La fisica quantistica è strana, o, comunque, questo è quello che dovresti pensare. Eppure, ha più di cento anni ed è la teoria scientifica più accurata mai creata. Inoltre, fornisce la base per tutta la tecnologia moderna. Sicuramente, quindi, qualcuno capisce cosa sta succedendo, giusto? …Giusto?

Ti lascio decidere da solo. Vi mostrerò l’insieme più semplice di fatti sperimentali sulla fisica quantistica che mostra il problema nella sua interpretazione. Solo un avvertimento: non ti daremo risposte che ti soddisferanno. Se non altro, la fisica quantistica ci mostra che la Natura è molto più ricca del mondo costruito dai nostri sensi e questo alla nostra sensibilità non piace.

Se fai brillare un laser nella seguente disposizione di specchi e divisori di raggio – chiamato interferometro Mach-Zehnder – ecco cosa accadrà.

Poiché la luce laser, in realtà tutta la luce, è un’onda elettromagnetica, può subire interferenze costruttive e distruttive. A seconda del modo in cui la luce laser passa attraverso il divisore di raggio, potrebbe invertire o meno il suo orientamento. Per l’osservatore in alto, la luce che prende il percorso superiore si è riflessa due volte sul “retro” del divisore di raggio, mentre la luce dal percorso inferiore non ha riflesso nessun divisore di raggio, passando attraverso entrambi. Quindi i due riflessi nel percorso superiore si annullano e la luce “si somma” – questa è un’interferenza costruttiva.

Per l’osservatore in basso, è vero il contrario. La luce che prende il percorso superiore si riflette sul retro del primo divisore di raggio ma passa attraverso il secondo, solo un’inversione. La luce nel percorso inferiore si riflette sul secondo divisore di raggio, ma colpisce la “parte anteriore” e non si inverte. Quindi, un percorso ha invertito la luce per l’osservatore in basso e l’altro no, costringendo la luce a “cancellarsi” – un’interferenza distruttiva.

A proposito, non c’è niente di particolarmente speciale in questa configurazione: è un esperimento di fisica universitario abbastanza di routine. Che la luce venga invertita quando si riflette sulla parte posteriore di un divisore di fascio e non sulla parte anteriore potrebbe sembrare strano all’inizio, ma è stato ben compreso dal 1821. Una semplice analogia è nel riflesso di un’onda in una corda quando rimbalza su un’estremità tenuta fissa o lasciata libera. Non lasciare che questa parte ti confonda perché non siamo ancora arrivati ​​alle cose quantistiche!

OK, ecco la roba quantistica. Come Einstein dimostrò nel 1905, la luce è fatta di particelle – in seguito chiamate fotoni – la cui scoperta portò al suo Premio Nobel per la Fisica. Quindi, riduciamo la potenza del laser finché gli osservatori non rilevano un fotone alla volta, un breve lampo di luce. Potremmo fare in modo che solo una volta al minuto si osservi un rilevamento. Cosa ti aspetti che accada?

Il primo divisore di raggio rifletterà o farà passare ogni fotone a caso. Considera il caso in cui un fotone rimbalza sul primo divisore di raggio. Quindi, è sul sentiero superiore. Quando colpisce il secondo divisore di raggio, ha una probabilità 50:50 di rimbalzare o passare. Ciò significa che sia gli osservatori in alto che in basso dovrebbero segnalare i flash, anche se periodicamente e in modo casuale. Lo stesso sarebbe vero se il fotone originariamente passasse attraverso il primo divisore di raggio.

Tuttavia, questo non è ciò che accade. Solo l’osservatore superiore vede la luce. Una volta al minuto, segnalano un lampo e l’osservatore in basso rimane per sempre all’oscuro. In qualche modo, il fotone deve prendere entrambi i percorsi e interferire con se stesso. Potremmo verificarlo, se volessimo, regolando la “fase” in un percorso. Ad esempio, potremmo ritardare il fotone nel percorso superiore allungando il percorso. Quindi, l’osservatore in basso inizierebbe a vedere lampi, ma solo in base a quanto esattamente si sovrappone la luce nei nuovi percorsi. La luce prende decisamente entrambi i percorsi e interferisce con il secondo divisore di raggio.

Giusto per chiarire, supponiamo che un terzo osservatore sia seduto sul percorso inferiore a guardare il fotone. Supponiamo che venga sparato un fotone e che il nuovo osservatore non veda nulla. OK, niente di grave, giusto? Non hanno disturbato il fotone o altro, quindi questo non dovrebbe cambiare il risultato. Ma lo fa! Non vedono un fotone, il che significa che non c’è luce nel percorso inferiore. Ciò significa che nessuna luce può interferire con il secondo divisore di raggio e gli osservatori finali vedono entrambi i lampi a caso. Se il nuovo osservatore rileva un fotone, gli altri due osservatori non vedono nulla. Questo è del tutto coerente con il fotone che ha preso un percorso o l’altro. Cosa dà?

Se proviamo a osservare il fotone, si comporta come una particella. Se non guardiamo, si comporta come un’onda. Nella fisica quantistica, questo si chiama dualità onda-particella: la luce ha contemporaneamente un comportamento simile a un’onda e a una particella. Cos’è quindi, un’onda o una particella? Nessuna delle due, o entrambe?  Sicuramente non è esclusivamente l’una o l’altra. Ma dire che è l’una e l’altra è solo una sciocchezza. È qualcosa di diverso, qualcosa per cui non abbiamo una buona analogia quotidiana – niente con cui confrontarlo direttamente nelle nostre esperienze.

In oltre cento anni, non siamo ancora d’accordo su una risposta alla domanda su come pensare al meglio a ciò che accade con la luce. La cosa non controversa, la cosa su cui tutti i fisici sono d’accordo, è come prevedere in modo molto accurato ciò che gli osservatori vedranno. Questo può essere fatto con una precisione sorprendente. Spiegami la configurazione sperimentale e prevedo esattamente cosa verrà osservato. Cosa succede nel frattempo? Nessuno può dirlo perché per testarlo sarebbe necessaria una diversa configurazione sperimentale, per la quale la fisica quantistica predirrebbe nuovi risultati.

Potremmo chiedere “cosa sarebbe successo se…” – ma nessuno è d’accordo sulle risposte a questa domanda, o anche se vale la pena porre tali domande. Agli studenti di fisica quantistica viene semplicemente detto di non porre tali domande, incarnate dalla famosa frase “stai zitto e calcola“. I calcoli, ovviamente, devono essere fatti, ma forse c’è una verità più profonda da quel punto di vista che non è così meschina. Forse non c’è una risposta a “cosa succede veramente” al fotone perché i nostri concetti di ciò che costituisce risposte accettabili sono troppo limitati.

La sottile ironia è che, scientificamente parlando, le risposte a “ciò che realmente accade” sono utili solo perché ci danno modelli del mondo che possiamo usare per fare previsioni accurate. Ma possiamo già farlo all’interno della fisica quantistica. Tuttavia, chiediamo di più, ponendo domande a cui non possiamo fornire risposte empiriche. Cosa succede davvero nella nostra mente quando chiediamo di più? Bene, ecco un’altra domanda interessante.