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HomeFisica/Astronomia/astrofisica10 miti della fisica quantistica che devono essere sfatati

10 miti della fisica quantistica che devono essere sfatati

Per secoli le leggi della fisica sono sembrate completamente deterministiche. Se sapessi dov’è ogni particella, quanto velocemente si muove e quali sono le forze tra di loro in ogni istante, potresti sapere esattamente dove si troveranno e cosa faranno in qualsiasi momento nel futuro. Da Newton a Maxwell, le regole che governavano l’Universo non avevano alcuna forma di incertezza intrinseca. Gli unici limiti derivavano dalla limitata conoscenza, misurazioni e potere di calcolo.

Tutto questo è cambiato poco più di 100 anni fa.Dalla radioattività all’effetto fotoelettrico al comportamento della luce quando la si fa passare attraverso una doppia fenditura, abbiamo iniziato a renderci conto che in molte circostanze potevamo solo prevedere la probabilità che si verificassero vari esiti come conseguenza della natura quantistica del nostro Universo. Ma insieme a questa nuova immagine controintuitiva della realtà, sono sorti molti miti e idee sbagliate. Ecco la vera scienza dietro 10 di loro.

Creando un binario in cui le rotaie magnetiche esterne puntano in una direzione e le rotaie magnetiche interne puntano nell’altra, un oggetto superconduttore di tipo II levita, rimane bloccato sopra o sotto il binario e si muove lungo di esso. Questo potrebbe, in linea di principio, essere ampliato per consentire il movimento senza resistenza su larga scala se si ottengono superconduttori a temperatura ambiente. ( Credito : Henry Mühlpfordt/TU Dresden/Wikimedia Commons)

1.) Gli effetti quantistici si verificano solo su piccola scala. Quando pensiamo agli effetti quantistici, in genere pensiamo alle singole particelle (o onde) e alle bizzarre proprietà che mostrano. Ma si verificano effetti macroscopici su larga scala che sono intrinsecamente di natura quantistica.

I metalli conduttori raffreddati al di sotto di una certa temperatura diventano superconduttori: dove la loro resistenza scende a zero. Costruire tracce superconduttive in cui i magneti levitano sopra di loro e viaggiano intorno a loro senza mai rallentare è un progetto scientifico di routine per studenti in questi giorni, costruito su effetti intrinsecamente quantistici.

I superfluidi possono essere creati su grandi scale macroscopiche, così come i tamburi quantistici che simultaneamente vibrano e non vibrano. Negli ultimi 25 anni sono stati assegnati 6 premi Nobel per vari fenomeni quantistici macroscopici.

Le differenze di livello energetico in un atomo di lutezio-177. Nota come ci sono solo livelli di energia specifici e discreti che sono accettabili. Mentre i livelli di energia sono discreti, le posizioni degli elettroni non lo sono. ( Crediti : MS Litz e G. Merkel Army Research Laboratory, SEDD, DEPG)

2.) Quantico significa sempre “discreto”. L’idea che si possa sminuzzare la materia (o l’energia) in singoli pezzi – o quanti – è un concetto importante in fisica, ma non comprende completamente cosa significhi per qualcosa essere “quantistico” in natura. Ad esempio, considera un atomo. Gli atomi sono fatti di nuclei atomici con elettroni legati a loro.

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Ora, pensa a questa domanda: dov’è l’elettrone in qualsiasi momento?

Anche se l’elettrone è un’entità quantistica, la sua posizione è incerta finché non la misuri. Prendi molti atomi e uniscili insieme (come in un conduttore) e spesso scoprirai che sebbene ci siano livelli di energia discreti occupati dagli elettroni, le loro posizioni possono letteralmente essere ovunque all’interno del conduttore. Molti effetti quantistici sono di natura continua, ed è assolutamente possibile che anche lo spazio e il tempo, a un livello quantico fondamentale, siano continui.

Creando due fotoni entangled da un sistema preesistente e separandoli da grandi distanze, possiamo “teletrasportare” informazioni sullo stato di uno misurando lo stato dell’altro, anche da luoghi straordinariamente diversi. Le interpretazioni della fisica quantistica che richiedono sia località che realismo non possono spiegare una miriade di osservazioni, ma interpretazioni multiple sembrano tutte ugualmente valide. ( Credito : Melissa Meister/ThorLabs)

3.) L’entanglement quantistico consente alle informazioni di viaggiare più veloci della luce. Ecco un esperimento che possiamo eseguire:

  • creare due particelle entangled,
  • separarle con una grande distanza,
  • misurare determinate proprietà quantistiche (come lo spin) di una particella alla tua estremità,
  • e puoi conoscere istantaneamente alcune informazioni sullo stato quantistico di altre particelle: più veloce della velocità della luce.

