I fisici cercano la linea di demarcazione tra il mondo quantistico e quello classico
Di Tim Folger (Scientific American, 27 febbraio 2024)
C’è una frattura nella realtà, un confine invisibile che separa due regni completamente diversi. Da un lato c’è il nostro mondo quotidiano, dove le cose obbediscono a regole di buon senso: gli oggetti non occupano mai più di un posto alla volta ed esistono anche quando non li guardiamo. Dall’altra parte c’è il paesaggio onirico della meccanica quantistica, dove nulla è fisso, regna l’incertezza e un singolo atomo o molecola può trovarsi in più luoghi contemporaneamente, almeno finché nessuno li osserva.
Questo significa che la realtà ha un insieme di leggi per il macrocosmo e un altro per il microcosmo? Alla maggior parte dei fisici non piace istintivamente l’idea di un universo biforcato. A Sougato Bose, teorico dell’University College di Londra (UCL), non piace affatto. “Il mio punto di vista è che la meccanica quantistica non è mai stata osservata [su scala macroscopica] perché non siamo ancora riusciti a isolare le cose abbastanza bene”, dice, cioè i ricercatori non hanno trovato un modo per schermare i grandi oggetti dal loro ambiente, in modo che le loro proprietà quantistiche siano evidenti. Come la maggior parte dei fisici, Bose ritiene che la meccanica quantistica si applichi a tutte le cose grandi e piccole. Lui e tre colleghi, due nel Regno Unito e uno in India, sperano di mettere alla prova questa convinzione entro uno o due anni con un esperimento intrigante che mira a determinare se i grandi oggetti obbediscono o meno alle strane regole della teoria quantistica.
L’esperimento, descritto in un recente numero di Physical Review Letters, si rifà a un enigma che Erwin Schrödinger, uno dei fondatori della meccanica quantistica, ha posto in modo vivido quasi un secolo fa. Cosa succederebbe, si chiedeva Schrödinger, a un gatto intrappolato in una scatola chiusa con una fiala di veleno che ha il 50% di probabilità di rompersi e di uccidere il gatto? Secondo la meccanica quantistica, il gatto è allo stesso tempo vivo e morto, e si trova in entrambi gli stati fino a quando qualcuno non apre la scatola e guarda al suo interno. Questo perché, secondo la teoria quantistica, solo quando un osservatore effettua una misurazione del sistema – aprendo la scatola e controllando – le due possibilità devono collassare in una sola. L’esempio vuole illustrare come l’applicazione di queste regole quantistiche alle cose grandi – in pratica, a qualsiasi cosa visibile a occhio nudo – porti a delle assurdità.
Quindi, se la meccanica quantistica è vera – ed è una teoria di fenomenale successo per prevedere il comportamento delle particelle – perché non vediamo mai gatti sia vivi che morti? Le leggi della meccanica quantistica si infrangono a un certo livello? Alcuni fisici la considerano una possibilità. Ma la maggior parte sostiene che l’apparente assenza di effetti quantistici nella nostra esperienza del mondo deriva dal fatto che le innumerevoli interazioni degli atomi con l’ambiente circostante offuscano la vera natura delle cose. Di conseguenza, percepiamo una sorta di versione sminuita [orig. dumbed-down], non quantistica della realtà.
Se questo è il caso, un esperimento accuratamente progettato che isoli un oggetto da quasi tutto ciò che lo circonda dovrebbe consentire ai fisici di intravedere il comportamento quantistico effettivo di quell’oggetto, anche se relativamente grande. Questo è l’obiettivo dell’esperimento proposto da Bose, Debarshi Das, anch’egli dell’UCL, Hendrik Ulbricht dell’Università di Southampton in Inghilterra e Dipankar Home del Bose Institute in India. “Ci sono due possibili risultati”, dice Home. “Uno è che la meccanica quantistica sia valida [a tutte le scale], l’altro è che ci sia una regione in cui la meccanica quantistica non sia valida”.
La maggior parte dell’hardware necessario per l’esperimento è già pronta e si trova su un tavolo nel laboratorio di Ulbricht. (È l’unico sperimentatore del gruppo; Home, Das e Bose sono teorici). L’esperimento utilizzerà i laser per mantenere sospeso un singolo nanocristallo di silice – una microscopica perlina di vetro – mentre oscilla intorno al punto focale di un piccolo specchio parabolico ricavato da un blocco di alluminio alloggiato in una camera a vuoto. Sebbene la perlina abbia un diametro di soli 100 nanometri – più o meno le dimensioni di un virus – è comunque almeno 1000 volte più grande degli ammassi di molecole che finora hanno costituito il punto di riferimento sperimentale per la quantisticità [orig. quantumness].
