La realtà esiste sempre oppure prende forma quando un osservatore la misura? Questa domanda è una delle più interessanti ed esplorate nel campo della meccanica quantistica, il ramo della scienza che si occupa del comportamento delle particelle subatomiche.
In un campo in cui prevalgono fenomeni intriganti e quasi misteriosi come la “sovrapposizione quantistica” – una situazione in cui una particella può trovarsi in due o addirittura “tutti” i posti possibili allo stesso tempo – alcuni scienziati sostengono che la realtà esiste al di fuori della nostra consapevolezza e non è possibile cambiare questo fatto. Altri replicano che la “realtà quantistica” potrebbe essere un qualcosa che puoi modellare in forme diverse con le tue azioni.
Ora, gli scienziati dell’Università Federale della ABC (UFABC) di San Paolo in Brasile stanno alimentando l’ipotesi che la realtà potrebbe essere “negli occhi dell’osservatore”.
In una nuova ricerca, pubblicata sulla rivista Communications Physics, i ricercatori brasiliani hanno tentato di verificare il “principio di complementarità” proposto dal famoso fisico danese Niels Bohr nel 1928. Esso afferma che gli oggetti sono dotati di determinate coppie di proprietà complementari che sono impossibili da osservare o misurare allo stesso tempo, quali energia e durata, o posizione e quantità di moto.
Ad esempio, a prescindere da come si imposta un esperimento che coinvolge una coppia di elettroni, non è possibile studiare la posizione di entrambe le quantità contemporaneamente: il test illustrerà la posizione del primo elettrone, ma ma non potrà determinare contemporaneamente la quantità di moto del secondo elettrone (la particella complementare).
“Dio non gioca a dadi”
Per comprendere come questo principio di complementarità si collega alla realtà oggettiva, dobbiamo fare un tuffo nella storia, a circa un secolo fa. Nel 1927 ebbe luogo a Bruxelles un leggendario dibattito tra Bohr e il celebre fisico teorico di origine tedesca Albert Einstein durante la quinta Conferenza Solvay (la più importante conferenza internazionale annuale di fisica e chimica).
Davanti agli occhi di altri 77 brillanti scienziati, riunitisi tutti nella capitale austriaca per discutere del campo nascente della meccanica quantistica, Einstein insisteva sul fatto che gli stati quantistici avevano una loro realtà indipendente, a prescindere da come uno scienziato agiva su di essi. Bohr, nel frattempo, difendeva l’idea che i sistemi quantistici possono vedere definita la propria realtà solo dopo che lo scienziato ha impostato il progetto sperimentale.
“Dio non gioca a dadi”, diceva Einstein.
“Un sistema si comporta come un’onda o una particella a seconda del contesto, ma non è possibile prevedere cosa farà“, sosteneva Bohr, riferendosi al concetto di dualità onda-particella, secondo cui la materia può comportarsi come un’onda in un momento e apparire come una particella in un altro momento, un’idea che il fisico francese Louis de Broglie propose per la prima volta nel 1924.
Il “Principio di Complementarietà”
Non ci volle molto tempo dopo la conclusione della Conferenza Solvay del 1927 perché Bohr articolasse pubblicamente il suo principio di complementarità. Nel corso dei decenni successivi, la controversa nozione di Bohr sarebbe stata testata e ritestata fino alla nausea. Uno di coloro che sperimentarono il principio di complementarità fu il fisico teorico americano John Archibald Wheeler.
Wheeler nel 1978 tentò di reinventare l’esperimento della doppia fenditura di Thomas Young, risalente al 1801 sulle proprietà della luce. L’esperimento della doppia fenditura si svolge facendo brillare una luce su un muro con due fessure parallele. Quando la luce passa attraverso ciascuna fenditura, sul lato opposto del divisore, si diffrange e si sovrappone alla luce proveniente dall’altra fenditura, in questo modo i due fasci di luce interferiscono tra loro. Ciò significa niente più linee rette: lo schema grafico che emerge alla fine dell’esperimento è uno schema di interferenza, il che significa che la luce si muove a onde. Essenzialmente, la luce ha sia una natura particellare che una natura ondulatoria, e queste due nature sono inseparabili.
