La realtà esiste o prende forma quando un osservatore la misura? Simile al secolare enigma che chiede se un albero emette un suono se cade in una foresta senza che nessuno lo senta, la domanda precedente rimane una delle più intriganti nel campo della meccanica quantistica, la branca della scienza che si occupa del comportamento delle particelle subatomiche a livello microscopico.
In un campo in cui prevalgono fenomeni intriganti e quasi misteriosi come la “sovrapposizione quantistica” – una situazione in cui una particella può trovarsi in due o anche “tutti” i posti possibili allo stesso tempo – alcuni esperti dicono che la realtà esiste a prescindere dalla consapevolezza di essa e c’è niente che si possa fare per cambiarla. Altri insistono che la “realtà quantistica” potrebbe essere un qualcosa che si modella in forme diverse in base alle azioni di chi la percepisce. Ora, gli scienziati dell’Università Federale dell’ABC (UFABC) nell’area metropolitana di San Paolo in Brasile stanno aggiungendo carburante al suggerimento che la realtà potrebbe essere “negli occhi dell’osservatore“.
Nella loro nuova ricerca, pubblicata sulla rivista Communications Physics, gli scienziati brasiliani hanno tentato di verificare il “principio di complementarità” proposto dal famoso fisico danese Niels Bohr nel 1928. Questo principio afferma che gli oggetti hanno determinate coppie di proprietà complementari, che sono impossibili da osservare o misurare allo stesso tempo, come l’energia e la durata, o la posizione e la quantità di moto. Ad esempio, indipendentemente da come si imposta un esperimento che coinvolge una coppia di elettroni, non c’è modo di studiare la posizione di entrambe le quantità contemporaneamente: il test illustrerà la posizione del primo elettrone, ma oscurerà la posizione del seconda particella (la particella complementare) allo stesso tempo.
“Dio non gioca a dadi”
Per capire come questo principio di complementarità si relaziona con la realtà oggettiva, occorre fare un tuffo nella storia, a circa un secolo fa. Un leggendario dibattito ebbe luogo a Bruxelles nel 1927 tra Bohr e il celebre fisico teorico di origine tedesca Albert Einstein durante la quinta Conferenza Solvay (la più importante conferenza annuale internazionale di fisica e chimica).
Davanti agli occhi di altri 77 brillanti scienziati, che si erano tutti radunati nella capitale austriaca per discutere del nascente campo della teoria quantistica, Einstein insisteva sul fatto che gli stati quantistici avevano una loro realtà indipendente dal modo in cui uno scienziato agiva su di essi. Bohr, nel frattempo, difendeva l’idea che i sistemi quantistici possono avere la propria realtà definita solo dopo che lo scienziato ha impostato il progetto sperimentale.
“Dio non gioca a dadi“, disse Einstein.
“Un sistema si comporta come un’onda o una particella a seconda del contesto, ma non puoi prevedere cosa farà“, affermò Bohr, indicando il concetto di dualità onda-particella, che afferma che la materia può apparire come un’onda in un momento, e apparire come una particella in un altro momento, un’idea che il fisico francese Louis de Broglie propose per la prima volta nel 1924.
Il “principio di complementarietà”
Non ci volle molto dopo la conclusione della Conferenza Solvay del 1927 perché Bohr articolasse pubblicamente il suo principio di complementarità. Nei decenni successivi, la controversa nozione di Bohr sarebbe stata testata e ritestata fino all’osso. Uno di quelli che sperimentò il principio di complementarità fu il fisico teorico americano John Archibald Wheeler.
Wheeler tentò di reimmaginare l’esperimento della doppia fenditura del 1801 di Thomas Young sulle proprietà della luce. L’esperimento delle due fenditure consiste nell’illuminare con una luce un muro posto dietro due fessure parallele. Quando la luce passa attraverso ciascuna fenditura, sul lato opposto del divisore, i due fasci diffrangono e si sovrappongono, interferendo l’uno con l’altro. Ciò significa che non ci sono più linee rette: lo schema grafico che emerge alla fine dell’esperimento è uno schema di interferenza, il che significa che la luce si muove in modo ondulatorio. In sostanza, la luce ha sia una natura particellare che ondulatoria, e queste due nature sono inseparabili.
