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L’esperimento che sfida tutto ciò che sappiamo sulla realtà

L'esperimento della doppia fenditura di Thomas Young originariamente serviva a dimostrare che la luce è un'onda, ma successive versioni quantistiche hanno prodotto un'immagine molto più sfocata

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L'esperimento che sfida tutto ciò che sappiamo sulla realtà
L'esperimento che sfida tutto ciò che sappiamo sulla realtà
Thomas Young, nato 250 anni fa, era un uomo eclettico che ha dato contributi fondamentali in campi dalla fisica all’egittologia. Ma forse la sua eredità più duratura sta nella dimostrazione che Isaac Newton si sbagliava sulla luce, che ha acceso un dibattito sulla natura della realtà che persiste ancora.

Gli esperimenti che sto per raccontare“, disse alla Royal Society of London il 24 novembre 1803, “possono essere ripetuti con grande facilità, ogni volta che splende il sole“. Ad aprirci gli occhi sulla luce, l’esperimento della “doppia fenditura” di Young.

Se la luce fosse fatta di flussi di particelle, come ipotizzato da Newton, ci si aspetterebbe di vedere due distinte strisce di luce su uno schermo posto al di là di un primo schermo dotato di due fenditure, dove le particelle si accumulano dopo aver attraversato una fenditura o l’altra. Ma non è quello che succede. Invece, vedi molte bande di luce e oscurità, disposte in strisce come un codice a barre: uno schema di interferenza.

Stranezza delle particelle d'onda. Grafico che mostra gli elettroni sparati attraverso una coppia di fenditure e come si comportano.

L’interferenza è possibile solo se la luce si comporta come un’onda che colpisce entrambe le fenditure contemporaneamente e si diffrange attraverso ciascuna, creando due serie di onde sull’altro lato delle fenditure che si propagano verso lo schermo. Dove la cresta di un’onda si sovrappone alla cresta dell’altra, ottieni un’interferenza costruttiva e una macchia di luce. Dove una cresta incontra un avvallamento, ottieni interferenze distruttive e oscurità.

È difficile sopravvalutare quanto fosse inattesa questa scoperta per i fisici ai tempi di Young. Ma la follia iniziò davvero quando Max Planck e Albert Einstein gettarono le basi per la meccanica quantistica all’inizio del ventesimo secolo. Oggi, la meccanica quantistica forma una struttura impareggiabilmente accurata per spiegare gli elementi di base della realtà materiale e le loro interazioni ma, abbastanza presto, è diventata chiara l’implicazione che la luce è composta da unità indivisibili di energia chiamate fotoni – particelle, appunto. La quantità di energia trasportata da ogni fotone era proporzionale alla frequenza della luce. Alcuni portano abbastanza energia per staccare gli elettroni dagli atomi di metallo, dandoci l’effetto fotoelettrico che consente le celle solari di oggi (fu lo studio di questo effetto che portò Einstein alle sue conclusioni sulla natura particellare della luce).

Con l’emergere della meccanica quantistica, l’idea della luce come onda ha dovuto affrontare una sfida. Ma non era così semplice come tornare alla vista particellare. Ulteriori test della teoria quantistica usando l’esperimento della doppia fenditura hanno solo approfondito il mistero. E non è stato ancora risolto.



Singolarmente quantistico

Immagina, ora, che la tua sorgente luminosa possa sparare singoli fotoni di luce rossa alle due fenditure, garantendo al tempo stesso che un solo fotone passi attraverso l’apparato in qualsiasi momento. Una lastra fotografica sull’altro lato registra dove atterrano i fotoni. L’intuizione classica dice che ogni fotone può attraversare solo una fenditura o l’altra. Quindi, questa volta, dovremmo vedere i fotoni accumularsi nel tempo e formare due strisce di luce sulla lastra fotografica. Eppure la matematica della teoria quantistica implicava che lo schema di interferenza sarebbe persistito.

