Risolto il paradosso delle traiettorie surreali subatomiche

By | 18 novembre 2016

La meccanica quantistica è terribilmente intricata e terribilmente controintuitiva. Su questo crediamo che nessuno abbia mai avuto dubbi a riguardo, tranne forse i tristemente noti spacciatori di finte cure e rimedi definiti in maniera del tutto arbitraria e inopportuna “quantistici”.

La buona notizia è che a piccoli passi, chi invece sta seriamente lavorando in questo campo della conoscenza, sta facendo un po’ più di chiarezza anche su questioni che hanno storicamente dato del filo da torcere a tutti quelli che si sono dedicati alla materia in questione.

maxresdefaultUn esperimento effettuato da Aephraim Steinberg dell’Università di Toronto, in Canada, e colleghi canadesi e australiani (Dylan H. Mahler, Lee Rozema, Kent Fisher, Lydia Vermeyden, Kevin J. Resch, Howard M. Wiseman) che firmano un articolo su “Science Advances” hanno dimostrato che le traiettorie surreali delle particelle subatomiche sono spiegate coinvolgendo un fenomeno unico della meccanica quantistica che è l’entanglement.

Ma cosa sono le traiettorie surreali? E cosa è l’entaglement? E perchè tutto questo è importante?

Facciamo qualche passo indietro e scopriamo un pezzo per volta di cosa si tratta, è un viaggio affascinante nel mondo dei quanti e ci asterremo dalle dimostrazioni matematiche per evitare clamorosi sbadigli, fidatevi sulla parola!

Uno degli argomenti più affascinanti della meccanica quantistica è il principio di indeterminazione enunciato nel 1927 da Werner Karl Heisenberg. Secondo questo principio non è possibile conoscere contemporaneamente la posizione e la velocità di una particella subatomica in quanto la precisione della misurazione di una va a discapito dell’altra e viceversa.

Per giunta, come se questo non bastasse, quando si effettua una misurazione occorre tenere conto dell’interazione fisica con gli strumenti: questo significa che non si può prescindere dalla presenza dell’osservatore (dove per osservatore si intende non necessariamente un essere umano ma anche un raggio che sta scansionando un oggetto subatomico) che è parte integrante del sistema e che inevitabilmente altera il risultato dell’osservazione.

Infine, la descrizione della dinamica di una particella è probabilistica: questo significa che, dato un fotone che si sposti da un punto A ad un punto B, bisogna calcolare (tramite il metodo di calcolo chiamato “integrale di Feynman”) tutte le possibili traiettorie che il fotone può compiere. È come se la particella aprisse una nuvola contenente tutti i percorsi possibili nel punto A e poi convergesse sul punto B.

La versione più classica della meccanica quantistica, chiamata interpretazione di Copenhagen (ispirata ai lavori svolti nella capitale danese da Niels Bohr e da Werner Heisenberg attorno al 1927 e che usa come esempio classico l’esperimento della doppia fenditura), afferma che se si spara un fotone verso un bersaglio, non esiste alcuna traiettoria “reale” tra la sorgente di luce e il bersaglio. Solo la misurazione dice dove si trova, facendo “collassare” lo stato della particella in un punto.

Esiste un’altra interpretazione della meccanica quantistica, quella di Bohm, detta talvolta meccanica bohmiana o da alcuni anche interpretazione di de Broglie-Bohm, è un’interpretazione della meccanica quantistica postulata da David Bohm nel 1952 che riprende l’idea dell’ onda pilota elaborata da Louis de Broglie nel 1927: questa idea fu introdotta per ripristinare una sorta di determinismo della realtà che fosse in grado di risolvere molti dei problemi aperti della meccanica quantistica, quali il paradosso del gatto di Schrödinger, il collasso della funzione d’onda e altri.

Matematicamente tale onda pilota è descritta dalla classica funzione d’onda della meccanica quantistica ovvero dalla descrizione dinamica probabilistica di una particella. I conti sembravano tornare!

Il problema derivato da queste interpretazioni però è che la traiettoria di una singola “particella bohmiana” non può essere osservata in un esperimento perchè ogni misurazione della sua posizione cambia la funzione d’onda sia della particella che della ipotetica funzione d’onda globale che descrive l’interazione della particella d’interesse con lo strumento di misura.

Il problema fu risolto ripetendo numerose volte lo stesso esperimento con una serie di misurazioni definite “deboli” e che riguardassero soltanto la la velocità della particella. Questo garantiva il minimo disturbo possibile del sistema e il successivo calcolo della posizione. Ripetendo l’esperimento un numero adeguato di volte sarebbe stato possibile ottenere il valore medio della velocità in funzione della posizione.

