Un nuovo esperimento spera di risolvere il più grande mistero della meccanica quantistica

I fisici cercheranno di osservare le proprietà quantistiche della sovrapposizione - esistenti in due stati contemporaneamente - su un oggetto più grande che mai

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La rivoluzione quantistica non è mai veramente finita. Sotto il mondo della fisica classica, alle scale più piccole, le particelle minuscole non seguono le solite regole. Le particelle a volte agiscono come onde e viceversa. A volte sembrano esistere in due posti contemporaneamente. E a volte non puoi nemmeno sapere dove sono.

Per alcuni fisici, come Niels Bohr e i suoi seguaci, i dibattiti sulla meccanica quantistica furono più o meno risolti negli anni ’30. Credevano che il mondo quantistico potesse essere compreso in base alle probabilità: quando si esamina una particella, c’è una possibilità che fa una cosa e un’altra che ne faccia un’altra. Ma altre fazioni, guidate da Albert Einstein, non furono mai pienamente soddisfatte dalle spiegazioni del mondo quantistico e nuove teorie per spiegare il regno atomico iniziarono a spuntare.

Ora, quasi un secolo dopo, un numero crescente di fisici non si accontenta più della versione da manuale della fisica quantistica, che ha avuto origine dall’interpretazione della teoria quantistica di Bohr e di altri, spesso definita l’interpretazione di Copenaghen. L’idea è simile al lancio di una moneta, ma prima di guardare il risultato, la moneta può essere pensata sia come testa che croce: l’atto di guardare o misurare costringe la moneta a “collassare” in uno stato o nell’altro. Ma una nuova generazione di ricercatori sta ripensando il motivo per cui le misurazioni potrebbero causare un collasso del sistema.

Un nuovo esperimento, noto come collaborazione TEQ, potrebbe aiutare a rivelare un confine tra lo strano mondo quantistico e il normale mondo classico di palle da biliardo e proiettili. I ricercatori del TEQ (test su larga scala del limite della meccanica quantistica) stanno lavorando per costruire un dispositivo che leviti un po’ di biossido di silicio o quarzo, misurando le dimensioni dei nanometri – ancora microscopico, ma molto più grande delle singole particelle che gli scienziati hanno usato per dimostrare la meccanica quantistica in precedenza.

Quanto può essere grande un oggetto ed esibire ancora comportamenti quantistici? Una palla da baseball non si comporterà come un elettrone – non potremmo mai vedere una palla volare nel campo sinistro e nel campo destro contemporaneamente – ma che dire di un pezzo di quarzo su nanoscala?

Una di queste alternative è nota come teoria Ghirardi-Rimini-Weber, o GRW, che prende il nome da tre fisici che hanno perfezionato la teoria negli anni ’80. Nel GRW, le particelle microscopiche esistono contemporaneamente in più stati, note come sovrapposizione, ma diversamente dall’interpretazione di Copenaghen, possono collassare spontaneamente in un singolo stato quantico.
Secondo la teoria, più è grande un oggetto, meno è probabile che esista in sovrapposizione, motivo per cui la materia a misura d’uomo esiste in un solo stato in un dato momento e può essere descritta dalla fisica classica.
Nel GRW, i crolli si verificano in modo casuale con probabilità fissa per particella per unità di tempo“, afferma Tim Maudlin, filosofo della fisica presso la New York University.
Nella teoria di Copenaghen, d’altra parte, i crolli si verificano solo quando viene effettuata una misurazione, quindi “si avrebbe bisogno di un chiaro criterio fisico sia quando si verifica una misurazione sia su cosa viene misurato”. E questo è esattamente ciò che la teoria non fornisce mai. “GRW spiega questo problema di misurazione suggerendo che il collasso non avviene unicamente per l’atto della misurazione – piuttosto, una particella microscopica ha una data probabilità di collassare in qualsiasi momento, e che il collasso è molto più probabile che accada (essenzialmente garantito) quando esaminato in un dispositivo sperimentale macroscopico.
GRW è un tipo di modello di collasso e se i fisici sono in grado di misurare questo collasso in azione, “allora suggerirebbe che il modello di collasso sia corretto“, afferma Peter Barker, un fisico all’University College di Londra. “Potremo dire, qui finisce la meccanica quantistica e inizia la meccanica classica. Sarebbe fantastico“.
Barker è membro di un gruppo della collaborazione TEQ, che metterà alla prova queste idee su GRW e il collasso quantico. Il piccolo pezzo di quarzo, un millesimo della larghezza di un capello umano, sarà sospeso da un campo elettrico e intrappolato in uno spazio freddo e confinato, dove le sue vibrazioni atomiche rallenteranno quasi allo zero assoluto.
Gli scienziati, quindi, proietteranno un laser sul quarzo e vedranno se la dispersione della luce mostra segni di movimento dell’oggetto. Il movimento del biossido di silicio potrebbe indicare un collasso, il che renderebbe l’esperimento una conferma convincente delle previsioni del GRW (La teoria prevede che gli oggetti di diverse masse hanno diverse quantità di movimento legate a un collasso).
Se gli scienziati non vedessero i segnali previsti da un collasso, l’esperimento fornirebbe comunque informazioni preziose sul mondo quantico delle particelle mentre si mescola con il mondo classico degli oggetti di uso quotidiano. In entrambi i casi, i risultati potrebbero essere un salto di qualità per la fisica quantistica.

