L’ubiquità degli atomi

Immaginiamo uno stadio pieno, una partita importante e un giocatore che sta per tirare il calcio di rigore decisivo. Esiste una possibilità che la palla entri in rete e contemporaneamente manchi l’obiettivo? Se stessimo parlando del mondo microscopico e la palla fosse una particella subatomica che segue le leggi della meccanica quantistica allora questo si,  sarebbe possibile. Nel mondo macroscopico in cui viviamo il nostro quotidiano, invece, le leggi della fisica classica ci dicono che questo è impossibile. La palla segue un’unica traiettoria e entra in rete o manca la porta. Ma è davvero così? Il mondo del macroscopico segue davvero regole diverse rispetto al mondo del microscopico?

Questo rompicapo affligge i fisici da diverse generazioni. Secondo la meccanica quantistica, una delle caratteristiche principali delle particelle subatomiche che compongono l’universo, come ad esempio elettroni, protoni, neutroni, quark e così via, è l’indeterminazione, proprietà che coinvolge anche la posizione delle particelle. Questo principio, noto sin dai tempi di Heisenberg, prende il nome di  “sovrapposizione degli stati quantici”. A causa della natura intrinsecamente probabilistica delle leggi della meccanica quantistica, una particella può occupare contemporaneamente diversi stati quantici finché il suo stato non viene misurato. Nel momento in cui si determina la sua posizione la particella “collassa” in uno dei due stati osservabili a causa di un inevitabile grado di disturbo connesso alla misurazione stessa. I problemi nascono, però, quando si deve relazionare il mondo subatomico con quello macroscopico. Erwin Schrödinger elaborò nel 1935  il famoso paradosso del gatto proprio per spiegare l’inadeguatezza della meccanica quantistica a descrivere il mondo macroscopico.

Il gatto di Schrödinger
Schrodinger elabora il suo paradosso a partire dalla situazione opposta a quella che stiamo valutando, definita come entangled. Anziché avere un elettrone in due posizioni diverse, si possono avere due elettroni “fusi” nella stessa posizione. Il fisico immaginò di chiudere per un’ora un gatto in una scatola collegata a un meccanismo in grado di liberare un potente veleno, a sua volta regolato dallo stato di due atomi. Se in quell’intervallo di tempo lo stato dei due atomi resta invariato, allora il gatto sarà vivo allo scadere del tempo; in caso contrario il gatto morirà. Ma c’è un problema: solo aprendo la scatola a tempo scaduto potremmo sapere quale delle due opzioni si è verificata perché, non conoscendo il momento in cui lo stato degli atomi cambia, fino a quel momento il sistema si troverà in una sovrapposizione di stati. Il gatto, quindi, sarà contemporaneamente morto e vivo. Sappiamo, ovviamente, che questo non è possibile e il dilemma sta proprio qui, nel capire se e come l’indeterminatezza degli stati microscopici possa influenzare il mondo macroscopico.

Le regole del macro e del micro: uguali o diverse?
Ma torniamo alla nostra palla. Alla fine della partita potremmo descrivere con certezza la traiettoria seguita da quel rigore, nonostante lo stato delle sue particelle subatomiche possa assumere diversi stati contemporaneamente. Perché? Un gruppo di fisici dell’Università di Bonn ha provato a rispondere a questa domanda. «Esistono due diverse risposte possibili», spiega Andrea Alberti, uno degli autori dello studio. «La prima è che la meccanica quantistica permette la sovrapposizione degli stati anche negli oggetti macroscopici. Questi stati, però, sono fragili e il solo seguirli con i nostri occhi fa si che uno degli stati “collassi” nell’altro e la palla segua una sola traiettoria», cosi come previsto dalla meccanica quantistica.

«La seconda spiegazione», continua il fisico, «è che la palla segue regole completamente diverse da quelle che valgono per le singole particelle atomiche». Per fare luce sulla questione i ricercatori hanno utilizzato un singolo atomo di cesio e delle pinzette ottiche per spingere l’atomo contemporaneamente in due posizioni diverse. Per misurare la sua posizione senza far perturbare la sovrapposizione di stati quantici i fisici hanno utilizzato un metodo indiretto: vedere la posizione lasciata vuota (misurazione negativa) per capire la posizione realmente occupata dall’atomo (misurazione positiva). Nonostante questo metodo “gentile”, i risultati dell’esperimento venivano influenzati dalle misurazioni, sostenendo l’ipotesi che l’atomo di cesio, così come le particelle subatomiche, occupa, sì, due posizioni diverse nello stesso momento ma quando si cerca di misurarle se ne rileva una soltanto, non per via del fatto che ne sia occupata solo una ma per il solo fatto stesso che si sta cercando di misurarle.

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L’esperimento messo a punto dal team di Bonn. Supponiamo di avere due vasi e un gattino nascosto sotto a uno di essi (a). Per capire se l’animale si trova a destra o a sinistra, proviamo al alzare il vaso di destra, che risulta vuoto (b). Concludiamo quindi che il gatto si trova sotto il vaso di sinistra. Se avessimo sollevato il vaso di sinistra, avremmo “disturbato” l’animale e la misurazione non sarebbe riuscita (c). Nel mondo subatomico e nel caso dell’atomo di cesio considerato in questo esperimento, invece, una misura negativa indiretta come quella in (b) è sufficiente a turbare la sovrapposizione di stati e a influenzare il risultato dell’esperimento. (Immagine: Andrea Alberti/www.warrenphotographic.co.uk)

L’esperimento, concludono gli autori, non è la prova definitiva che l’indeterminazione della meccanica quantistica vale non solo per particelle subatomiche ma anche per oggetti più grandi (l’atomo di cesio in questo caso) ma spinge fortemente in quella direzione. Il passo successivo sarà quello di provare a separare i due stati di diversi millimetri e ripetere l’esperimento con atomi sempre più grandi.

Immagine in homepage: Starts With A Bang/Scienceblogs

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