Ci vollero diversi decenni prima che la tecnologia maturasse abbastanza da verificare sperimentalmente queste previsioni, utilizzando configurazioni più complesse che in linea di principio erano la doppia fenditura. All’inizio non è stato fatto con i fotoni, ma con gli elettroni, entità che conosciamo come particelle, ma che la meccanica quantistica prevede agiscano anche come onde. Poi, negli anni ’80, un team guidato da Alain Aspect presso l’Istituto di ottica di Palaiseau, in Francia, ha eseguito l’esperimento della doppia fenditura con singoli fotoni. La teoria quantistica vinse: emerse uno schema di interferenza, anche quando solo singole particelle passavano attraverso le fenditure.

Aspect ha vinto una quota del premio Nobel 2022 per la fisica per il suo contributo alla conferma delle previsioni della meccanica quantistica attraverso l’esperimento. Ma tali esperimenti lasciano aperta la questione dell’interpretazione. Semplicemente non c’è modo di comprendere cosa sta succedendo con le menti in sintonia con il mondo classico degli oggetti quotidiani.

Quando si tratta dell’esperimento della doppia fenditura, la meccanica quantistica racconta una forma di storia. Dice che la posizione di un fotone è descritta da un’astrazione matematica chiamata funzione d’onda, che, come suggerisce il nome, si comporta come un’onda. Questa funzione d’onda, matematicamente parlando, colpisce le due fenditure, si diffrange in due serie di onde e si ricombina per creare il modello di interferenza. Il valore della funzione d’onda in qualsiasi punto della lastra fotografica consente di calcolare la probabilità di trovare lì il fotone. La probabilità è molto alta nelle regioni di interferenza costruttiva e molto bassa nelle regioni di interferenza distruttiva.

In un certo senso, quindi, un fotone o qualsiasi altro oggetto quantistico si comporta sia come una particella che come un’onda. Questa “dualità onda-particella” incarna molti dei misteri concettuali centrali della meccanica quantistica che sono irrisolti fino ad oggi. Anche se potessimo sapere tutto sullo stato iniziale di un fotone, non c’è modo di dire esattamente dove atterrerà sul rivelatore. Devi parlare in termini di probabilità data dalla funzione d’onda. Queste probabilità sono confermate solo quando migliaia o decine di migliaia di fotoni vengono inviati attraverso la doppia fenditura, uno per uno.

Prima della misurazione — in questo caso, del rilevamento da parte della lastra fotografica — la matematica dice che la particella esiste in una sovrapposizione di stati: in un certo senso prende entrambi i percorsi, attraverso la fenditura di destra e quella di sinistra. La meccanica quantistica standard afferma che la funzione d’onda “collassa” quando viene misurata e che l’atto dell’osservazione in qualche modo fa precipitare quel collasso. Prima di questo, il fotone ha una probabilità finita di essere trovato in molte regioni diverse, ma durante la misurazione, la funzione d’onda raggiunge il picco nella posizione in cui appare il fotone (la probabilità è uguale a 1) e si annulla ovunque (probabilità uguale a 0).

Diventa ancora più strano. Se riesci a determinare quale percorso ha preso il fotone per raggiungere il rivelatore, si comporta come una particella che effettivamente passa attraverso una fenditura o l’altra: il modello di interferenza scompare. Ma se non riesci a raccogliere queste informazioni sulla “direzione“, il fotone si comporta come un’onda. Ogni volta che ci sono due o più modi per un fotone – o, in effetti, qualsiasi oggetto quantistico – per raggiungere uno stato finale, si verifica un’interferenza quantistica.

Cos’è una funzione d’onda?

Ma per generare interferenza, qualcosa deve passare attraverso – o almeno interagire in qualche modo con – entrambe le fenditure. In matematica, la funzione d’onda fa il lavoro. Alcuni fisici direbbero che la funzione d’onda rappresenta semplicemente informazioni sul sistema quantistico e non è reale, nel qual caso è difficile spiegare cosa interagisce con entrambe le fenditure contemporaneamente. Ma puoi spiegare lo schema di interferenza se consideri reale la funzione d’onda.