Ma ecco il bello di questo esperimento: nessuna informazione viene trasmessa più velocemente della velocità della luce. Tutto ciò che sta accadendo è che misurando lo stato di una particella, stai vincolando i probabili esiti dell’altra particella. Se qualcuno va a misurare l’altra particella, non avrà modo di sapere che la prima particella è stata misurata e l’entanglement verrà rotto. L’unico modo per determinare se l’entanglement è stato interrotto o meno è riunire nuovamente i risultati di entrambe le misurazioni: un processo che può avvenire solo alla velocità della luce o più lentamente. Nessuna informazione può essere trasmessa più velocemente della luce; questo è stato dimostrato in un teorema del 1993.

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In un tradizionale esperimento del gatto di Schrödinger, non sai se si è verificato il risultato di un decadimento quantico, che ha portato alla morte del gatto o meno. All’interno della scatola, il gatto sarà vivo o morto, a seconda che una particella radioattiva sia decaduta o meno. Se il gatto fosse un vero sistema quantistico, il gatto non sarebbe né vivo né morto, ma in una sovrapposizione di entrambi gli stati finché non viene osservato. Tuttavia, non puoi mai osservare il gatto essere contemporaneamente vivo e morto. ( Credito : Dhatfield/Wikimedia Commons)

4.) La sovrapposizione è fondamentale per la fisica quantistica. Immagina di avere più possibili stati quantistici in cui un sistema può trovarsi. Forse può essere nello stato “A” con il 55% di probabilità, nello stato “B” con il 30% di probabilità e nello stato “C” con il 15% di probabilità. Ogni volta che vai a fare una misurazione, però, non vedi mai un mix di questi possibili stati; otterrai solo un risultato a stato singolo: o è “A”, “B” o “C”.

Le sovrapposizioni sono incredibilmente utili come passaggi di calcolo intermedi per determinare quali saranno i tuoi possibili risultati (e le loro probabilità), ma non possiamo mai misurarli direttamente. Inoltre, le sovrapposizioni non si applicano a tutti i misurabili allo stesso modo, poiché puoi avere una sovrapposizione di momenti ma non posizioni o viceversa. A differenza dell’entanglement, che è un fenomeno quantistico fondamentale, la sovrapposizione non è quantificabile o misurabile universalmente.

5.) Non c’è niente di sbagliato nel fatto che tutti noi scegliamo la nostra interpretazione quantistica preferita. La fisica riguarda tutto ciò che puoi prevedere, osservare e misurare in questo Universo. Tuttavia, con la fisica quantistica, ci sono molti modi per concepire ciò che sta accadendo a livello quantico che concordano tutti allo stesso modo con gli esperimenti. La realtà può essere:

  • una serie di funzioni d’onda quantistiche che istantaneamente “collassano” quando viene effettuata una misurazione,
  • un insieme infinito di onde quantistiche, in cui una misurazione seleziona un membro dell’insieme,
  • una sovrapposizione di potenziali che si muovono in avanti e all’indietro che si incontrano in una “stretta di mano quantistica”,
  • un numero infinito di mondi possibili corrispondenti ai possibili esiti, dove occupiamo semplicemente un percorso,

così come molti altri. Eppure scegliere un’interpretazione piuttosto che un’altra non ci insegna nulla tranne, forse, i nostri pregiudizi umani. È meglio imparare ciò che possiamo osservare e misurare in varie condizioni, che è fisicamente reale, piuttosto che preferire un’interpretazione che non ha alcun vantaggio sperimentale rispetto a qualsiasi altra.

Molte reti quantistiche basate sull’entanglement in tutto il mondo, comprese le reti che si estendono nello spazio, sono in fase di sviluppo per sfruttare i fenomeni spettrali del teletrasporto quantistico, dei ripetitori e delle reti quantistiche e altri aspetti pratici dell’entanglement quantistico. Lo stato quantico viene “tagliato e incollato” da una posizione all’altra, ma non può essere clonato, copiato o “spostato” senza distruggere lo stato originale. In realtà, nessuna informazione viene scambiata più velocemente della luce. ( Credito : SA Hamilton et al., 70° Congresso Astronautico Internazionale, 2019)

6.) Il teletrasporto è possibile, grazie alla meccanica quantistica. In realtà esiste un fenomeno reale noto come teletrasporto quantistico, ma in definitiva non significa che sia fisicamente possibile teletrasportare un oggetto fisico da un luogo a un altro. Se prendi due particelle entangled e ne tieni una vicina mentre invii l’altra a una destinazione desiderata, puoi teletrasportare le informazioni dallo stato quantistico sconosciuto da un’estremità all’altra.