Wheeler utlizzò un “apparato per la misurazione delle onde” e un “apparato per la misurazione delle particelle” dopo che la luce aveva già attraversato le fenditure. In altre parole, cercò di scegliere cosa misurare solo dopo che, presunibilmente, la luce doveva essersi già propagata come un’onda o come una particella, e scoprì che anche dopo aver ritardato la scelta, il principio di complementarità non veniva violato.
Tuttavia, indagini più recenti che hanno tentato di applicare il principio di sovrapposizione quantistica all’esperimento della scelta ritardata, hanno visto le due possibilità coesistere (proprio come due onde sulla superficie di un lago possono sovrapporsi). Ciò ha suggerito un comportamento ibrido di tipo ondulatorio e particellare all’interno dello stesso apparato, contraddicendo il principio di complementarità.
Realtà controllata quantistica
Gli scienziati brasiliani hanno quindi deciso di progettare un esperimento di realtà quantistica controllata.
“Abbiamo utilizzato tecniche di risonanza magnetica nucleare simili a quelle utilizzate nell’imaging medico“, ha detto Roberto M. Serra, ricercatore di scienza e tecnologia dell’informazione quantistica presso l’UFABC, che ha guidato l’esperimento. Particelle come protoni, neutroni ed elettroni hanno tutte uno spin nucleare, che è una proprietà magnetica analoga all’orientamento di un ago in una bussola. “Abbiamo manipolato gli spin nucleari di diversi atomi in una molecola utilizzando un tipo di radiazione elettromagnetica. In questa configurazione, abbiamo creato un nuovo dispositivo di interferenza per lo spin nucleare di un protone per indagare la sua realtà di onde e particelle nel regno quantistico”, spiega Serra.
“Questa nuova disposizione ha prodotto esattamente le stesse statistiche osservate dei precedenti esperimenti quantistici di scelta ritardata“, spiega Pedro Ruas Dieguez, ricercatore post-dottorato presso il Centro internazionale per la teoria delle tecnologie quantistiche (ICTQT) in Polonia, che ha preso parte allo studio. “Tuttavia, nella nuova configurazione, siamo stati in grado di collegare il risultato dell’esperimento con il modo in cui si comportano le onde e le particelle in modo da verificare il principio di complementarità di Bohr“, continua Dieguez.
Il punto principale dello studio, svoltosi dell’aprile 2022, è che la realtà fisica nel mondo quantistico è fatta di entità mutuamente esclusive che, tuttavia, non si contraddicono ma si completano a vicenda.
Si tratta di un risultato affascinante, dicono gli esperti. “I ricercatori brasiliani hanno ideato un quadro matematico e una corrispondente configurazione sperimentale che consente di testare la teoria quantistica, in particolare di comprendere la natura della complementarità studiando il realismo fisico del sistema“, spiega Stephen Holler, professore associato di fisica alla Fordham University.
Si tratta di uno studio che da ragione al fisico quantistico americano e premio Nobel Richard Feynman: “Se pensi di capire la meccanica quantistica, non capisci la meccanica quantistica“, dice Holler. “C’è molto da imparare sulla teoria e i ricercatori continuano a fare passi da gigante per comprendere anche i principi di base, il che è particolarmente importante ora che entriamo nell’era in cui i dispositivi e l’informatica quantistica stanno iniziando a proliferare”.
Dieguez è euforico. “Il fatto che una particella materiale possa comportarsi come un’onda e la luce come una particella, a seconda del contesto, è ancora uno dei misteri più intriganti e belli della fisica quantistica“, afferma.
Che la realtà possa essere negli occhi dell’osservatore è un aspetto molto peculiare della realtà fisica nel dominio quantistico e il mistero in sé non mostra segni di cedimento, concordano entrambi i ricercatori.
