I fisici del MIT hanno eseguito la versione più precisa del celebre esperimento della doppia fenditura, impiegando atomi ultrafreddi e singoli fotoni. Questo esperimento ha permesso di rivelare l’insolita e duplice natura della luce, che si manifesta sia come onda che come particella. Questo delicato equilibrio quantistico, oggetto di lungo dibattito tra giganti come Einstein e Bohr, è stato testato senza i tradizionali componenti “a molla”, affidandosi invece a una sorta di “sfocatura” atomica. I risultati hanno confermato la visione di Bohr: è impossibile osservare entrambe le proprietà contemporaneamente. L’esperimento non solo evidenzia le sottigliezze della meccanica quantistica, ma riesamina e risolve anche una storica rivalità scientifica.
La doppia fenditura del MIT: rivelata la strana natura della luce
I ricercatori del MIT hanno condotto una versione altamente perfezionata di uno degli esperimenti più iconici della fisica quantistica. Utilizzando tecniche di precisione su scala atomica, sono stati in grado di esaminare da vicino la misteriosa duplice natura della luce. I loro risultati hanno confermato un principio a lungo dibattuto nel mondo della fisica, smentendo in questo caso l’idea di Albert Einstein sulla luce.
L’esperimento rivisitato è conosciuto come l’esperimento della doppia fenditura. Condotto per la prima volta nel 1801 dallo scienziato britannico Thomas Young, era originariamente progettato per dimostrare che la luce si comporta come un’onda. Con l’avvento della meccanica quantistica nel XX secolo, tuttavia, l’esperimento assunse un significato ancora maggiore, diventando un modo sorprendentemente semplice per rivelare una verità profondamente sconcertante: la luce si comporta sia come un’onda che come una particella, ma mai simultaneamente.
Un pilastro della fisica quantistica e un dibattito storico
Nella versione tradizionale del test, un fascio di luce viene diretto attraverso due strette fessure in una barriera. Su uno schermo posto dietro, invece di osservare semplicemente due macchie di luce (come ci si aspetterebbe se la luce fosse composta da particelle solide), emerge un motivo a strisce di bande chiare e scure. Questo schema di interferenza ondulatorio ricorda da vicino le increspature dell’acqua che si intersecano. Tuttavia, non appena si tenta di misurare quale fenditura attraversa la luce, le strisce svaniscono e la luce inizia a comportarsi come singole particelle.
Oggi, l’esperimento della doppia fenditura è un punto fermo nelle lezioni di fisica delle scuole superiori, utilizzato per illustrare uno dei concetti centrali della teoria quantistica: la materia fisica, inclusa la luce, esiste sia come onda che come particella. È fondamentale comprendere che l’atto di osservare una di queste forme ne causa la scomparsa dell’altra.
Quasi un secolo fa, questo esperimento fu al centro di un acceso ma amichevole dibattito tra i fisici Albert Einstein e Niels Bohr. Nel 1927, Einstein propose che un fotone dovesse passare attraverso una sola delle due fenditure, esercitando una piccola forza su di essa. Suggerì che, rilevando tale forza, si potesse contemporaneamente osservare una figura di interferenza, cogliendo così sia la natura corpuscolare che quella ondulatoria della luce. In risposta, Bohr applicò il principio di indeterminazione della meccanica quantistica, dimostrando che la rilevazione del percorso del fotone avrebbe inevitabilmente annullato la figura di interferenza.
Da allora, gli scienziati hanno condotto diverse versioni dell’esperimento della doppia fenditura, e tutte, in varia misura, hanno confermato la validità della teoria quantistica formulata da Bohr. Ora, i fisici del MIT hanno eseguito la versione più “idealizzata” dell’esperimento fino ad oggi, riducendolo ai suoi elementi quantistici essenziali. Hanno utilizzato singoli atomi come fenditure e fasci di luce deboli, garantendo che ogni atomo diffondesse al massimo un fotone. Preparando gli atomi in diversi stati quantici, sono stati in grado di variare le informazioni ottenute dagli atomi sul percorso dei fotoni.
I ricercatori hanno quindi confermato le previsioni della teoria quantistica: maggiore era l’informazione ottenuta sul percorso della luce (cioè sulla sua natura di particella), minore era la visibilità della figura di interferenza ondulatoria. Hanno dimostrato chiaramente dove Einstein si sbagliava: ogni volta che un atomo viene “scosso” dal passaggio di un fotone, l’interferenza delle onde diminuisce.
La “sfocatura” atomica sostituisce la molla di Einstein
Nel loro esperimento all’avanguardia, il gruppo del MIT ha testato l’idea di Einstein su come rilevare il percorso di un fotone. Concettualmente, se ogni fenditura fosse stata realizzata da un foglio di carta estremamente sottile, sospeso in aria da una molla, un fotone che attraversava una fenditura avrebbe dovuto scuotere la molla corrispondente in una certa misura. Questo scuotimento avrebbe costituito un segnale della natura particellare del fotone. In precedenti realizzazioni dell’esperimento della doppia fenditura, i fisici avevano incorporato un ingrediente simile a una molla, e questa aveva giocato un ruolo fondamentale nel descrivere la duplice natura del fotone.
Il team di Ketterle è riuscito a condurre l’esperimento senza le proverbiali molle. La nuvola di atomi del gruppo era inizialmente tenuta in posizione dalla luce laser, in modo simile alla concezione di Einstein di una fenditura sospesa da una molla. I ricercatori hanno ipotizzato che se avessero eliminato la loro “molla” e osservato esattamente lo stesso fenomeno, ciò avrebbe dimostrato che la molla non aveva alcun effetto sulla dualità onda/particella di un fotone.
E questo è esattamente ciò che hanno scoperto. In diverse sessioni, hanno spento il laser che fungeva da molla e teneva fermi gli atomi, effettuando rapidamente una misurazione in un milionesimo di secondo, prima che gli atomi diventassero più sfocati e cadessero per gravità. In questo brevissimo lasso di tempo, gli atomi fluttuavano di fatto nello spazio libero. In questo scenario senza molla, il team ha osservato lo stesso fenomeno: la natura ondulatoria e corpuscolare di un fotone non poteva essere osservata simultaneamente.
“In molte descrizioni, le molle svolgono un ruolo importante. Ma noi dimostriamo che, no, le molle non contano qui; ciò che conta è solo la sfocatura degli atomi”, afferma Fedoseev. “Pertanto, bisogna usare una descrizione più approfondita, che utilizzi le correlazioni quantistiche tra fotoni e atomi”.
I ricercatori sottolineano che il 2025 è stato dichiarato dalle Nazioni Unite Anno Internazionale della Scienza e della Tecnologia Quantistica, celebrando la formulazione della meccanica quantistica avvenuta 100 anni fa. La discussione tra Bohr ed Einstein sull’esperimento della doppia fenditura ebbe luogo solo due anni dopo tale formulazione. “È una meravigliosa coincidenza che siamo riusciti a chiarire questa storica controversia nello stesso anno in cui celebriamo la fisica quantistica”, afferma il coautore Lee.
Lo studio è stato pubblicato sul Physical Review Letters.
