Nel nostro mondo classico quotidiano, ciò che vedi è ciò che ottieni. Una palla è semplicemente una palla e, quando viene lanciata in aria, la sua traiettoria è semplice e chiara. Ma se quella palla fosse ridotta alle dimensioni di un atomo o meno, il suo comportamento si trasformerebbe in una realtà quantistica e confusa. La palla esisterebbe non solo come particella fisica ma anche come onda di possibili stati particellari. E questa dualità onda-particella può dar luogo ad alcuni fenomeni strani e subdoli.
Una delle prospettive più strane deriva da un esperimento mentale noto come "tester della bomba quantistica". L’esperimento propone che una particella quantistica, come un fotone, potrebbe agire come una sorta di rilevatore di bombe telecinetiche. Grazie alle sue proprietà sia di particella che di onda, il fotone potrebbe, in teoria, percepire la presenza di una bomba senza interagire fisicamente con essa.
Il concetto è verificabile dal punto di vista matematico ed è in linea con ciò che consentono le equazioni che governano la meccanica quantistica. Ma quando si tratta di spiegare esattamente come una particella potrebbe compiere un’impresa simile, i fisici sono perplessi. L'enigma risiede nello stato intrinsecamente sfuggente, intermedio e indefinibile di una particella quantistica. In altre parole, gli scienziati devono solo avere fiducia che funzioni.
Ma i matematici del MIT sperano di dissipare parte del mistero e, infine, stabilire un quadro più concreto della meccanica quantistica. Ora hanno dimostrato di poter ricreare un analogo del tester della bomba quantistica e generare il comportamento previsto dall’esperimento. Lo hanno fatto non in un ambiente esotico, microscopico e quantistico, ma in una configurazione da tavolo apparentemente banale e classica.
In un articolo pubblicato il 12 dicembre su Physical Review A , il team riferisce di aver ricreato il tester della bomba quantistica in un esperimento con uno studio sulle goccioline che rimbalzano. Il team ha scoperto che l'interazione della gocciolina con le sue stesse onde è simile al comportamento onda-particella quantistica di un fotone:quando lasciata cadere in una configurazione simile a quella proposta nel test della bomba quantistica, la gocciolina si comporta esattamente nello stesso modo statistico è previsto per il fotone. Se ci fosse effettivamente una bomba nella configurazione il 50% delle volte, la gocciolina, come il fotone, la rileverebbe, senza interagire fisicamente con essa, il 25% delle volte.
Il fatto che le statistiche in entrambi gli esperimenti coincidano suggerisce che qualcosa nella dinamica classica della gocciolina potrebbe essere al centro del comportamento quantistico altrimenti misterioso di un fotone. I ricercatori vedono lo studio come un altro ponte tra due realtà:il mondo classico osservabile e il regno quantistico più confuso.
"Qui abbiamo un sistema classico che fornisce le stesse statistiche ottenute nel test della bomba quantistica, considerato una delle meraviglie del mondo quantistico", afferma l'autore dello studio John Bush, professore di matematica applicata al MIT. "In effetti, scopriamo che il fenomeno non è poi così meraviglioso. E questo è un altro esempio di comportamento quantistico che può essere compreso da una prospettiva realista locale."
Il coautore di Bush è l'ex postdoc del MIT Valeri Frumkin.
Per alcuni fisici, la meccanica quantistica lascia troppo spazio all’immaginazione e non dice abbastanza sulle dinamiche reali da cui presumibilmente derivino fenomeni così strani. Nel 1927, nel tentativo di cristallizzare la meccanica quantistica, il fisico Louis de Broglie presentò la teoria dell'onda pilota:un'idea ancora controversa secondo la quale il comportamento quantistico di una particella è determinato non da un'onda statistica e intangibile di possibili stati ma da un "pilota" fisico. " onda di sua creazione, che guida la particella attraverso lo spazio.
Il concetto fu per lo più scartato fino al 2005, quando il fisico Yves Couder scoprì che le onde quantistiche di de Broglie potevano essere replicate e studiate in un classico esperimento basato sui fluidi. La configurazione prevede un bagno di fluido fatto vibrare leggermente su e giù, anche se non abbastanza da generare onde da solo.
Una goccia dello stesso fluido di dimensioni millimetriche viene quindi erogata sul bagno e, mentre rimbalza sulla superficie, la gocciolina risuona con le vibrazioni del bagno, creando quello che i fisici conoscono come un campo di onde stazionarie che "pilota" o spinge la gocciolina. lungo. L'effetto è quello di una gocciolina che sembra camminare lungo una superficie increspata secondo schemi che risultano essere in linea con la teoria dell'onda pilota di de Broglie.
Negli ultimi 13 anni, Bush ha lavorato per perfezionare ed estendere gli esperimenti sull'onda pilota idrodinamica di Couder e ha utilizzato con successo la configurazione per osservare goccioline che mostrano un comportamento emergente, simile a quello quantistico, compreso il tunneling quantistico, la diffrazione di singole particelle e traiettorie surreali.
