Eludere il principio di indeterminazione nella fisica quantistica

Il principio di indeterminazione, introdotto per la prima volta da Werner Heisenberg alla fine degli anni ’20 del secolo scorso, è un concetto fondamentale della meccanica quantistica. 

Nel mondo quantistico, particelle come gli elettroni possono comportarsi anche come onde. Di conseguenza, le particelle non possono avere contemporaneamente una posizione e una quantità di moto ben definite. Ad esempio, misurare la quantità di moto di una particella porta a un disturbo della posizione, e quindi la posizione non può essere definita con precisione.

In una recente ricerca, pubblicata su Science, un team guidato dal Prof. Mika Sillanpää dell’Università di Aalto, in Finlandia, ha dimostrato che esiste un modo per aggirare il principio di indeterminazione. Il team includeva il dottor Matt Woolley dell’Università del New South Wales, in Australia, che ha sviluppato il modello teorico per l’esperimento.

Eludere il principio di indeterminazione

Invece di particelle elementari, il team ha condotto gli esperimenti utilizzando oggetti molto più grandi: due tamburi vibranti un quinto della larghezza di un capello umano. I tamburi sono stati accuratamente costretti a comportarsi in modo quantistico.

“Nel nostro lavoro, le pelli dei tamburi esibiscono un movimento quantistico collettivo. I tamburi vibrano in fase opposta tra loro, in modo tale che quando uno di essi si trova in una posizione finale del ciclo di vibrazione, l’altro è contemporaneamente nella posizione opposta. In questa situazione, l’incertezza quantistica del movimento dei tamburi viene annullata se i due tamburi vengono trattati come un’unica entità quantomeccanica“, spiega l’autore principale dello studio, la dottoressa Laure Mercier de Lepinay.

Ciò significa che i ricercatori sono stati in grado di misurare simultaneamente la posizione e la quantità di moto delle due pelli, cosa che non dovrebbe essere possibile secondo il principio di indeterminazione di Heisenberg. Infrangere la regola permette loro di essere in grado di caratterizzare forze estremamente deboli che guidano i tamburi.

“Uno dei tamburi risponde a tutte le forze dell’altro tamburo in modo opposto, un po’ con una massa negativa“, dice Sillanpää.

Inoltre, i ricercatori hanno anche sfruttato questo risultato per fornire la prova più solida fino ad oggi che oggetti così grandi possono esibire ciò che è noto come entanglement quantistico. Gli oggetti impigliati non possono essere descritti indipendentemente l’uno dall’altro, anche se possono avere una separazione spaziale arbitrariamente ampia. 

L’entanglement consente a coppie di oggetti di comportarsi in modi che contraddicono la fisica classica ed è la risorsa chiave dietro le tecnologie quantistiche emergenti. Un computer quantistico può, ad esempio, eseguire i tipi di calcoli necessari per inventare nuovi farmaci molto più velocemente di quanto potrebbe mai fare un supercomputer.

Negli oggetti macroscopici, gli effetti quantistici come l’entanglement sono molto fragili e vengono distrutti facilmente da qualsiasi disturbo dell’ambiente circostante. Pertanto, gli esperimenti sono stati condotti a una temperatura molto bassa, solo un centesimo di grado sopra lo zero assoluto a -273 gradi.

In futuro, il gruppo di ricerca utilizzerà queste idee in test di laboratorio volti a sondare l’interazione tra meccanica quantistica e gravità. Le pelli vibranti possono anche servire come interfacce per collegare i nodi di reti quantistiche distribuite su larga scala.