Ciò che tutti dovrebbero sapere sulla meccanica quantistica

La meccanica quantistica non è del tutto magica, ma è necessario un insieme di regole completamente nuove per dare un senso all'universo quantistico

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L’idea più potente di tutta la scienza è questa: l’universo, nonostante tutta la sua complessità, può essere ridotto alle sue componenti più semplici e fondamentali. Se riesci a determinare le regole, le leggi e le teorie sottostanti che governano la tua realtà, finché puoi specificare com’è il tuo sistema in qualsiasi momento, puoi usare la tua comprensione di quelle leggi per prevedere come saranno le cose sia in un lontano futuro che in un lontano passato. La ricerca per svelare i segreti dell’universo consiste fondamentalmente nell’affrontare questa sfida: capire cosa costituisce l’universo, determinare come queste entità interagiscono ed evolvono, quindi scrivere e risolvere le equazioni che ti consentono di prevedere i risultati che hai non ancora misurato per te stesso.

A questo proposito, l’universo ha un enorme senso, almeno in termini concettuali. Ma quando iniziamo a parlare di cosa, precisamente, è ciò che compone l’universo, e come le leggi della natura effettivamente funzionano in pratica, molte persone si irritano di fronte a questa immagine controintuitiva della realtà: la meccanica quantistica.

Supponiamo che tu abbia già sentito parlare di fisica quantistica, ma non sai ancora cosa sia. Ecco un modo in cui tutti possono, almeno fino ai limiti in cui chiunque può, dare un senso alla nostra realtà quantistica.

Gli esperimenti sulla doppia fenditura eseguiti con la luce producono schemi di interferenza, come farebbero per qualsiasi onda. Le proprietà dei diversi colori della luce sono dovute alle loro diverse lunghezze d’onda. (Credito: Technical Services Group/MIT)

Prima che esistesse la meccanica quantistica, avevamo una serie di ipotesi sul modo in cui funzionava l’universo. Abbiamo ipotizzato che tutto ciò che esiste fosse fatto di materia e che a un certo punto avremmo trovato un mattone fondamentale della materia che non poteva essere ulteriormente suddiviso. In effetti, la stessa parola “atomo” deriva dal greco ἄτομος, che letteralmente significa “intagliabile“, o come comunemente la pensiamo, indivisibile. Questi indivisibili, fondamentali costituenti della materia esercitano tutti forze l’uno sull’altro, come la forza gravitazionale o elettromagnetica, e la confluenza di queste particelle indivisibili che si spingono e si tirano l’una sull’altra è ciò che era al centro della nostra realtà fisica.

Le leggi della gravitazione e dell’elettromagnetismo, tuttavia, sono completamente deterministiche. Se descrivi un sistema di masse e/o cariche elettriche, e specifichi le loro posizioni e movimenti in qualsiasi momento, quelle leggi ti permetteranno di calcolare – con precisione arbitraria – quali sono le posizioni, i movimenti e le distribuzioni di ogni particella in qualsiasi altro momento, passato e futuro. Dal movimento planetario alle palle che rimbalzano alla sedimentazione dei granelli di polvere, le stesse regole, leggi e costituenti fondamentali dell’universo descrivono accuratamente tutto.

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Fino a quando, cioè, abbiamo scoperto che c’era di più nell’universo di queste leggi classiche.

Questo diagramma illustra la relazione di incertezza intrinseca tra posizione e quantità di moto. Quando uno è conosciuto in modo più accurato, l’altro è intrinsecamente meno in grado di essere conosciuto con precisione. ( Credito : Maschen/Wikimedia Commons)

1.) Non puoi sapere tutto, esattamente, tutto in una volta. Se c’è una caratteristica distintiva che separa le regole della fisica quantistica dalle loro controparti classiche, è questa: non puoi misurare determinate quantità con precisioni arbitrarie, e meglio le misuri, più le altre proprietà corrispondenti diventano intrinsecamente incerte.

  • Misura la posizione di una particella con una precisione molto elevata e il suo momento diventa meno noto.
  • Misura il momento angolare (o spin) di una particella in una direzione e distruggi le informazioni sul suo momento angolare (o spin) nelle altre due direzioni.
  • Misura la vita di una particella instabile, e meno tempo vive, più intrinsecamente incerta sarà la massa a riposo della particella.

Questi sono solo alcuni esempi delle stranezze della fisica quantistica, ma sono sufficienti per illustrare l’impossibilità di conoscere tutto ciò che si può immaginare di sapere su un sistema tutto in una volta. La natura limita fondamentalmente ciò che è conoscibile contemporaneamente su qualsiasi sistema fisico, e più si cerca di definire con precisione una qualsiasi di un ampio insieme di proprietà, più un insieme di proprietà correlate diventa intrinsecamente incerto.

