Il principio di sovrapposizione quantistica è stato testato su una scala come mai prima d'ora in un nuovo studio condotto da scienziati dell'Università di Vienna in collaborazione con l'Università di Basilea. Piccante, molecole complesse composte da quasi duemila atomi sono state portate in una sovrapposizione quantistica e fatte interferire. Confermando questo fenomeno - "il cuore della meccanica quantistica, " nelle parole di Richard Feynman, su una nuova scala di massa, sono stati posti vincoli migliorati alle teorie alternative alla meccanica quantistica. L'opera sarà pubblicata in Fisica della natura .

Da quantistica a classica?

Il principio di sovrapposizione è un segno distintivo della teoria quantistica che emerge da una delle equazioni più fondamentali della meccanica quantistica, l'equazione di Schrödinger. Descrive le particelle nell'ambito delle funzioni d'onda, quale, proprio come le onde d'acqua sulla superficie di uno stagno, possono presentare effetti di interferenza. Ma a differenza delle onde d'acqua, che sono un comportamento collettivo di molte molecole d'acqua interagenti, le onde quantistiche possono anche essere associate a singole particelle isolate.

Forse l'esempio più elegante della natura ondulatoria delle particelle è l'esperimento della doppia fenditura, in cui la funzione d'onda di una particella passa simultaneamente attraverso due fenditure e interferisce. Questo effetto è stato dimostrato per i fotoni, elettroni, neutroni, atomi e anche molecole, e solleva una domanda con cui fisici e filosofi hanno lottato fin dai primi giorni della meccanica quantistica:come questi strani effetti quantistici passano nel mondo classico con cui tutti abbiamo familiarità

Approccio sperimentale

Gli esperimenti di Markus Arndt e del suo team all'Università di Vienna affrontano questa domanda nel modo più diretto possibile, questo è, mostrando l'interferenza quantistica con oggetti sempre più massicci. Le molecole nei recenti esperimenti hanno masse maggiori di 25, 000 unità di massa atomica, molte volte più grande del record precedente. Una delle molecole più grandi inviate attraverso l'interferometro, C707H260F908N16S53Zn4, è composto da più di 40, 000 protoni, neutroni, ed elettroni, con una lunghezza d'onda di de Broglie che è mille volte più piccola del diametro anche di un singolo atomo di idrogeno. Marcel Mayor e il suo team dell'Università di Basilea hanno utilizzato tecniche speciali per sintetizzare molecole così massicce che erano sufficientemente stabili da formare un fascio molecolare nel vuoto ultra-alto. Dimostrare la natura quantistica di queste particelle ha richiesto anche un interferometro materia-onda con una linea di base lunga due metri che è stato costruito appositamente a Vienna.

Modelli quantistici alternativi e macroscopicità

Una classe di modelli che mira a riconciliare l'apparente transizione da un regime quantistico a un regime classico prevede che la funzione d'onda di una particella collassi spontaneamente con una velocità proporzionale al quadrato della sua massa. Mostrando sperimentalmente che viene mantenuta una sovrapposizione per una particella pesante per un dato periodo di tempo, si pone quindi direttamente dei limiti alla frequenza e alla localizzazione di un tale processo di collasso. In questi esperimenti le molecole sono rimaste in sovrapposizione per più di 7 ms, abbastanza a lungo da stabilire nuovi limiti interferometrici su modelli quantistici alternativi.

Una misura generalizzata chiamata macroscopicità viene utilizzata per classificare quanto bene i modelli alternativi siano esclusi da tali esperimenti, e gli esperimenti di Fein et al. pubblicato in Fisica della natura rappresentano infatti un aumento di ordine di grandezza nella macroscopicità. "I nostri esperimenti mostrano che la meccanica quantistica, con tutta la sua stranezza, è anche sorprendentemente robusto, e sono ottimista sul fatto che esperimenti futuri lo testeranno su una scala ancora più massiccia, " dice Fein. La linea tra quantistica e classica si fa sempre più sfocata.