"Si scopre che questo esperimento idrodinamico sull'onda pilota mostra molte caratteristiche dei sistemi quantistici che in precedenza si pensava fossero impossibili da comprendere da una prospettiva classica", afferma Bush.
Nel loro nuovo studio, lui e Frumkin hanno affrontato il tester della bomba quantistica. L'esperimento mentale inizia con un interferometro concettuale:essenzialmente due corridoi della stessa lunghezza che si diramano dallo stesso punto di partenza, quindi girano e convergono, formando una configurazione a rombo mentre i corridoi continuano, ciascuno terminando con un rispettivo rilevatore.
Secondo la meccanica quantistica, se un fotone viene sparato dal punto di partenza dell'interferometro, attraverso un divisore di fascio, la particella dovrebbe percorrere uno dei due corridoi con uguale probabilità. Nel frattempo, la misteriosa "funzione d'onda" del fotone, o la somma di tutti i suoi possibili stati, viaggia lungo entrambi i corridoi simultaneamente.
La funzione d'onda interferisce in modo tale da garantire che la particella appaia solo su un rivelatore (chiamiamolo D1) e mai sull'altro (D2). Pertanto, il fotone dovrebbe essere rilevato in D1 il 100% delle volte, indipendentemente dal corridoio attraverso cui ha viaggiato.
Se c'è una bomba in uno dei due corridoi e un fotone si dirige lungo questo corridoio, prevedibilmente innesca la bomba e l'installazione viene fatta a pezzi e nessun fotone viene rilevato su nessuno dei rilevatori. Ma se il fotone viaggia lungo il corridoio senza la bomba, accade qualcosa di strano:la sua funzione d'onda, nel viaggiare lungo entrambi i corridoi, viene interrotta in uno dalla bomba.
Dato che non è proprio una particella, l'onda non fa esplodere la bomba. Ma l'interferenza dell'onda viene modificata in modo tale che la particella verrà rilevata con la stessa probabilità in D1 e D2. Un eventuale segnale in D2 significherebbe quindi che un fotone ha rilevato la presenza della bomba, senza interagire fisicamente con essa. Se la bomba è presente il 50% delle volte, allora questo strano rilevamento della bomba quantistica dovrebbe verificarsi il 25% delle volte.
Nel loro nuovo studio, Bush e Frumkin hanno organizzato un esperimento analogo per vedere se questo comportamento quantistico potesse emergere nelle goccioline classiche. In un bagno di olio di silicone, hanno immerso una struttura simile ai corridoi a forma di rombo dell'esperimento mentale. Hanno quindi distribuito con attenzione minuscole goccioline di olio nella vasca da bagno e hanno seguito i loro percorsi. Hanno aggiunto una struttura su un lato del rombo per imitare un oggetto simile a una bomba e hanno osservato come la gocciolina e i suoi modelli d'onda cambiassero in risposta.
Alla fine, hanno scoperto che il 25% delle volte una gocciolina rimbalzava attraverso il corridoio senza la “bomba”, mentre le sue onde pilota interagivano con la struttura della bomba in un modo che spingeva la gocciolina lontano dalla bomba. Da questa prospettiva, la gocciolina è stata in grado di "percepire" l'oggetto simile a una bomba senza entrarvi fisicamente in contatto.
Anche se la gocciolina mostrava un comportamento di tipo quantistico, il team ha potuto vedere chiaramente che questo comportamento emergeva dalle onde della gocciolina, che aiutavano fisicamente a tenere la gocciolina lontana dalla bomba. Queste dinamiche, dice il team, potrebbero anche aiutare a spiegare il misterioso comportamento delle particelle quantistiche.
"Non solo le statistiche sono le stesse, ma conosciamo anche le dinamiche, che erano un mistero", afferma Frumkin. "E la conclusione è che una dinamica analoga potrebbe essere alla base del comportamento quantistico."
"Questo sistema è l'unico esempio che conosciamo che non è quantistico ma condivide alcune forti proprietà delle particelle d'onda", afferma il fisico teorico Matthieu Labousse, dell'ESPCI Parigi, che non è stato coinvolto nello studio. "È molto sorprendente che molti esempi ritenuti peculiari del mondo quantistico possano essere riprodotti da un sistema così classico. Esso consente di comprendere la barriera tra ciò che è specifico di un sistema quantistico e ciò che non lo è. Gli ultimi risultati del gruppo del MIT spinge molto oltre la barriera."
Ulteriori informazioni: Valeri Frumkin et al, Errore di misurazione senza interazione da un sistema classico, Physical Review A (2023). DOI:10.1103/PhysRevA.108.L060201. journals.aps.org/pra/abstract/ … PhysRevA.108.L060201. Su arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2306.13590
Informazioni sul giornale: Revisione fisica A , arXiv
Fornito dal Massachusetts Institute of Technology
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca, l'innovazione e l'insegnamento del MIT.