La larghezza intrinseca, o metà della larghezza del picco nell’immagine sopra quando sei a metà strada verso l’alto, è misurata in 2,5 GeV: un’incertezza intrinseca di circa +/- 3% della massa totale. La massa del bosone in questione, il bosone Z, ha un picco di 91,187 GeV, ma quella massa è intrinsecamente incerta di una quantità significativa. (Credito : J. Schieck per la collaborazione ATLAS, JINST7, 2012)

2.) Si può calcolare solo una distribuzione di probabilità dei risultati: non una previsione esplicita, univoca, singola. Non solo è impossibile conoscere tutte le proprietà, simultaneamente, che definiscono un sistema fisico, ma le stesse leggi della meccanica quantistica sono fondamentalmente indeterminate. Nell’universo classico, se lanci un sassolino attraverso una stretta fessura in un muro, puoi prevedere dove e quando colpirà il suolo dall’altra parte. Ma nell’universo quantistico, se fai lo stesso esperimento ma usi invece una particella quantistica – che si tratti di un fotone, di un elettrone o di qualcosa di ancora più complicato – puoi solo descrivere il possibile insieme di risultati che si verificheranno.

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La fisica quantistica ti consente di prevedere quali saranno le probabilità relative di ciascuno di questi risultati e ti consente di farlo per un sistema quantistico complicato quanto la tua potenza di calcolo può gestire. Tuttavia, l’idea che tu possa configurare il tuo sistema in un determinato momento, sapere tutto ciò che è possibile sapere su di esso e quindi prevedere con precisione come quel sistema si sarà evoluto in un momento arbitrario in futuro non è più vero nella meccanica quantistica. Puoi descrivere quale sarà la probabilità di tutti i possibili risultati, ma per ogni singola particella in particolare, c’è solo un modo per determinarne le proprietà in un momento specifico: misurandole.

L’effetto fotoelettrico descrive in dettaglio come gli elettroni possono essere ionizzati dai fotoni in base alla lunghezza d’onda dei singoli fotoni, non all’intensità della luce o a qualsiasi altra proprietà. Al di sopra di una certa soglia di lunghezza d’onda per i fotoni in ingresso, indipendentemente dall’intensità, gli elettroni verranno espulsi. Al di sotto di tale soglia, nessun elettrone verrà espulso, anche se si aumenta l’intensità della luce. Sia gli elettroni che l’energia in ciascun fotone sono discreti. (Credito: WolfManKurd/Wikimedia Commons)

3.) Molte cose, nella meccanica quantistica, saranno discrete, piuttosto che continue. Questo arriva a quello che molti considerano il cuore della meccanica quantistica: la parte “quantistica” delle cose. Se poni la domanda “quanto” in fisica quantistica, scoprirai che sono consentite solo determinate quantità.

  • Le particelle possono venire solo in determinate cariche elettriche: con incrementi di un terzo della carica di un elettrone.
  • Le particelle che si legano insieme formano stati legati, come gli atomi, e gli atomi possono avere solo insiemi espliciti di livelli di energia.
  • La luce è composta da singole particelle, fotoni, e ogni fotone ha solo una quantità specifica e finita di energia inerente ad esso.

In tutti questi casi, c’è un valore fondamentale associato allo stato più basso (diverso da zero), e quindi tutti gli altri stati possono esistere solo come una sorta di multiplo intero (o intero frazionario) di quello stato con il valore più basso. Dagli stati eccitati dei nuclei atomici alle energie rilasciate quando gli elettroni cadono nel loro “buco” nei dispositivi LED alle transizioni che governano gli orologi atomici, alcuni aspetti della realtà sono veramente granulari, e non possono essere descritti da continui cambiamenti da uno stato all’altro .

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La classica aspettativa di inviare particelle attraverso una singola fenditura (L) o una doppia fenditura (R). Se spari oggetti macroscopici (come i sassi) contro una barriera con una o due fenditure, questo è lo schema previsto che puoi aspettarti di osservare. ( Credito : InductiveLoad/Wikimedia Commons)

4.) I sistemi quantistici mostrano comportamenti sia ondulatori che particellari. E quale ottieni dipende da se e come misuri il sistema. L’esempio più famoso di questo è l’esperimento della doppia fenditura: far passare una singola particella quantistica, una alla volta, attraverso un insieme di due fenditure ravvicinate. Ora, ecco dove le cose si fanno strane.