Uno studio del 2007 ha confermato sperimentalmente che ripetendo questo processo in diversi momenti permette di ricostruire un insieme di traiettorie medie coerenti con le traiettorie previste dalla teoria bohmiana.

Sembrerebbe quindi che tutto andasse per il verso giusto ma uno degli esperimenti più classici della meccanica quantistica eludeva questo risultato rassicurante: stiamo parlando dell’esperimento di Young, in cui un fascio di luce, una volta fatto passare attraverso un doppia fenditura, forma una figura d’interferenza su uno schermo. L’interferenza dimostra che la luce ha una natura ondulatoria.

Se però si riduce l’intensità della sorgente fino a emettere un fotone alla volta, sullo schermo schermo si producono puntini, che di volta in volta hanno posizioni diverse, il che depone a favore dell’ipotesi della natura corpuscolare della luce.

L’ironia ha voluto che in una versione modificata dell’esperimento di Young, la teoria bohmiana fornisce delle previsioni contrarie su quali fenditure siano attraversate dai fotoni. Questa discrepanza, oltre ad aver causato qualche seria emicrania, ha portato a coniare il termine di “traiettorie surreali” in contrapposizione alle “traiettorie reali” (e ci sarebbe da riflettere sul termine “reale”, date le considerazioni fatte precedentemente sulla interpretazione di Copenhagen ma lasciamo queste questioni ad altri momenti).

L’entanglement o correlazione quantistica è un fenomeno quantistico, privo di analogo classico, che prevede che due o più particelle siano intrinsecamente collegate in modo tale che le azioni o misure eseguite su una di esse abbiano effetto istantaneo sulle altre. Il fenomeno è stato descritto nel 1935 da Albert Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen in un articolo dal titolo “La descrizione quantomeccanica della realtà fisica si può considerare completa?” ed è passato alla storia con il nome di paradosso EPR.

Ricordiamo che l’entaglement è stato definitivamente dimostrato in laboratorio da Maria Fuwa, Shuntaro Takeda, Marcin Zwierz, Howard M. Wiseman e Akira Furusawa in un esperimento del 2015 presso il Centre for Quantum Dynamics della Griffith University in Australia.

Nel mondo subatomico una particella può essere in due diverse condizioni nello stesso tempo. Per esempio può ruotare in una direzione o nell’altra (in su o in giù, il cosiddetto spin), ma anche in entrambe le direzioni contemporaneamente. Questo doppio stato, detto anche sovrapposizione quantistica, permane finché non si misura lo spin, momento in cui esso collassa su uno solo dei due stati.

L’entanglement prevede che due particelle possono essere collegate in modo tale che entrambi abbiano la stessa sovrapposizione di stati allo stesso tempo. Se si esegue una misura sulla prima particella, provocandone il collasso, per esempio, nello stato di spin su, la seconda collasserà istantaneamente nello stato di spin giù indipendentemente dalla distanza che separa le due particelle (cosa che fece irritare parecchio Albert Einstein).

Questo può succedere anche con una singola particella: un fotone, per esempio, può essere diviso in due particelle ancora connesse quantisticamente tra loro. La funzione d’onda (ovvero l’equazione matematica che descrive lo stato della particella) si estende infinitamente, ma la particella in sé si trova in tutte gli stati con diverse probabilità: nel momento in cui viene rilevata da uno strumento, lo stato collassa e si realizza una sola delle possibilità preesistenti alla misura.

Quali conclusioni trarre da tutto questo? Intanto che grazie all’entanglement è possibile formulare una previsione corretta delle traiettorie bohmiane anche nell’esperimento modificato di Young.

Inoltre, in un ottica meno pragmatica, possiamo trarre la considerazione che se è vero che siamo talpe semiceche e che sappiamo poco o nulla di quello che ci circonda è altrettanto vero che stiamo incessantemente scavando.

Stiamo incessantemente imparando, piccoli pezzi per volta. Abbiamo iniziato ponendoci domande senza avere alcun mezzo per risponderci e da allora non abbiamo smesso un secondo. Quando ci è stato impedito di farlo, siamo piombati in epoche oscure e terribili dove progresso e civiltà non solo si sono fermati ma sono addirittura riusciti a retrocedere per poi faticosamente riprendere il cammino.

E abbiamo sempre ripreso il cammino della conoscenza.

A cosa serve questa scoperta? Serve a soddisfare Il piacere della cultura, l’unico vero piacere che ci distingue dagli altri animali e che rende la nostra spece davvero unica.

 

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