Un esperimento delineato da un team di scienziati guidati dall’UCL (University College di Londra) provenienti dal Regno Unito e dall’India potrebbe verificare se masse relativamente grandi hanno una natura quantistica, risolvendo la questione se la descrizione della meccanica quantistica funzioni su una scala molto più ampia di quella delle particelle. e atomi.
La teoria quantistica è generalmente vista come una descrizione della natura alle scale più piccole e gli effetti quantistici non sono stati osservati in laboratorio per oggetti più massicci di circa un quintilionesimo di grammo, o più precisamente 10 -20 g.
Il nuovo esperimento, descritto in un articolo pubblicato su Physical Review Letters e coinvolgendo ricercatori dell'UCL, dell'Università di Southampton e del Bose Institute di Calcutta, in India, si potrebbe, in linea di principio, testare la quanticità di un oggetto indipendentemente dalla sua massa o energia.
L'esperimento proposto sfrutta il principio della meccanica quantistica secondo cui l'atto di misurazione di un oggetto può cambiarne la natura. (Il termine misurazione comprende qualsiasi interazione dell'oggetto con una sonda, ad esempio se la luce lo colpisce o se emette luce o calore).
L'esperimento si concentra su un oggetto simile a un pendolo che oscilla come una palla su una corda. Una luce viene puntata su metà dell'area di oscillazione, rivelando informazioni sulla posizione dell'oggetto (vale a dire, se non si osserva la luce diffusa, si può concludere che l'oggetto non si trova in quella metà). Viene accesa una seconda luce, che mostra la posizione dell'oggetto più avanti durante la sua oscillazione.
Se l'oggetto è quantistico, la prima misurazione (il primo lampo di luce) disturberà il suo percorso (per collasso indotto dalla misurazione, una proprietà inerente alla meccanica quantistica), modificando la probabilità di dove si troverà al secondo lampo di luce, mentre se è classico, l’atto di osservazione non farà alcuna differenza. I ricercatori possono quindi confrontare gli scenari in cui fanno brillare una luce due volte con quelli in cui si verifica solo il secondo lampo di luce per vedere se c'è una differenza nella distribuzione finale dell'oggetto.
L'autore principale, il dottor Debarshi Das (UCL Physics &Astronomy e Royal Society), ha dichiarato:"Una folla durante una partita di calcio non può influenzare il risultato della partita semplicemente fissandola con forza. Ma con la meccanica quantistica, l'atto stesso di osservazione o misurazione cambia. il sistema."
"L'esperimento che proponiamo può verificare se un oggetto è classico o quantistico, verificando se un atto di osservazione può portare a un cambiamento nel suo movimento."
La proposta, dicono i ricercatori, potrebbe essere implementata con le attuali tecnologie che utilizzano nanocristalli o, in linea di principio, anche utilizzando gli specchi del LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) negli Stati Uniti che hanno una massa effettiva di 10 kg.
I quattro specchi LIGO, che pesano 40 kg ciascuno ma insieme vibrano come se fossero un unico oggetto da 10 kg, sono già stati raffreddati allo stato di energia minima (una frazione sopra lo zero assoluto) che sarebbe richiesto in qualsiasi esperimento che cercasse di rilevare il comportamento quantistico. .
L’autore senior, il professor Sougato Bose (UCL Physics &Astronomy), ha dichiarato:“Il nostro schema ha ampie implicazioni concettuali. Potrebbe verificare se oggetti relativamente grandi hanno proprietà definite, cioè se le loro proprietà sono reali, anche quando non li misuriamo. Potrebbe estendersi il dominio della meccanica quantistica e verificare se questa teoria fondamentale della natura è valida solo su determinate scale o se è vera anche per masse più grandi.
"Se non incontriamo un limite di massa alla meccanica quantistica, ciò rende ancora più acuto il problema di cercare di conciliare la teoria quantistica con la realtà così come la sperimentiamo."
Nella meccanica quantistica, gli oggetti non hanno proprietà definite finché non vengono osservati o interagiscono con il loro ambiente. Prima dell'osservazione non esistono in una posizione definita ma possono trovarsi in due posti contemporaneamente (uno stato di sovrapposizione). Ciò ha portato all'osservazione di Einstein:"La luna è lì quando nessuno la guarda?"
La meccanica quantistica può sembrare in contrasto con la nostra esperienza della realtà, ma le sue intuizioni hanno aiutato lo sviluppo di computer, smartphone, banda larga, GPS e risonanza magnetica.
La maggior parte dei fisici ritiene che la meccanica quantistica sia valida su scala più ampia, ma che sia semplicemente più difficile da osservare a causa dell’isolamento richiesto per preservare uno stato quantistico. Per rilevare il comportamento quantistico di un oggetto, la sua temperatura o le sue vibrazioni devono essere ridotte al livello più basso possibile (il suo stato fondamentale) e deve trovarsi nel vuoto in modo che quasi nessun atomo interagisca con esso. Questo perché uno stato quantistico collasserà, un processo chiamato decoerenza se l'oggetto interagisce con il suo ambiente.
Il nuovo esperimento proposto è lo sviluppo di un precedente test quantistico ideato dal professor Bose e colleghi nel 2018. È già in corso un progetto per condurre un esperimento utilizzando questa metodologia, che metterà alla prova la natura quantistica di un nanocristallo contenente un miliardo di atomi. dall'Università di Southampton.
Quel progetto punta già a un salto in termini di massa, con precedenti tentativi di testare la natura quantistica di un oggetto macroscopico limitato a centinaia di migliaia di atomi. Lo schema appena pubblicato, nel frattempo, potrebbe essere realizzato con le tecnologie attuali utilizzando un nanocristallo con trilioni di atomi.
Ulteriori informazioni: Debarshi Das et al, Schema indipendente dalla massa per testare la quanticità di un oggetto massiccio, Lettere di revisione fisica (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.030202
Informazioni sul giornale: Lettere di revisione fisica
Fornito da University College London
