La meccanica quantistica, la teoria che governa il micromondo degli atomi e delle particelle, ha certamente il fattore X. A differenza di molte altre aree della fisica, è bizzarra e controintuitiva, il che la rende abbagliante e intrigante.
I dibattiti sulla meccanica quantistica, siano essi nei forum, nelle chat, nei media o nella fantascienza, possono spesso provocare confusione grazie a una serie di miti e idee sbagliate persistenti. Eccone quattro.
1. Un gatto di Schrödinger può essere vivo e morto
Probabilmente Erwin Schrödinger non avrebbe mai potuto prevedere che il suo esperimento mentale, il gatto di Schrödinger, avrebbe raggiunto lo status di meme di Internet nel 21° secolo.
L’esperimento suggerisce che uno sfortunato felino bloccato in una scatola con un kill switch attivato da un evento quantistico casuale, per esempio il decadimento di un atomo radioattivo, potrebbe essere vivo e morto allo stesso tempo, a patto che non apriamo la scatola per controllare.
Sappiamo da tempo che le particelle quantistiche possono trovarsi in due stati, ad esempio in due posizioni, contemporaneamente. La chiamiamo sovrapposizione. Gli scienziati sono stati in grado di dimostrarlo nel famoso esperimento della doppia fenditura, in cui una singola particella quantistica, come un fotone o un elettrone, può attraversare due diverse fenditure di una parete contemporaneamente. Come lo sappiamo?
Nella fisica quantistica, ogni particella è contemporaneamente anche un’onda. Ma quando inviamo un flusso di fotoni, uno per uno, attraverso le fenditure, si crea uno schema di due onde che interferiscono tra loro su uno schermo dietro la fenditura.
Poiché ogni fotone non aveva altri fotoni con cui interferire quando ha attraversato le fenditure, significa che deve essere passato contemporaneamente attraverso entrambe le fenditure, interferendo con se stesso (immagine sotto).
Perché ciò funzioni, tuttavia, gli stati (onde) nella sovrapposizione della particella che attraversa entrambe le fenditure devono essere “coerenti” – avere, cioè, una relazione ben definita tra loro.
Questi esperimenti di sovrapposizione possono essere eseguiti con oggetti di dimensioni e complessità sempre maggiori. Un famoso esperimento di Anton Zeilinger nel 1999 ha dimostrato la sovrapposizione quantistica con grandi molecole di carbonio-60 note come “buckyballs”.
Quindi cosa significa questo per il nostro povero gatto? È davvero sia vivo che morto finché non apriamo la scatola?
Ovviamente, un gatto non è per niente come un singolo fotone in un ambiente di laboratorio controllato, è molto più grande e complesso. Qualsiasi coerenza che i trilioni su trilioni di atomi che compongono il gatto potrebbero avere l’uno con l’altro è estremamente di breve durata. Ciò non significa che la coerenza quantistica sia impossibile nei sistemi biologici, solo che generalmente non si applica a grandi creature come i gatti o un essere umano.
2. Semplici analogie possono spiegare l’entanglement
L’entanglement è una proprietà quantistica che collega due particelle diverse in modo che se ne misuri una, conosci automaticamente e istantaneamente lo stato dell’altra, non importa quanto siano distanti.
Le spiegazioni comuni per spiegare questo fenomeno in genere coinvolgono oggetti quotidiani del nostro mondo macroscopico classico, come dadi, carte o anche paia di calzini di colori strani. Ad esempio, immagina di dire al tuo amico che hai messo un biglietto blu in una busta e un biglietto arancione in un’altra. Se il tuo amico apre una delle buste e trova il bigliettoa blu, saprà che nell’altra c’è il biglietto arancione.
Ma per capire la meccanica quantistica, devi immaginare che le due carte all’interno delle buste siano in una sovrapposizione congiunta, il che significa che sono sia arancioni che blu allo stesso tempo (in particolare arancione/blu e blu/arancione).
L’apertura di una busta rivela un colore determinato a caso. Ma l’apertura della seconda rivela sempre il colore opposto perché è legato in maniera inquietante a quello della prima busta.
Si potrebbe forzare i biglietti ad apparire in un diverso set di colori, come fare un altro tipo di misurazione. Potremmo aprire una busta facendo la domanda: “Sei un cartellino verde o rosso?“.