Nonostante la sua complessità tecnica, l’esperimento imita un fenomeno molto semplice: il movimento di un pendolo. Un campo elettromagnetico spinge la perlina di silice avanti e indietro. Come un metronomo, la perlina oscilla regolarmente dal punto A al punto B e viceversa. Per quanto riguarda la fisica classica e non quantistica, questa dovrebbe essere la fine della storia. Ma un pendolo quantistico dovrebbe comportarsi in modo molto diverso. La sua posizione cambierà a seconda che qualcuno stia guardando o meno: potrebbe partire da A ma finire da qualche parte a sinistra o a destra di B. Questo è il cosiddetto pendolo di Schrödinger.
L’esperimento metterà alla prova la natura stessa della realtà: essa è completamente oggettiva o le nostre osservazioni hanno un ruolo nel creare ciò che vediamo? Per scoprirlo, l’esperimento sarà condotto in due modi leggermente diversi. In una versione, un laser sarà puntato su un punto in cui la fisica classica prevede che la perlina si trovi, ad esempio, nella posizione B. Se la perlina è effettivamente lì, rifletterà la luce del laser verso un rivelatore. Nel secondo caso, il laser verrà puntato due volte: prima in una posizione intermedia e poi una seconda volta un po’ più avanti nel percorso della perlina. Secondo la fisica classica, la misurazione intermedia non dovrebbe influenzare la posizione successiva della perlina, che dovrebbe sempre finire in B. Dopo tutto, nella vita quotidiana non possiamo cambiare il movimento di un metronomo semplicemente guardandolo.
Ma nel caso quantistico, la misurazione intermedia ha un effetto profondo. Come nel caso del gatto di Schrödinger, la perlina non esiste in nessuno stato definito finché non viene osservata. Prima di allora, non si può dire che la perlina si trovi da qualche parte; è solo una nuvola di possibilità e assume una posizione definita solo quando viene misurata. Il semplice atto di osservare la perlina in un momento cambia la posizione in cui si troverà in un momento successivo, quando il laser brillerà per la seconda volta. Se le regole della meccanica quantistica sono valide, a volte la perlina si troverà in B, ma a volte no.
“Quando si misura, si crea quella realtà”, dice Bose. “Nella meccanica quantistica la cosa non esiste in un luogo particolare prima [della misura]. Non esiste una verità prima della misurazione”.
Per ottenere risultati statisticamente significativi, Ulbricht dovrà lavorare rapidamente ed effettuare circa 100’000 misurazioni della perlina nell’arco di un’ora. (Più a lungo l’esperimento viene eseguito, maggiore è il rischio che lievi variazioni di temperatura o altri effetti sottili possano interferire con gli aspetti quantistici della configurazione). Allo stesso tempo, dovrà calibrare la posizione dei suoi rivelatori in modo che contino solo i fotoni che interagiscono con la perlina e non quelli che potrebbero rimbalzare sul piccolo specchio parabolico nel blocco di alluminio.
In linea di principio, Bose, Ulbricht, Das e Home ritengono che il loro approccio sperimentale potrebbe essere scalato per lavorare con oggetti molto più grandi, forse anche con qualcosa di massiccio come qualche chilogrammo. Ma in questo caso la serie di potenziali effetti contaminanti, o “rumore”, diventerebbe molto più difficile da controllare. “Il rumore si riduce moltissimo [con le dimensioni]”, afferma Vlatko Vedral, fisico sperimentale dell’Università di Oxford, che studia anche la suddivisione classica-quantistica. “Il fattore di scala varia in modo esponenziale. Sarei sorpreso se si potesse fare? Non lo so, non è un esperimento banale”.
Se l’esperimento attuale si rivelerà in grado di violare le previsioni della fisica classica, porterà il mondo quantistico quasi palpabilmente vicino al nostro. “Crediamo che la meccanica quantistica sia una teoria universale”, afferma Das. “La teoria stessa non ha limiti. Ma in realtà, se questo sia vero o meno, non lo sappiamo ancora. Solo l’esperimento può risolvere questo dilemma”.
Articolo originale: https://www.scientificamerican.com/article/schroedingers-pendulum-experiment-will-search-for-the-quantum-limit/