Le virgolette avevano la forza della tradizione - e la tradizione della forza - dietro di loro.

Quando Herman Batelaan e colleghi del Nebraska hanno recentemente presentato un documento di ricerca che sostiene l'esistenza di un non-newtoniano, forza quantistica, il giornale ha chiesto di mettere la "forza" saldamente tra virgolette. Il team ha compreso e accettato la richiesta.

Dopotutto, la parola è appartenuta a lungo alla fisica newtoniana classica:reazioni uguali e opposte, elettromagnetismo, gravità e altre leggi che spiegano la caduta delle mele, fenomeni sbalorditivi dell'esperienza quotidiana.

Al contrario, Batelaan e i suoi coautori stavano usando la parola nel contesto della fisica quantistica che descrive l'infinitamente piccolo, dove la posizione e la velocità delle particelle subatomiche sono definite da probabilità piuttosto che da valori precisi, dove gli elettroni si comportano simultaneamente sia come particelle che come onde, e dove altra confusione controintuitiva governa il regno.

Quel regno divenne ancora più confuso nel 1959, quando un esperimento proposto suggeriva che la semplice vicinanza di una forza classica, piuttosto che la forza stessa, potesse imporsi al mondo fisico. Nell'esperimento, due flussi di elettroni navigano ai lati di una bobina il cui campo magnetico è totalmente schermato da quegli elettroni.

Nonostante il fatto che nessuno dei due flussi di elettroni passi attraverso il campo magnetico effettivo, i ricercatori hanno determinato che le probabilità quantistiche degli elettroni avrebbero subito variazioni misurabili che dipendono dalla forza del campo magnetico. Esperimenti successivi hanno confermato la presenza di questo cosiddetto effetto Aharonov-Bohm.

Ma se l'esistenza dello strano effetto fosse indiscutibile, la natura di esso non lo era. Anton Zeilinger, uno dei consulenti post-dottorato di Batelaan, ha introdotto un teorema che suggerisce che l'effetto Aharonov-Bohm non rappresenta o risulta da una forza. Quando i successivi esperimenti di Batelaan e altri confermarono che l'effetto non faceva nulla per ritardare il tempo di arrivo degli elettroni, cosa che ci si aspetterebbe che facesse una forza, il teorema di Zeilinger aveva ottenuto un ampio sostegno.

Anni dopo che Zeilinger propose il suo teorema, anche se, i fisici Andrei Shelankov e Michael Berry si opposero affermando che l'effetto Aharonov-Bohm deriva dall'equivalente quantistico di una forza. Anche se quella forza non rallentasse gli elettroni, Shelankov predisse che avrebbe potuto modificare le loro traiettorie di volo deviandole leggermente.

"Da soli, puoi capire la derivazione di ogni teoria, " disse Batelaan, professore di fisica e astronomia al Nebraska. "Sembrano entrambi a posto, ma sono in conflitto tra loro. Quindi ci siamo scervellati per elaborare una teoria che dia entrambe le risposte. Abbiamo capito che doveva esserci un quadro più ampio.

"Pregava per risolvere il conflitto teorico. Pregava per un esperimento."

Così Batelaan e i suoi colleghi, tra cui l'ex consigliere di dottorato Maria Becker, porsi un obiettivo ambizioso:dimostrare la previsione di Shelankov e allo stesso tempo accogliere il teorema di Zeilinger. Il loro esperimento, eseguita presso l'Università di Anversa, somigliava a molti che lo avevano preceduto:fasci di elettroni che navigavano verso un'asta nanoscopica il cui campo magnetico era schermato dalle particelle. Quando la magnetizzazione dell'asta era zero, i modelli ondulati che gli elettroni formavano dopo essere rimbalzati su di esso - modelli simili alle increspature sovrapposte nell'acqua - erano simmetrici.

Tuttavia, quando il team ha aumentato la magnetizzazione, quei modelli di diffrazione divennero asimmetrici, prova indiretta di una forza non newtoniana che spingeva gli elettroni a sinistra oa destra. E come la squadra si aspettava, invertendo la direzione della magnetizzazione si capovolgeva anche la direzione dell'asimmetria, supportando ulteriormente l'idea di un fenomeno quantistico che può influenzare la materia in modi simili alle classiche forze newtoniane.

Quanto al teorema di Zeilinger? Secondo l'analisi del team, le ipotesi teoriche che ha fatto non si applicano al movimento laterale implicato dallo studio. Dato che, Batelaan ha detto, lo studio non invalida Zeilinger. Anziché, il team ha dimostrato matematicamente che i risultati previsti da Shelankov e il teorema di Zeilinger sono due casi speciali di un teorema generale.

Batelaan ha paragonato approssimativamente la situazione a quella in cui una palla inizia a rotolare lungo una piattaforma piatta. Alzare e abbassare lentamente quella piattaforma può cambiare la destinazione della palla su un piano anche se la sua velocità e il tempo di arrivo rimangono gli stessi. Guardando giù sulla piattaforma, un osservatore poteva non accorgersi che si era verificato un cambiamento; potrebbe diventare evidente solo dopo aver cambiato prospettiva.

La questione della prospettiva informa anche l'interpretazione dello studio, disse Batelaan. Le forze classiche operano localmente, interessando solo la materia adiacente a quelle forze. Ma la meccanica quantistica, in particolare l'entanglement quantistico, per cui i cambiamenti in una particella si manifestano simultaneamente in un'altra particella entangled che potrebbe teoricamente risiedere ad anni luce di distanza, non è vincolata dalla distanza.

Batelaan ha affermato che i risultati della squadra potrebbero essere interpretati come prova di una forza altrettanto non locale.

"Qui, abbiamo una situazione non locale ma diversa dall'entanglement quantistico, " Disse Batelaan. "Si tratta di un fenomeno di una particella, non un fenomeno a due particelle. Quindi questa idea di cose che accadono senza una forza può essere applicata in un contesto diverso? È molto raro. È molto, molto speciale. Penso che quello che stiamo facendo qui ne sia davvero un altro esempio.

"Sento che questo sottolinea l'idea che la natura potrebbe essere non locale. Questa è una grande domanda. Le cose che faccio qui influenzano le cose da qualche altra parte, senza un chiaro intermediario?"

Il fatto che Batelaan ne abbia trovato le prove non significa che gli debba piacere, anche se.

"Lo trovo disgustoso, "Batelaan ha detto, ridendo. "Vivo nel mondo classico. Tutto ciò che vedo intorno a me lo vedo accadere a causa delle forze. Se ci sono cose che accadono senza forze, perchè non posso usarli? Perché non ci sono più esempi di questo?

"Come principio fisico, deve essere ovunque. Ma siamo (forse) troppo ciechi per vederlo".

I ricercatori hanno riportato i loro risultati sulla rivista Comunicazioni sulla natura .