La risposta sarebbe ancora una volta casuale: verde o rosso. Ma soprattutto, se i biglietti fossero in entanglement, l’altro darebbe comunque sempre il risultato opposto quando viene posta la stessa domanda.
Albert Einstein ha tentato di spiegarlo con l’intuizione classica, suggerendo che i biglietti avrebbero potuto essere dotati di un set di istruzioni interno nascosto che diceva loro di che colore apparire data una certa domanda.
Einstein rifiutava l’apparente azione “spettrale” tra i biglietti che apparentemente consente loro di influenzarsi istantaneamente a vicenda, il che significherebbe una comunicazione più veloce della velocità della luce, qualcosa di proibito dalle teorie di Einstein.
Tuttavia, la spiegazione di Einstein è stata successivamente esclusa dal teorema di Bell (un test teorico creato dal fisico John Stewart Bell) e dagli esperimenti dei premi Nobel del 2022. L’idea che misurare un biglietto entangled cambi lo stato dell’altro non è vera.
Le particelle quantistiche sono solo misteriosamente correlate in modi che non possiamo descrivere con la logica o il linguaggio di tutti i giorni: non comunicano mentre contengono anche un codice nascosto, come aveva pensato Einstein.
Quindi dimentica gli oggetti di tutti i giorni quando pensi all’entanglement.
3. La natura è irreale e “non locale”
Si dice spesso che il teorema di Bell dimostri che la natura non è “locale”, che un oggetto non è direttamente influenzato solo dall’ambiente circostante. Un’altra interpretazione comune è che implica che le proprietà degli oggetti quantistici non sono “reali”, che non esistono prima della misurazione.
Ma il teorema di Bell ci permette solo di dire che la fisica quantistica significa che la natura non è sia reale che locale se assumiamo alcune altre cose contemporaneamente.
Questi presupposti includono l’idea che le misurazioni abbiano un solo risultato (e non multiplo, forse in mondi paralleli), che causa ed effetto scorrono avanti nel tempo e che non viviamo in un “universo meccanico” in cui tutto è stato predeterminato dall’alba dei tempi.
Nonostante il teorema di Bell, la natura potrebbe essere reale e locale, se si escludessero alcune altre cose che consideriamo di buon senso, come il tempo che va avanti. E si spera che ulteriori ricerche restringeranno il gran numero di potenziali interpretazioni della meccanica quantistica.
Tuttavia, la maggior parte delle opzioni sul tavolo – per esempio, il tempo che scorre all’indietro o l’assenza del libero arbitrio – sono almeno assurde quanto rinunciare al concetto di realtà locale.
4. Nessuno capisce la meccanica quantistica
Una classica citazione (attribuita al fisico Richard Feynman, ma in questa forma parafrasando anche Niels Bohr ) ipotizza: “Se pensi di capire la meccanica quantistica, allora non la capisci“.
Questo punto di vista è ampiamente diffuso nel pubblico. La fisica quantistica è presumibilmente impossibile da capire, anche dai fisici. Ma dal punto di vista del 21° secolo, la fisica quantistica non è né matematicamente né concettualmente particolarmente difficile per gli scienziati.
La capiamo molto bene, al punto che possiamo prevedere i fenomeni quantistici con alta precisione, simulare sistemi quantistici altamente complessi e persino iniziare a costruire computer quantistici.
La sovrapposizione e l’entanglement, se spiegati nel linguaggio dell’informazione quantistica, non richiedono altro che la matematica delle scuole superiori. Il teorema di Bell non richiede alcuna fisica quantistica. Può essere derivato in poche righe usando la teoria della probabilità e l’algebra lineare.
La vera difficoltà, forse, sta nel come conciliare la fisica quantistica con la nostra realtà intuitiva. Non avere tutte le risposte non ci impedirà di fare ulteriori progressi con la tecnologia quantistica. Possiamo semplicemente stare zitti e calcolare.
Fortunatamente per l’umanità, i vincitori del Nobel Aspect, Clauser e Zeilinger si sono rifiutati di tacere e hanno continuato a chiedersi perché. Altri come loro potrebbero un giorno aiutare a conciliare la stranezza quantistica con la nostra esperienza della realtà.
Alessandro Fedrizzi, Professore di Fisica, Heriot-Watt University e Mehul Malik, Professore di Fisica, Heriot-Watt University.