  • Se non misuri quale particella passa attraverso quale fenditura, lo schema che osserverai sullo schermo dietro la fenditura mostrerà un’interferenza, dove ogni particella sembra interferire con se stessa lungo il viaggio. Lo schema rivelato da molte di queste particelle mostra un’interferenza, un fenomeno puramente quantistico.
  • Se misuri quale fenditura attraversa ciascuna particella — la particella 1 passa attraverso la fenditura 2, la particella 2 passa attraverso la fenditura 2, la particella 3 attraversa la fenditura 1, ecc. — non c’è più uno schema di interferenza. In effetti, ottieni semplicemente due “gruppi” di particelle, uno ciascuno corrispondente alle particelle che sono passate attraverso ciascuna delle fessure.

È quasi come se tutto mostrasse un comportamento ondulatorio, con la sua probabilità che si diffonda nello spazio e nel tempo, a meno che un’interazione non lo costringa ad essere simile a una particella. Ma a seconda dell’esperimento che esegui e di come lo esegui, i sistemi quantistici mostrano proprietà che sono sia simili a onde che a particelle.

Gli elettroni mostrano proprietà d’onda così come proprietà di particelle e possono essere usati per costruire immagini o sondare le dimensioni delle particelle così come la luce può. Qui puoi vedere i risultati di un esperimento in cui gli elettroni vengono sparati uno alla volta attraverso una doppia fenditura. Una volta che vengono sparati abbastanza elettroni, è possibile vedere chiaramente lo schema di interferenza. (Credito : Thierry Dugnolle/Dominio pubblico)

5.) L’atto di misurare un sistema quantistico cambia radicalmente il risultato di quel sistema. Secondo le regole della meccanica quantistica, un oggetto quantistico può esistere in più stati contemporaneamente. Se hai un elettrone che passa attraverso una doppia fenditura, parte di quell’elettrone deve passare attraverso entrambe le fenditure, simultaneamente, per produrre lo schema di interferenza. Se hai un elettrone in una banda di conduzione in un solido, i suoi livelli di energia sono quantizzati, ma le sue possibili posizioni sono continue. Stessa storia, che ci crediate o no, per un elettrone in un atomo: possiamo conoscerne il livello energetico, ma chiedere “dov’è l’elettrone” è qualcosa cui si può rispondere solo probabilisticamente.

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Per farti un’idea: “ok, provocherò un’interazione quantistica in qualche modo, facendo scontrare un quanto con un altro quanto o facendolo passare attraverso un campo magnetico o qualcosa del genere“, e ora hai una misurazione. Sai dove si trova l’elettrone al momento di quella collisione, ma ecco il punto forte: effettuando quella misurazione, ora hai cambiato il risultato del tuo sistema. Hai fissato la posizione dell’oggetto, hai aggiunto energia ad esso e questo provoca un cambiamento nella quantità di moto. Le misurazioni non si limitano a “determinare” uno stato quantistico, ma creano un cambiamento irreversibile nello stato quantico del sistema stesso.

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 la località che il realismo non possono spiegare una miriade di osservazioni, ma le interpretazioni multiple sembrano tutte ugualmente buone. (Credito: Melissa Meister/ThorLabs)

6.) L’entanglement può essere misurato, ma le sovrapposizioni no. Ecco una caratteristica sconcertante dell’universo quantistico: puoi avere un sistema che si trova simultaneamente in più di uno stato contemporaneamente. Il gatto di Schrodinger può essere vivo e morto allo stesso tempo; due onde d’acqua che si scontrano nella tua posizione possono farti salire o scendere; un bit quantico di informazione non è solo uno 0 o un 1, ma può essere una percentuale “0” e una percentuale “1” allo stesso tempo. Tuttavia, non c’è modo di misurare una sovrapposizione; quando effettui una misurazione, ottieni solo uno stato per misurazione. Apri la scatola: il gatto è morto. Osserva l’oggetto nell’acqua: salirà o cadrà. Misura il tuo bit quantistico: prendi uno 0 o un 1, mai entrambi.

Ma mentre la sovrapposizione è costituita da effetti diversi o particelle o stati quantistici tutti sovrapposti l’uno sull’altro, l’entanglement è diverso: è una correlazione tra due o più parti diverse dello stesso sistema. L’entanglement può estendersi a regioni sia all’interno che all’esterno dei reciproci coni di luce e sostanzialmente afferma che le proprietà sono correlate tra due particelle distinte. Se avessi due fotoni entangled e volessi indovinare lo “spin” di ciascuno, avrei probabilità 50/50. Ma se misurassi lo spin di uno, saprei che lo spin dell’altro è più simile a 75/25: molto meglio di 50/50. Non ci sono informazioni che vengono scambiate più velocemente della luce, ma battere il 50/50 in una serie di misurazioni è un modo sicuro per dimostrare che l’entanglement quantistico è reale e influenza il contenuto di informazioni dell’universo.

