In meccanica quantistica è abbastanza noto il famoso esperimento mentale del gatto di Schrödinger, in cui un ipotetico felino chiuso in una scatola con una fiala di veleno è da considerare, fino all’osservazione effettiva aprendo la scatola, allo stesso tempo, sia vivo che morto. questo esercizio mentale serve per illustrare il paradosso multi-stato della meccanica quantistica.
Bene, ora gli scienziati sono riusciti ad applicare questa teoria a grandi molecole composte da 2.000 atomi.
La sovrapposizione quantistica è stata testata innumerevoli volte su sistemi più piccoli, con i fisici che hanno potuto dimostrare con successo che le singole particelle possono trovarsi in due punti contemporaneamente. Ma questo tipo di esperimento non è mai stato condotto su questa scala prima.
Quello che l’esperimento fa è consentire agli scienziati di affinare le ipotesi della meccanica quantistica e capire di più su come funziona questo ramo particolarmente bizzarro della fisica e su come, su scale più ampie, le leggi della meccanica quantistica si accordano alle regole classiche della fisica tradizionale.
“I nostri risultati mostrano un eccellente accordo con la teoria dei quanti e non possono essere spiegati in modo classico“, affermano i ricercatori nel l’articolo pubblicato di recente.
In particolare, il nuovo studio coinvolge l’equazione di Schrödinger (sì, di nuovo lui), che descrive come anche singole particelle possano agire come onde in più punti contemporaneamente, interferendo tra loro proprio come le increspature dell’acqua in uno stagno stagno in cui viene tirato un sasso.
Per testare la loro ipotesi, gli scienziati hanno avviato il classico , un test molto familiare a chi si interessa di fisica quantistica.
Tradizionalmente, questo esperimento comporta la proiezione di singole particelle di luce (fotoni) attraverso due fenditure. Se i fotoni si comportassero semplicemente come particelle, la risultante proiezione di luce sull’altro lato mostrerebbe semplicemente una banda. Ma in realtà, la luce proiettata sull’altro lato mostra un modello di interferenza: più bande che interagiscono, dimostrando che anche le particelle di luce possono agire come onde.
(Johannes Kalliauer / Wikimedia, CC-BY-SA 3.0)
Questo esperimento sembra dimostrare che i fotoni si trovino in due punti contemporaneamente, proprio come il gatto di Schrödinger. Ma come molti di noi sanno, il gatto è in due stati sovrapposti solo finché rimane inosservato. Non appena la scatola viene aperta, si stabilisce lo stato di vivo o morto, non più entrambi.
Con i fotoni è la stessa cosa. Non appena la luce viene misurata o osservata direttamente, la sovrapposizione scompare e lo stato del fotone è bloccato. Questo è uno degli enigmi nel cuore della meccanica quantistica.
Lo stesso esperimento della doppia fenditura era già stato testato con elettroni, atomi e molecole più piccole. E ora i fisici hanno dimostrato che si applica anche a molecole enormi.
In questa versione dell’esperimento a doppia fenditura, il team è stato in grado di utilizzare molecole pesanti, composte da un massimo di 2.000 atomi, per creare schemi di interferenza quantica, come se si comportassero come onde e si trovassero in più di un posto.
Le molecole erano conosciute come “oligo-tetrafenilporfirine arricchite con catene fluoroalchilsulfanil“, e alcune avevano oltre 25.000 volte la massa di un atomo di idrogeno.
Ma, man mano che le molecole diventano più grandi, diventano anche meno stabili e gli scienziati sono stati in grado di farle interferire solo per sette millisecondi alla volta, utilizzando un dispositivo di nuova concezione chiamato interferometro a onda di materia (progettato per misurare gli atomi lungo percorsi diversi).
Per la correttezza dell’esperimento, sono stati presi in considerazione anche fattori come la rotazione terrestre e l’attrazione gravitazionale. Il risultato è che ora sappiamo che queste molecole giganti possono trovarsi in due punti contemporaneamente, così come gli atomi molto più piccoli.
Tradizionalmente, la meccanica quantistica entra in gioco su scale molto piccole mentre la fisica classica funziona bene sulle su grandi scale, questo significa che più grandi sono le molecole che possiamo far lavorare con l’esperimento della doppia fenditura, più ci avviciniamo a quella linea di confine tra fisica quantistica e classica. Un precedente record per questo tipo di studio ha coinvolto molecole di dimensioni fino a 800 atomi.
“I nostri esperimenti dimostrano che la nostra conoscenza della meccanica quantistica, con tutta la sua stranezza, è anche straordinariamente solida, e sono ottimista sul fatto che i futuri esperimenti lo confermeranno su scale ancora maggiori“, afferma il fisico Yaakov Fein, dell’Università di Vienna, in Austria.
La ricerca è stata pubblicata su Nature Physics.
