Leggere bene l’Universo per comprendere la fisica quantistica

Mentre le persone sono libere di discutere della loro interpretazione preferita, nessuno può pretendere di avere più "ragione" di qualsiasi altro. Il cuore della fisica quantistica può essere trovato nei risultati sperimentali. Imponiamo le nostre preferenze sull'Universo a nostro rischio e pericolo. L'unico percorso per comprendere è ascoltare ciò che l'Universo ci dice di se stesso.

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Uno degli aspetti più affascinanti ed enigmatici della meccanica quantistica riguarda la dualità che caratterizza il comportamento delle particelle quantistiche. Esse infatti presentano sia una natura corpuscolare che ondulatoria, e il loro comportamento dipende solo dall’approccio adottato nell’eseguire misure e osservazioni.

Un classico esempio con il quale viene dimostrato questo comportamento anomalo è fornito dall’esperimento della doppia fenditura.

Questo esperimento fu realizzato per la prima volta da Thomas Young, nell’ambito delle sue ricerche sulla natura ondulatoria o corpuscolare della luce. Già in precedenza Isaac Newton aveva associato alla luce un comportamento corpuscolare, in quanto tale prospettiva giustificava ampiamente diversi fenomeni fisici quali la riflessione, la trasmissione, la rifrazione e ogni altro fenomeno ottico basato sulla presenza di raggi.

Vi erano però altri fenomeni fisici, quali la diffrazione e l’interferenza che potevano essere spiegati solo con un’interpretazione ondulatoria della luce. Facendo passare della luce attraverso una doppia fenditura, ci si accorse che essa si comportava come delle onde d’acqua, producendo il noto schema di interferenza. I punti chiari e scuri che apparivano sullo schermo posto dietro le fenditure corrispondevano alla tipica interferenza costruttiva/distruttiva, indicando come – sotto opportune condizioni – la luce si comporti come un’onda. La ragione di questo comportamento della luce potrebbe dipendere dall’ampio numero di quanti di luce – i fotoni – che attraversano le due fenditure e interferiscono fra di loro.

Per dimostrare la validità dell’esperimento, si è quindi pensato di utilizzare un altro set di oggetti quantistici: gli elettroni.

Queste particelle sono state proiettate verso le fenditure non tutte insieme, ma una alla volta; quindi ogni elettrone ha concluso il suo percorso in un determinato punto dello schermo. Dopo aver proiettato sulle fenditure centinaia di elettroni la figura ottenuta è ancora, sorprendentemente, quella tipica dell’interferenza. È come se ogni singolo elettrone avesse sperimentato un’interferenza con se stesso, comportandosi come un’onda.

Per dare una spiegazione a questo comportamento, i fisici hanno quindi deciso di controllare l’esperimento, ponendo una luce leggera che illumina ciascuna delle fenditure. Quando l’elettrone passa attraverso la fenditura, la luce viene perturbata, permettendo così di individuare esattamente la fenditura attraversata. Al termine dell’esperimento, sono stati rilevati tutti gli elettroni e quindi si ha esatta contezza di come siano state attraversate le fenditure.

Si viene a creare la seguente situazione:

Si vede chiaramente che è scomparso lo schema a interferenza, sostituito da colonne di elettroni; ovvero, il percorso che avrebbe compiuto ogni elettrone senza interferenza. La spiegazione a quanto osservato consiste nella modalità di esecuzione dell’esperimento. Modificare l’approccio a un esperimento comporta una variazione nel risultato finale.

Se vogliamo avere delle informazioni su quale fenditura sarà attraversata da un quanto, esso si comporterà come una particella. Se invece non si vogliono informazioni su quale fenditura verrà attraversata, allora il quanto si comporterà come un’onda, agendo come se attraversasse le due fenditure contemporaneamente e producendo un modello di interferenza.

Quando le fenditure dell’esperimento sono illuminate, un ruolo importante viene svolto dall’energia e dall’intensità del fascio di luce. Con un fascio di luce ad alta energia (elevata energia per fotone) e intensità (elevato numero di fotoni) non si noterebbe nessuna interferenza perché gli elettroni sarebbero tutti rilevati. Abbassando l’energia per fotone, ci sarà un valore al di sotto del quale un numero rilevante di elettroni non interagisce con i fotoni. Si avrà pertanto un attraversamento delle fenditure senza alcuna rilevazione, ritornando allo schema con interferenza. Lo stesso succede abbassando il numero dei fotoni.

L’idea allora è quella di utilizzare i fotoni per determinare quale fessura viene attraversata, salvo poi distruggere questa informazione prima di osservare lo schermo finale.

Quest’ultima idea è conosciuta come quantum eraser experiment, e produce l’affascinante risultato che se si distrugge sufficientemente l’informazione, anche dopo aver misurato quale fenditura è stata attraversata dalla particella, si vedrà sempre un modello a interferenza nello schermo. Se la particelle viene identificata in qualche modo, non si vedrà mai il modello a interferenza nello schermo; se invece la particella non è timbrata (oppure è stata rivelata e poi è stata distrutta la sua informazione), allora si avrà il modello a interferenza.

Alla luce di queste informazioni, rimangono ancora tante le domande a cui studenti di fisica e di scienza non riescono a dare delle risposte precise:

la natura è intrinsecamente non-deterministica? Tutto ciò che costruiamo o distruggiamo oggi può avere a che fare con i risultati di eventi che si sono già verificati nel passato? L’osservatore gioca un ruolo fondamentale nel determinare cosa è reale?

La sconcertante risposta è che al momento non siamo in grado di dedurre se la natura sia o meno deterministica, locale o non locale, o se la funzione d’onda sia reale.

L’esperimento della doppia fenditura, oggi, fornisce la massima descrizione possibile della realtà.

La fisica ci permette di conoscere i risultati degli esperimenti che noi stessi produciamo. Il resto è tutta un’interpretazione.

La nostra interpretazione della fisica quantistica assume una validità quando essa riesce a spiegare con successo i risultati degli esperimenti condotti. È solo al loro interno che possiamo trovare il cuore della fisica quantistica. Noi cerchiamo di imporre le nostre preferenze all’Universo a nostro rischio e pericolo.

L’unica strada per la comprensione è ascoltare ciò che l’Universo ci dice di se stesso.