Le differenze di livello di energia in Lutezio-177. Nota come ci sono solo livelli di energia specifici e discreti che sono accettabili. All’interno di queste bande continue si può conoscere lo stato degli elettroni, ma non la loro posizione. (Credito : MS Litz e G. Merkel Army Research Laboratory, SEDD, DEPG)

7.) Ci sono molti modi per “interpretare” la fisica quantistica, ma le nostre interpretazioni non sono la realtà. Questa è la parte più delicata di tutta l’impresa. Una cosa è essere in grado di scrivere equazioni che descrivono l’universo e concordare con gli esperimenti. Un’altra cosa è descrivere esattamente esattamente cosa sta succedendo in modo indipendente dalla misurazione.

La fisica è, nel suo nucleo, ciò che puoi prevedere, osservare e misurare in questo universo. Eppure, quando si effettua una misurazione, che cosa sta succedendo? E cosa significa questo riguardo alla realtà?

La realtà è:

  • una serie di funzioni d’onda quantistiche che “crollano” istantaneamente dopo aver effettuato una misurazione?
  • un insieme infinito di onde quantistiche, la misurazione “seleziona” uno di quei membri dell’insieme?
  • una sovrapposizione di potenziali che si spostano in avanti e all’indietro che si incontrano, ora, in una sorta di “stretta di mano quantistica?”
  • un numero infinito di mondi possibili, dove ogni mondo corrisponde a un risultato, e tuttavia il nostro universo percorrerà solo uno di quei sentieri?

Se ritieni che questa linea di pensiero sia utile, risponderai: “chi lo sa; proviamo a scoprirlo”. Ma potresti pensare anche che questa linea di pensiero non offre alcuna conoscenza ed è un vicolo cieco. A meno che tu non riesca a trovare un vantaggio sperimentale di un’interpretazione rispetto a un’altra – a meno che tu non possa testarle l’una contro l’altra in una sorta di ambiente di laboratorio – tutto ciò che stai facendo nella scelta di un’interpretazione è presentare i tuoi pregiudizi umani. Se non sono le prove a decidere, è molto difficile sostenere che il tuo sforzo abbia un merito scientifico.

Le fluttuazioni quantistiche che si verificano durante l’inflazione si estendono attraverso l’Universo e quando l’inflazione termina, diventano fluttuazioni di densità. Ciò porta, nel tempo, alla struttura su larga scala dell’Universo odierno, nonché alle fluttuazioni di temperatura osservate nel CMB. È un esempio spettacolare di come la natura quantistica della realtà influenzi l’intero universo su larga scala. (Credit: E. Siegel; ESA/Planck e la Task Force interagenzia DOE/NASA/NSF sulla ricerca CMB)

Se dovessi insegnare a qualcuno solo le leggi classiche della fisica che pensavamo governassero l’universo fino al XIX secolo, sarebbe completamente sbalordito dalle implicazioni della meccanica quantistica. Non esiste una cosa come una “vera realtà” che sia indipendente dall’osservatore; infatti, l’atto stesso di effettuare una misurazione altera irrevocabilmente il tuo sistema. Inoltre, la natura stessa è intrinsecamente incerta, con le fluttuazioni quantistiche responsabili di tutto, dal decadimento radioattivo degli atomi ai semi iniziali della struttura che consentono all’universo di crescere e formare stelle, galassie e, infine, gli esseri umani.

La natura quantistica dell’universo è scritta sulla faccia di ogni oggetto che esiste al suo interno. Eppure, ci insegna un punto di vista umiliante: che a meno che non facciamo una misurazione che riveli o determini una specifica proprietà quantistica della nostra realtà, quella proprietà rimarrà indeterminata fino a quando non sorgerà un tale momento. Se seguirai un corso sulla meccanica quantistica a livello universitario, probabilmente imparerai come calcolare le distribuzioni di probabilità dei possibili risultati, ma è solo effettuando una misurazione che determini quale risultato specifico si verifica nella tua realtà. Per quanto poco intuitiva sia la meccanica quantistica, esperimento dopo esperimento continua a dimostrarsi corretta. Mentre molti sognano ancora un universo completamente prevedibile, la meccanica quantistica, non le nostre preferenze ideologiche, descrive in modo più accurato la realtà in cui tutti abitiamo.