolare, della fisiologia della digestione.
Il suo esperimento più famoso e significativo è appunto quello noto come "cane di Pavlov".
In cosa consiste?
Praticamente, Pavlov ordina ai suoi assistenti di fornire del cibo alla povera bestiola, ma un attimo prima fa suonare un campanello.
In tale fase, lo scienziato non ha rilevato nessuna secrezione salivare nel cane, durante il suono del campanello, ma soltanto nel momento in cui l'animale avvista la carne.
L'esperimento continua: nella seconda fase la carne viene data alla bestiola simultaneamente al suono del campanello.
La scoperta avviene però durante la terza fase: il solo suono del campanello induce il cane a secernere saliva o, se volete, l'acquolina in bocca!
Il suono del campanello diventa pertanto, per il cane, lo stimolo condizionato, mentre lo stimolo fornitogli dalla vista e dall'odore della carne rappresenta ovviamente lo stimolo incondizionato.

A seguito di svariati esperimenti di questo genere, Pavlov si rese conto che anche stimoli non direttamente collegabili al cibo possono far scaturire il fenomeno dell'acquolina in bocca nell'animale.
In termini più generici, dimostrò che il cervello controlla non solo i meccanismi sociali, ma anche quelli di natura fisiologica.
Tali studi valsero a Pavlov il premio Nobel per la Medicina nel 1904.
Da dove mi è venuta l'idea di parlarvi contemporaneamente del gatto di Schrödinger e del cane di Pavlov, 2 esperimenti così dissimili?
Ebbene, l'idea (che spero abbiate apprezzato) è scaturita dalla visione di questa immagine (mentre ero affaccendato con la preparazione del Carnevale della Fisica n.42 su Scienza e Musica, che sarà online il 30 aprile):

Come potete osservare, portando (come si fa in analisi matematica) la quantità tempo all'infinito, otteniamo:

• un gatto simultaneamente vivo e morto nella scatola;
• un cane con l'acquolina in bocca al suono di un semplice campanello!

Ed ora, per concludere in bellezza (e per farmi perdonare il fatto che questa volta il post è un po' più corposo del solito!), guardate che meravigliosi video vi ho trovato (Beethoven for cats e Mozart for dogs):

Alla prossima!

Questo post partecipa al Carnevale della Fisica n.42 su Scienza e Musica.