Alcuni sistemi fisici, soprattutto nel mondo quantistico, non raggiungono un equilibrio stabile anche dopo molto tempo. Un ricercatore dell'ETH ha ora trovato una spiegazione elegante per questo fenomeno.

Se metti una bottiglia di birra in una grande vasca da bagno piena di acqua ghiacciata, non passerà molto tempo prima che tu possa goderti una birra fresca. I fisici hanno scoperto come funziona più di cento anni fa. Lo scambio termico avviene attraverso la bottiglia di vetro fino al raggiungimento dell'equilibrio.

Però, ci sono altri sistemi, soprattutto sistemi quantistici, che non trovano equilibrio. Assomigliano a un'ipotetica bottiglia di birra in un bagno di acqua ghiacciata che non sempre e inevitabilmente si raffredda alla temperatura dell'acqua del bagno, ma raggiunge stati diversi a seconda della propria temperatura iniziale. Fino ad ora, tali sistemi hanno lasciato perplessi i fisici. Ma Nicolò Defenu, un postdoc presso l'ETH Zurich Institute for Theoretical Physics, ha ora trovato un modo per spiegare elegantemente questo comportamento.

Un'influenza più lontana

Nello specifico, stiamo parlando di sistemi in cui i singoli elementi costitutivi influenzano non solo i loro immediati vicini, ma anche oggetti più lontani. Un esempio potrebbe essere una galassia:le forze gravitazionali delle singole stelle e dei sistemi planetari agiscono non solo sui corpi celesti vicini, ma ben oltre, anche se sempre più debolmente, sugli altri componenti della galassia.

L'approccio di Defenu inizia semplificando il problema in un mondo con una sola dimensione. Dentro, esiste una singola particella quantistica che può risiedere solo in posizioni molto specifiche lungo una linea. Questo mondo assomiglia a un gioco da tavolo come Ludo, dove un piccolo gettone salta di quadrato in quadrato. Supponiamo che ci sia un dado di gioco i cui lati sono tutti contrassegnati da "uno" o "meno uno", e supponiamo che il giocatore lanci il dado più e più volte in successione. Il token salterà in una piazza vicina, e da lì o salterà indietro o passerà alla prossima piazza. E così via.

La domanda è, Cosa succede se il giocatore lancia il dado un numero infinito di volte? Se ci sono solo pochi quadrati nel gioco, il token tornerà al punto di partenza di tanto in tanto. Però, è impossibile prevedere esattamente dove sarà in un dato momento perché i tiri del dado sono sconosciuti.

Torna al punto di partenza

È una situazione simile con le particelle soggette alle leggi della meccanica quantistica:non c'è modo di sapere esattamente dove si trovano in un dato momento. Però, è possibile stabilire dove si trovano utilizzando distribuzioni di probabilità. Ciascuna distribuzione risulta da una diversa sovrapposizione delle probabilità per le singole ubicazioni e corrisponde a un particolare stato energetico della particella. Si scopre che il numero di stati energetici stabili coincide con il numero di gradi di libertà del sistema e quindi corrisponde esattamente al numero di posizioni consentite. Il punto importante è che tutte le distribuzioni di probabilità stabili sono diverse da zero al punto di partenza. Quindi ad un certo punto, il gettone ritorna alla sua casella di partenza.

Più quadrati ci sono, meno spesso il token tornerà al punto di partenza; infine, con un numero infinito di quadrati possibili, non tornerà mai. Per la particella quantistica, ciò significa che ci sono un numero infinito di modi in cui le probabilità delle singole posizioni possono essere combinate per formare distribuzioni. Così, non può più occupare solo determinati stati energetici discreti, ma tutti i possibili in uno spettro continuo.

Niente di tutto questo è nuova conoscenza. Ci sono, però, varianti del gioco o sistemi fisici in cui il dado può contenere anche numeri maggiori di uno e minori di meno uno, cioè i passi consentiti per mossa possono essere più grandi, per essere precisi, anche infinitamente grande. Questo cambia radicalmente la situazione, come ha ora potuto dimostrare Defenu:in questi sistemi, lo spettro energetico rimane sempre discreto, anche quando ci sono quadrati infiniti. Ciò significa che di tanto in tanto, la particella tornerà al punto di partenza.

Fenomeni peculiari

Questa nuova teoria spiega ciò che gli scienziati hanno già osservato molte volte negli esperimenti:i sistemi in cui si verificano interazioni a lungo raggio non raggiungono un equilibrio stabile, ma piuttosto uno stato metastabile in cui ritornano sempre alla loro posizione iniziale. Nel caso delle galassie, questo è uno dei motivi per cui sviluppano braccia a spirale piuttosto che essere nuvole uniformi. La densità delle stelle è maggiore all'interno di queste braccia che all'esterno.

Un esempio di sistemi quantistici che possono essere descritti con la teoria di Defenu sono gli ioni, atomi carichi intrappolati in campi elettrici. L'utilizzo di tali trappole ioniche per costruire computer quantistici è attualmente uno dei più grandi progetti di ricerca in tutto il mondo. Però, affinché questi computer forniscano davvero un cambiamento radicale in termini di potenza di calcolo, avranno bisogno di un gran numero di ioni simultaneamente intrappolati, e questo è esattamente il punto in cui la nuova teoria diventa interessante. "Nei sistemi con un centinaio o più di ioni, vedresti effetti peculiari che ora possiamo spiegare, "dice Defenu, che fa parte del gruppo del Professor Gian Michele Graf dell'ETH. I suoi colleghi di fisica sperimentale si avvicinano ogni giorno di più all'obiettivo di poter realizzare tali formazioni. E una volta arrivati ​​lì, potrebbe valere la pena bere una birra fresca con Defenu.