La meccanica quantistica, la teoria che governa il micromondo degli atomi e delle particelle, ha sicuramente il fattore X. A differenza di molti altri ambiti della fisica, è bizzarro e controintuitivo, il che lo rende abbagliante e intrigante. Quando il Premio Nobel per la fisica 2022 è stato assegnato ad Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger per la ricerca che ha fatto luce sulla meccanica quantistica, si è scatenato entusiasmo e dibattito.
Ma i dibattiti sulla meccanica quantistica – siano essi nei forum di chat, nei media o nella fantascienza – possono spesso diventare confusi a causa di una serie di miti e idee sbagliate persistenti. Eccone quattro.
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Probabilmente Erwin Schrödinger non avrebbe mai potuto prevedere che il suo esperimento mentale, il gatto di Schrödinger, avrebbe raggiunto lo status di meme di Internet nel 21° secolo.
Ciò suggerisce che uno sfortunato felino bloccato in una scatola con un kill switch attivato da un evento quantistico casuale – il decadimento radioattivo, per esempio – potrebbe essere vivo e morto allo stesso tempo, purché non apriamo la scatola per controllare.
Sappiamo da tempo che le particelle quantistiche possono trovarsi in due stati, ad esempio in due posizioni, contemporaneamente. La chiamiamo sovrapposizione.
Gli scienziati sono stati in grado di dimostrarlo nel famoso esperimento della doppia fenditura, in cui una singola particella quantistica, come un fotone o un elettrone, può attraversare contemporaneamente due diverse fenditure in una parete. Come lo sappiamo?
Nella fisica quantistica, lo stato di ogni particella è anche un'onda. Ma quando inviamo un flusso di fotoni – uno per uno – attraverso le fenditure, si crea uno schema di due onde che interferiscono tra loro su uno schermo dietro la fenditura. Poiché ciascun fotone non aveva altri fotoni con cui interferire quando attraversava le fessure, significa che deve essere passato attraverso entrambe le fessure contemporaneamente, interferendo con se stesso (immagine sotto).
Affinché ciò funzioni, tuttavia, gli stati (onde) nella sovrapposizione della particella che attraversa entrambe le fenditure devono essere "coerenti" - avere una relazione ben definita tra loro.
Questi esperimenti di sovrapposizione possono essere eseguiti con oggetti di dimensioni e complessità sempre maggiori. Un famoso esperimento di Anton Zeilinger nel 1999 ha dimostrato la sovrapposizione quantistica con grandi molecole di carbonio-60 note come "buckyball".
Cosa significa questo per il nostro povero gatto? È davvero sia vivo che morto finché non apriamo la scatola? Ovviamente, un gatto non assomiglia a un singolo fotone in un ambiente di laboratorio controllato, è molto più grande e complesso. Qualsiasi coerenza che i trilioni e trilioni di atomi che compongono il gatto potrebbero avere tra loro è estremamente di breve durata.
Ciò non significa che la coerenza quantistica sia impossibile nei sistemi biologici, solo che generalmente non si applica a creature di grandi dimensioni come i gatti o gli esseri umani.
L'entanglement è una proprietà quantistica che collega due particelle diverse in modo che, se ne misuri una, conosci automaticamente e istantaneamente lo stato dell'altra, indipendentemente da quanto siano distanti.
Le spiegazioni più comuni riguardano tipicamente oggetti di uso quotidiano del nostro mondo macroscopico classico, come dadi, carte o persino paia di calzini di colori strani. Ad esempio, immagina di dire al tuo amico che hai messo una carta blu in una busta e una carta arancione in un'altra. Se il tuo amico toglie e apre una delle buste e trova la carta blu, saprà che hai la carta arancione.
Ma per comprendere la meccanica quantistica, bisogna immaginare che le due carte all'interno delle buste siano in sovrapposizione congiunta, nel senso che sono sia arancioni che blu allo stesso tempo (nello specifico arancione/blu e blu/arancione). L'apertura di una busta rivela un colore determinato a caso. Ma l'apertura della seconda rivela comunque sempre il colore opposto perché è "spettralmente" legato alla prima carta.
Si potrebbe forzare le carte ad apparire in un diverso insieme di colori, in modo simile a fare un altro tipo di misurazione. Potremmo aprire una busta ponendo la domanda:"Sei un cartellino verde o rosso?" La risposta sarebbe ancora una volta casuale:verde o rosso. Ma, cosa fondamentale, se le carte fossero intrappolate, l'altra carta produrrebbe comunque sempre il risultato opposto quando viene posta la stessa domanda.