Ciò ha enormi restrizioni, tuttavia, incluso il fatto che funziona solo per singole particelle e che solo le informazioni su uno stato quantico indeterminato, non qualsiasi materia fisica, possono essere teletrasportate. Anche se potessi ridimensionarlo per trasmettere l’informazione quantistica che codifica un intero essere umano, trasferire informazioni non è la stessa cosa che trasferire materia: non puoi teletrasportare un essere umano, mai, con il teletrasporto quantistico.

7.) Tutto è incerto in un Universo quantistico. Alcune cose sono incerte, ma molte cose sono estremamente ben definite e ben note in un Universo quantistico. Se prendi un elettrone, per esempio, non puoi sapere:

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  • la sua posizione e il suo slancio,
  • o il suo momento angolare in più direzioni reciprocamente perpendicolari,

esattamente e simultaneamente in qualsiasi circostanza. Ma alcune cose sull’elettrone possono essere conosciute esattamente! Possiamo conoscere con assoluta certezza la sua massa a riposo, la sua carica elettrica o la sua durata (che sembra essere infinita).

Le uniche cose che sono incerte nella fisica quantistica sono coppie di grandezze fisiche che hanno tra loro una relazione specifica: cioè coppie di variabili coniugate. Questo è il motivo per cui esistono relazioni di incertezza tra energia e tempo, tensione e carica libera, o momento angolare e posizione angolare. Sebbene molte coppie di quantità abbiano un’incertezza intrinseca tra di loro, molte quantità sono ancora note esattamente.

8.) Ogni particella dello stesso tipo ha la stessa massa. Se potessi prendere due particelle identiche – come due protoni o due elettroni – e metterle su una scala perfettamente accurata, avrebbero sempre la stessa identica massa l’una dell’altra. Ma questo è solo perché i protoni e gli elettroni sono particelle stabili con vite infinite.

Se invece prendessi particelle instabili che decadono dopo poco tempo – come due quark top o due bosoni di Higgs – e le mettessi su una scala perfettamente accurata, non otterresti gli stessi valori. Questo perché c’è un’incertezza intrinseca tra energia e tempo: se una particella vive solo per un periodo di tempo finito, allora c’è un’incertezza intrinseca nella quantità di energia (e quindi, da E = mc², massa a riposo) che la particella ha. Nella fisica delle particelle, la chiamiamo “larghezza” di una particella e può portare a un’incertezza della massa intrinseca di una particella fino a una piccola percentuale.

9.) Lo stesso Einstein negò la meccanica quantistica. È vero che c’è una famosa citazione di Einstein su come “Dio non gioca a dadi con l’Universo“. Ma discutere contro una casualità fondamentale inerente alla meccanica quantistica – che è ciò di cui parlava il contesto di quella citazione – è discutere su come interpretare la meccanica quantistica, non un argomento contro la meccanica quantistica stessa.

In effetti, la natura dell’argomentazione di Einstein era che nell’Universo potrebbe esserci di più di quanto possiamo attualmente osservare, e se potessimo comprendere le regole che non abbiamo ancora scoperto, forse ciò che qui sembra essere casuale potrebbe rivelare una più profonda verità non casuale. Sebbene questa posizione non abbia prodotto risultati utili, l’esplorazione dei fondamenti della fisica quantistica continua ad essere un’area attiva di ricerca, escludendo con successo una serie di interpretazioni che coinvolgono “variabili nascoste” presenti nell’Universo.

10.) Gli scambi di particelle nella teoria quantistica dei campi descrivono completamente il nostro Universo. Questo è il “piccolo sporco segreto” della teoria quantistica dei campi che i fisici imparano all’università: la tecnica che usiamo più comunemente per calcolare le interazioni tra due particelle quantistiche qualsiasi. Li visualizziamo come particelle che vengono scambiate tra questi due quanti, insieme a tutti i possibili ulteriori scambi che potrebbero verificarsi come fasi intermedie.

Se potessi estrapolare questo a tutte le possibili interazioni – a ciò che gli scienziati chiamano ordini di loop arbitrari – finiresti con delle sciocchezze. Questa tecnica è solo un’approssimazione: una serie asintotica, non convergente, che si scompone oltre un certo numero di termini. È un’immagine incredibilmente utile, ma fondamentalmente incompleta. L’idea degli scambi di particelle virtuali è avvincente e intuitiva, ma è improbabile che sia la risposta definitiva.