Questo crea i suoi problemi. Immagina una vera funzione d’onda che si estende per chilometri e chilometri prima che un osservatore rilevi il fotone. A questo punto, la funzione d’onda raggiunge il picco nella posizione del fotone e contemporaneamente scende a zero ovunque, su una grande distanza macroscopica. Ciò suggerisce una sorta di influenza istantanea e non locale che infastidì Einstein a non finire. Si può evitare questo con interpretazioni della teoria quantistica che non fanno collassare la funzione d’onda, ma che aprono altri barattoli di vermi.

Forse la più nota è l’interpretazione a molti mondi, nata da un’idea del fisico statunitense Hugh Everett negli anni ’50. In questa interpretazione si sostiene che ogni possibile evento – nel caso della doppia fenditura, una particella che attraversa la fenditura sinistra e quella destra – accade, ciascuno nel proprio mondo. Non c’è collasso: la misurazione rivela semplicemente lo stato del sistema quantistico in quel mondo. I detrattori chiedono come sia possibile giustificare questa costante proliferazione di mondi e come, in una struttura a molti mondi, si possa spiegare perché la misurazione dei sistemi quantistici produce probabilità, dato che ci sono sempre risultati definiti in ogni mondo.

La teoria di de Broglie-Bohm, che prende il nome dai pionieri quantistici Louis de Broglie e David Bohm, fornisce un’altra alternativa. Dice che le particelle esistono con posizioni e quantità di moto definite, ma sono guidate da un’onda “pilota” invisibile e onnicomprensiva, ed è quest’onda che passa attraverso entrambe le fenditure. L’implicazione più profonda di questa teoria, cioè che tutto è collegato a tutto il resto nell’Universo dall’onda pilota sottostante, è una cosa che molti fisici hanno difficoltà ad accettare.

Negli anni ’70 e ’80, i fisici hanno aggiornato l’esperimento della doppia fenditura per cercare di chiarire la natura della realtà quantistica e il ruolo sconcertante che l’osservazione ha apparentemente nel far crollare una realtà definita e classica da essa. In particolare, John Wheeler dell’Università del Texas ad Austin ha progettato l’esperimento mentale della “scelta ritardata“. Immagina una configurazione a doppia fenditura che dia la possibilità di raccogliere o ignorare le informazioni sulla direzione in cui è andata la particella. Se ignori le informazioni sulla “direzione”, ottieni un comportamento ondulatorio; se non lo fai, ottieni schemi simili a particelle.

Con l’apparato sull’impostazione ‘raccogli informazioni da che parte’, si invia un fotone attraverso le doppie fenditure. Dovrebbe comportarsi come una particella e passare attraverso una fenditura o l’altra. Ma appena prima che il fotone atterri sul rivelatore, capovolgi l’apparato per ignorare le informazioni di direzione. Il fotone, fino ad allora ritenuto una particella, diventerà improvvisamente un’onda?

Decenni dopo, il team di Aspect ha eseguito questo esperimento con singoli fotoni e ha dimostrato che la risposta è sì. Anche se il fotone avesse apparentemente viaggiato attraverso l’intera struttura come una particella, cambiare l’impostazione dell’apparato in modo da ignorare le informazioni sulla direzione, lo ha fatto agire come un’onda.

Il fotone ha viaggiato indietro nel tempo ed è tornato indietro attraverso le due fenditure come un’onda? Per evitare spiegazioni così prive di senso, Wheeler ha sostenuto che l’unico modo per dare un senso all’esperimento era dire che il fotone non ha realtà – non è né un’onda né una particella – fino a quando non viene rilevato.