Wheeler ha fatto passare il suo dispositivo tra un “apparato per la misurazione delle onde” e un “apparato per la misurazione delle particelle” dopo che la luce aveva già attraversato la maggior parte della macchina. In altre parole, decise in ritardo se la luce si era propagata come onda o come particella, e scoprì che anche dopo aver ritardato la scelta, il principio di complementarità non veniva violato.
Tuttavia, indagini più recenti, che hanno tentato di applicare il principio di sovrapposizione quantistica all’esperimento a scelta ritardata, hanno visto le due possibilità coesistere (proprio come due onde possono sovrapporsi sulla superficie di un lago). Ciò ha suggerito un comportamento ibrido ondulatorio e particellare all’interno dello stesso apparato, in contraddizione con il principio di complementarità.
Realtà quantistica
Gli scienziati brasiliani hanno quindi deciso di progettare un esperimento di realtà a controllo quantistico.
“Abbiamo utilizzato tecniche di risonanza magnetica nucleare simili a quelle utilizzate nell’imaging medico” , ha detto in un’intervista a Popular Mechanics Roberto M. Serra, un ricercatore di scienza e tecnologia dell’informazione quantistica presso l’UFABC, che ha guidato l’esperimento. Particelle come protoni, neutroni ed elettroni hanno tutte uno spin nucleare, che è una proprietà magnetica analoga all’orientamento di un ago in una bussola. “Abbiamo manipolato gli spin nucleari di diversi atomi in una molecola che impiega un tipo di radiazione elettromagnetica. In questa configurazione, abbiamo creato un nuovo dispositivo di interferenza per uno spin nucleare di protoni per studiare la sua realtà ondulatoria e particellare nel regno quantistico“, spiega Serra.
“Questa nuova disposizione quantistica ha prodotto esattamente le stesse statistiche osservate dei precedenti esperimenti a scelta ritardata“, spiega Pedro Ruas Dieguez, ora ricercatore post-dottorato presso l’International Center for Theory of Quantum Technologies (ICTQT) in Polonia, che faceva parte dello studio. “Tuttavia, nella nuova configurazione, siamo stati in grado di collegare il risultato dell’esperimento con il modo in cui le onde e le particelle si comportano in modo da poter verificare il principio di complementarità di Bohr“, continua Dieguez.
Il principale risultato dello studio dell’aprile 2022 è che la realtà fisica nel mondo quantistico è fatta di entità che si escludono a vicenda che, tuttavia, non si contraddicono ma si completano a vicenda.
Questo è un risultato affascinante, dicono gli esperti. “I ricercatori brasiliani hanno escogitato un quadro matematico e una corrispondente configurazione sperimentale che consente di testare la teoria quantistica, comprendendo in particolare la natura della complementarità studiando il realismo fisico del sistema” , dice Stephen Holler, professore associato di fisica alla Fordham University.
È uno studio che mette in evidenza l’adagio di lunga data dell’iconico fisico quantistico americano e premio Nobel Richard Feynman: “Se pensi di capire la meccanica quantistica, non capisci la meccanica quantistica“, afferma Holler. “C’è molto da imparare sulla teoria e i ricercatori continuano a fare passi da gigante per comprendere anche i principi di base, il che è particolarmente importante mentre ci muoviamo nell’era in cui i dispositivi quantistici e l’informatica stanno iniziando a proliferare“.
Dieguez è euforico. “Il fatto che una particella materiale possa comportarsi come un’onda e la luce come una particella, a seconda del contesto, è ancora uno dei misteri più intriganti e belli della fisica quantistica“, afferma.
Paradossalmente, questa “stranezza” intrinseca della meccanica quantistica può rivelarsi abbastanza utile: “Più sveliamo la meccanica quantistica, più siamo in grado di fornire tecnologie quantistiche dirompenti che eclissano le loro controparti classiche, computer quantistici, crittografia quantistica, sensori quantistici e termiche quantistiche dispositivi inclusi”, afferma Serra.
Che la realtà possa essere negli occhi dell’osservatore è un aspetto molto peculiare della realtà fisica nel dominio quantistico, e il mistero stesso non mostra segni di attenuazione, concordano entrambi i ricercatori.
