La parola incertezza è molto usata nella meccanica quantistica. Una scuola di pensiero è che questo significa che c'è qualcosa là fuori nel mondo di cui siamo incerti. Ma la maggior parte dei fisici crede che la natura stessa sia incerta.

L'incertezza intrinseca era fondamentale per il modo in cui il fisico tedesco Werner Heisenberg, uno dei creatori della moderna meccanica quantistica, presentato la teoria.

Ha proposto il principio di indeterminazione che ha mostrato che non possiamo mai conoscere tutte le proprietà di una particella allo stesso tempo.

Per esempio, misurare la posizione della particella ci permetterebbe di conoscere la sua posizione. Ma questa misura disturberebbe necessariamente la sua velocità, di una quantità inversamente proporzionale alla precisione della misurazione della posizione.

Heisenberg si sbagliava?

Heisenberg ha usato il principio di indeterminazione per spiegare come la misurazione avrebbe distrutto quella caratteristica classica della meccanica quantistica, il modello di interferenza a due fenditure (più su questo sotto).

Ma negli anni '90, alcuni eminenti fisici quantistici hanno affermato di aver dimostrato che è possibile determinare quale delle due fenditure attraversa una particella, senza alterare significativamente la sua velocità.

Questo significa che la spiegazione di Heisenberg deve essere sbagliata? Nel lavoro appena pubblicato su Science Advances, i miei colleghi sperimentali ed io abbiamo dimostrato che non sarebbe saggio saltare a questa conclusione.

Mostriamo che un disturbo di velocità, delle dimensioni attese dal principio di indeterminazione, esiste sempre, in un certo senso.

Ma prima di entrare nei dettagli dobbiamo spiegare brevemente l'esperimento delle due fenditure.

L'esperimento delle due fenditure

In questo tipo di esperimento c'è una barriera con due fori o fessure. Abbiamo anche una particella quantistica con un'incertezza di posizione abbastanza grande da coprire entrambe le fenditure se viene sparata contro la barriera.

Poiché non possiamo sapere in quale fenditura passa la particella, si comporta come se passasse attraverso entrambe le fessure. La firma di questo è il cosiddetto "modello di interferenza":increspature nella distribuzione di dove è probabile che la particella si trovi su uno schermo nel campo lontano oltre le fenditure, significa una lunga strada (spesso diversi metri) oltre le fessure.

Ma cosa succede se mettiamo un dispositivo di misurazione vicino alla barriera per scoprire in quale fessura passa la particella? Vedremo ancora lo schema di interferenza?

Sappiamo che la risposta è no, e la spiegazione di Heisenberg era che se la misurazione della posizione è abbastanza accurata da dire in quale fenditura passa la particella, darà un disturbo casuale alla sua velocità abbastanza grande da influenzare dove finisce nel campo lontano, e quindi lavare le increspature di interferenza.

Ciò che gli eminenti fisici quantistici hanno realizzato è che scoprire in quale fenditura passa la particella non richiede una misurazione della posizione in quanto tale. Andrà bene qualsiasi misurazione che dia risultati diversi a seconda della fenditura attraversata dalla particella.

E hanno inventato un dispositivo il cui effetto sulla particella non è quello di un calcio di velocità casuale mentre attraversa. Quindi, hanno discusso, non è il Principio di Indeterminazione di Heisenberg che spiega la perdita di interferenza, ma qualche altro meccanismo.

Come aveva predetto Heisenberg

Non dobbiamo entrare in quello che hanno affermato essere il meccanismo per distruggere l'interferenza, perché il nostro esperimento ha mostrato che c'è un effetto sulla velocità della particella, delle dimensioni previste da Heisenberg.

Abbiamo visto cosa si sono persi gli altri perché questo disturbo di velocità non si verifica quando la particella passa attraverso il dispositivo di misurazione. Piuttosto è ritardato fino a quando la particella è ben oltre le fenditure, sulla strada verso il campo lontano.

Com'è possibile? Bene, perché le particelle quantistiche non sono in realtà solo particelle. Sono anche onde.

Infatti, la teoria alla base del nostro esperimento era quella in cui sia la natura ondulatoria che quella particellare sono manifeste:l'onda guida il movimento della particella secondo l'interpretazione introdotta dal fisico teorico David Bohm, una generazione dopo Heisenberg.

sperimentiamo

Nel nostro ultimo esperimento, scienziati in Cina hanno seguito una tecnica da me suggerita nel 2007 per ricostruire il moto ipotizzato delle particelle quantistiche, da molti diversi possibili punti di partenza attraverso entrambe le fenditure, e per entrambi i risultati della misurazione.

Hanno confrontato le velocità nel tempo quando non era presente alcun dispositivo di misurazione con quelle quando c'era, e così determinò la variazione delle velocità come risultato della misurazione.

L'esperimento ha mostrato che l'effetto della misurazione sulla velocità delle particelle continuava a lungo dopo che le particelle avevano eliminato il dispositivo di misurazione stesso, fino a 5 metri da esso.

A quel punto, nel campo lontano, la variazione cumulativa di velocità era appena abbastanza grande, in media, per eliminare le increspature nel modello di interferenza.

Così, alla fine, Il Principio di Indeterminazione di Heisenberg emerge trionfante.

Il messaggio da portare a casa? Non fare affermazioni di vasta portata su quale principio può o non può spiegare un fenomeno finché non hai considerato tutte le formulazioni teoriche del principio.

Sì, è un messaggio un po' astratto, ma è un consiglio che potrebbe valere in campi lontani dalla fisica.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.