Negli anni ’80, Marlan Scully, allora all’Università del New Mexico ad Albuquerque, ed i suoi colleghi hanno ideato un esperimento mentale altrettanto sconcertante. Hanno immaginato di raccogliere le informazioni di direzione su un fotone utilizzando un secondo fotone “impigliato” con il primo – una situazione in cui misurare lo stato quantico di uno ti dice lo stato quantico dell’altro. Finché in linea di principio le informazioni sulla direzione possono essere estratte, il primo fotone dovrebbe agire come una particella. Ma se si cancellano le informazioni nel partner entangled, ha dimostrato la matematica, il primo fotone torna a comportarsi come un’onda. Nel 2000, Scully, Yoon-Ho Kim e i loro colleghi hanno riferito di aver eseguito questo esperimento. Sorprendentemente – o non sorprendentemente, a questo punto – l’intuizione è stata ancora una volta sconfitta e la stranezza quantistica ha regnato sovrana.

Più grande e ancora più grande

Altri stanno ancora spingendo la doppia fenditura in nuove direzioni. Quest’anno, Romain Tirole dell’Imperial College di Londra ed i suoi colleghi hanno descritto un esperimento in cui le fenditure erano temporali: una fenditura veniva aperta in un determinato momento e la seconda fenditura un istante dopo. Un raggio di luce che attraversa queste fessure temporali produce uno schema di interferenza nel suo spettro di frequenza. Ancora una volta, la matematica aveva previsto esattamente questo comportamento, quindi i fisici non sono rimasti sorpresi. Ma è una prova in più che l’esperimento della doppia fenditura mette in luce le lacune nella nostra comprensione della realtà, un quarto di millennio dopo la nascita dell’uomo che l’ha ideato.

Il posto dell’esperimento della doppia fenditura nel pantheon degli esperimenti di fisica è assicurato. Ma risulterà ulteriormente cementato se e quando i fisici che lo usano capiranno quale teoria del mondo quantistico è corretta.

Ad esempio, alcune teorie ipotizzano che i sistemi quantistici che crescono più grandi di una certa dimensione ancora indeterminata collassino casualmente nei sistemi classici, senza che sia necessario un osservatore. Questo spiegherebbe perché gli oggetti macroscopici intorno a noi non funzionano secondo le regole quantistiche, ma quanto deve essere grande qualcosa prima che smetta di agire in modo quantistico?

Nel 2019, Markus Arndt e Yaakov Fein dell’Università di Vienna ed i loro colleghi hanno riferito di aver inviato macromolecole chiamate oligoporfirine, composte da fino a 2.000 atomi, attraverso una doppia fenditura per vedere se producevano uno schema di interferenza. Lo hanno fatto, e questi modelli possono essere spiegati solo come un fenomeno quantistico. Il team di Arndt e altri continuano a spingere tali esperimenti per determinare se esiste una linea di demarcazione tra il mondo quantistico e quello classico.

L’anno scorso, Siddhant Das dell’Università Ludwig Maximilian di Monaco, in Germania, ed i suoi colleghi hanno analizzato l’esperimento della doppia fenditura nel contesto della teoria di de Broglie-Bohm. A differenza della meccanica quantistica standard, questo predice non solo la distribuzione delle particelle sullo schermo che porta al modello di interferenza spaziale, ma anche la distribuzione di quando le particelle arrivano allo schermo.

I ricercatori hanno scoperto che i loro calcoli sulla distribuzione dei tempi di arrivo concordavano qualitativamente con le osservazioni fatte due decenni prima, in un esperimento a doppia fenditura eseguito usando atomi di elio. Ma era difficile provare definitivamente il loro caso. Stanno aspettando dati migliori da un simile esperimento a doppia fenditura fatto con la tecnologia attuale, per vedere se corrisponde alle previsioni.

E così va avanti, un mondo lontano da qualsiasi cosa Young o i suoi colleghi della Royal Society avrebbero potuto concepire più di due secoli fa. “Thomas Young probabilmente si gratterebbe la testa se potesse vedere lo stato degli esperimenti di oggi“, dice Arndt. Ma questo perché il suo esperimento, così semplice nel concetto, ci ha fatto grattare la testa fino ad oggi.

Nature 618 , 454-456 (2023)

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-023-01938-6

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