Albert Einstein tentò di spiegare questo con l'intuizione classica, suggerendo che le carte avrebbero potuto essere dotate di un set di istruzioni interne nascoste che diceva loro in quale colore apparire a una determinata domanda. Ha anche rifiutato l'apparente azione "spettrale" tra le carte che apparentemente consente loro di influenzarsi istantaneamente a vicenda, il che significherebbe una comunicazione più veloce della velocità della luce, qualcosa di proibito dalle teorie di Einstein.
Tuttavia, la spiegazione di Einstein è stata successivamente esclusa dal teorema di Bell (un test teorico creato dal fisico John Stewart Bell) e dagli esperimenti dei premi Nobel del 2022. L’idea che misurare una carta impigliata cambi lo stato dell’altra non è vera. Le particelle quantistiche sono semplicemente misteriosamente correlate in modi che non possiamo descrivere con la logica o il linguaggio quotidiano:non comunicano e contengono anche un codice nascosto, come aveva pensato Einstein. Quindi dimentica gli oggetti di tutti i giorni quando pensi all'entanglement.
Si dice spesso che il teorema di Bell provi che la natura non è "locale", che un oggetto non è direttamente influenzato solo dall'ambiente circostante. Un'altra interpretazione comune è che ciò implichi che le proprietà degli oggetti quantistici non siano "reali", ovvero che non esistano prima della misurazione.
Ma il teorema di Bell ci permette di dire che la fisica quantistica significa che la natura non è allo stesso tempo reale e locale se assumiamo alcune altre cose allo stesso tempo. Questi presupposti includono l'idea che le misurazioni hanno un solo risultato (e non multipli, forse in mondi paralleli) che causa-effetto fluiscono avanti nel tempo e che non viviamo in un "universo a orologeria" in cui tutto è stato predeterminato dall'alba dei tempi.
Nonostante il teorema di Bell, la natura potrebbe essere reale e locale, se si tiene conto della rottura di alcune altre cose che consideriamo buon senso, come il tempo che va avanti. E si spera che ulteriori ricerche possano restringere il gran numero di potenziali interpretazioni della meccanica quantistica. Tuttavia, la maggior parte delle opzioni sul tavolo, ad esempio lo scorrere del tempo all'indietro o l'assenza del libero arbitrio, sono assurde almeno quanto rinunciare al concetto di realtà locale.
Una citazione classica (attribuita al fisico Richard Feynman, ma in questa forma parafrasando anche Niels Bohr) presuppone:"Se pensi di capire la meccanica quantistica, non la capisci."
Questo punto di vista è ampiamente condiviso in pubblico. Si suppone che la fisica quantistica sia impossibile da comprendere, anche da parte dei fisici. Ma dal punto di vista del 21° secolo, la fisica quantistica non è né matematicamente né concettualmente particolarmente difficile per gli scienziati. Lo comprendiamo molto bene, al punto che possiamo prevedere fenomeni quantistici con elevata precisione, simulare sistemi quantistici altamente complessi e persino iniziare a costruire computer quantistici.
La sovrapposizione e l'entanglement, quando spiegati nel linguaggio dell'informazione quantistica, non richiedono altro che la matematica delle scuole superiori. Il teorema di Bell non richiede alcuna fisica quantistica. Può essere derivato in poche righe utilizzando la teoria della probabilità e l'algebra lineare.
Forse la vera difficoltà sta nel come conciliare la fisica quantistica con la nostra realtà intuitiva. Non avere tutte le risposte non ci impedirà di fare ulteriori progressi con la tecnologia quantistica. Possiamo semplicemente stare zitti e fare calcoli.
Fortunatamente per l’umanità, i vincitori del Nobel Aspect, Clauser e Zeilinger si rifiutarono di tacere e continuarono a chiedersi perché. Altri come loro potrebbero un giorno aiutare a riconciliare la stranezza quantistica con la nostra esperienza della realtà.
Alessandro Fedrizzi è un professore di fisica all'Università Heriot-Watt. Riceve finanziamenti dal Consiglio di ricerca di ingegneria e scienze fisiche del Regno Unito (EPSRC).
Mehul Malik è un professore di fisica all'Università Heriot-Watt. Riceve finanziamenti dal Consiglio di ricerca in ingegneria e scienze fisiche del Regno Unito (EPSRC) e dallo Starting Grant PIQUaNT del Consiglio europeo della ricerca (ERC).
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