Coloro che indagano sulle realtà di base della materia atomica, tuttavia, sembrano concordare sul fatto che probabilmente sta succedendo qualcosa di più rispetto alle teorie esistenti, anche se non è ancora chiaro cosa accada su tali scale minuscole.

Oltre al GRW, le teorie rivali includono la speculativa “interpretazione di molti mondi“, un’idea secondo cui ogni risultato sperimentale può accadere e accade quando le particelle collassano all’infinito in tutti gli stati possibili, generando un numero infinito di universi paralleli.

Un’altra alternativa, nota come meccanica bohmiana, dal nome del suo ideatore David Bohm negli anni ’50, sostiene che le probabilità coinvolte negli esperimenti quantistici descrivono semplicemente la nostra conoscenza limitata di un sistema – in realtà, un’equazione con variabili attualmente nascoste ai fisici guida il sistema indipendentemente dal fatto che qualcuno effettui una misurazione.

Ma i dati dei precedenti esperimenti quantistici non indicano ancora una singola interpretazione, il che rende difficile quale dia una rappresentazione più accurata della realtà.

Grazie a TEQ, tuttavia, i fisici potrebbero finalmente fornire prove a favore o contro teorie del collasso come GRW, rompendo l’impasse con il problema di misurazione. “I modelli di collasso sono in realtà sperimentalmente falsificabili“, afferma Matteo Carlesso, fisico dell’Università di Trieste, che studia teorie quantistiche. Anche se nessun esperimento è stato abbastanza sensibile da verificare o falsificare con successo un modello di collasso, tale esperimento dovrebbe essere possibile con la sensibilità di qualcosa come TEQ.

L’esperimento non sarà facile. L’apparato preciso, congelato quasi allo zero assoluto, non può eliminare tutte le incertezze, e gli scienziati coinvolti devono escludere altre, banali spiegazioni fisiche del moto della particella levitata prima di poter presumere di attribuire ciò che vedono ai moti quantistici. I fisici si riferiscono al tipo di segnali energetici che misurano come “rumore” e sarà incredibilmente difficile isolare il “rumore di collasso” da fonti di rumore di fondo che potrebbero farsi strada nell’esperimento. E non aiuta il fatto che la misurazione stessa riscaldi la particella, rendendo più difficile distinguere i movimenti quantistici che i ricercatori stanno cercando.

Nonostante queste incertezze, i fisici TEQ stanno ora costruendo e testando il dispositivo, e tutto avverrà all’Università di Southampton nel Regno Unito, dove eseguiranno le versioni più sensibili dell’esperimento entro un anno. Hanno la possibilità di vedere finalmente il comportamento quantico in prima persona e, in caso contrario, forse spingere i limiti della meccanica quantistica e far luce su quali tipi di comportamento quantistico non accadono.

L’esperimento è simile alla ricerca delle particelle di materia oscura: i fisici non le hanno ancora rilevate direttamente, ma ora sanno più di prima su quanto massicce possano essere le particelle. Una differenza, tuttavia, è che i fisici sanno che la materia oscura è là fuori, anche se non sanno esattamente di cosa si tratta, afferma Andrew Geraci, un fisico della Northwestern University. I modelli di collasso quantico che Carlesso e altri studiano non sono garantiti come una rappresentazione accurata di ciò che accade alla materia su scala atomica.

Penso che testare questi modelli di collasso e vedere se riusciamo a capire qualcosa su come funziona il problema della misurazione è certamente una allettante possibilità che ci offre questo tipo di tecnologia“, afferma Geraci. “Indipendentemente dal fatto che vedremo o meno qualcosa, vale la pena controllare.”

Fonte: Smithsonian Magazine