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Quello che tutti Dovrebbero Sapere Sulla Meccanica Quantistica?

Se alla fine del servizio non avete ancora capito che cos’è la meccanica quantistica, non vi preoccupate, non siete soli, io nonostante il mio millesimo tentativo sono ancora al punto di prima 🙁

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Meccanica Quantistica

Le leggi della fisica si applicano sempre a tutti gli oggetti dell’universo, ma su scala quantistica il comportamento è tutt’altro che intuitivo. A livello fondamentalmente quantistico, tutto è sia onda che particella, e i risultati possono essere previsti solo in modo probabilistico. Tuttavia, è il quadro di riferimento più efficace e potente mai sviluppato per descrivere la realtà, e tutto ciò che esiste obbedisce alle sue regole.

L’idea più potente di tutta la scienza è questa: L’universo, pur nella sua complessità, può essere ridotto ai suoi componenti più semplici e fondamentali. Se riuscite a determinare le regole, le leggi e le teorie sottostanti che governano la vostra realtà, allora, purché possiate specificare com’è il vostro sistema in qualsiasi momento, potete usare la vostra comprensione di queste leggi per prevedere come saranno le cose sia nel lontano futuro che nel lontano passato. La ricerca per svelare i segreti dell’universo consiste fondamentalmente nell’affrontare questa sfida: capire cosa compone l’universo, determinare come queste entità interagiscono ed evolvono, quindi scrivere e risolvere le equazioni che consentono di prevedere i risultati che non si sono ancora misurati.

A questo proposito, l’universo ha un enorme senso, almeno nel concetto. Ma quando iniziamo a parlare di ciò che, precisamente, compone l’universo e di come le leggi della natura funzionano in pratica, molte persone si arrabbiano di fronte a questa immagine controintuitiva della realtà: la meccanica quantistica. Questo è l’argomento di questa settimana di Ask Ethan, dove Rajasekaran Rajagopalan ci scrive per chiedere informazioni:

Supponiamo che abbiate già sentito parlare di fisica quantistica, ma che non sappiate ancora bene di cosa si tratta. Ecco un modo in cui tutti possono dare un senso alla nostra realtà quantistica, almeno nei limiti del possibile.

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

Prima della meccanica quantistica, avevamo una serie di ipotesi sul funzionamento dell’universo. Si ipotizzava che tutto ciò che esiste fosse fatto di materia e che a un certo punto si arrivasse a un blocco fondamentale di materia che non poteva essere ulteriormente diviso. In effetti, la parola stessa “atomo” deriva dal greco ἄτομος, che letteralmente significa “non tagliabile” o, come comunemente pensiamo, indivisibile. Questi costituenti fondamentali della materia, non tagliabili, esercitano tutti delle 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’un l’altra è ciò che sta alla base della nostra realtà fisica.

Le leggi della gravitazione e dell’elettromagnetismo, invece, sono completamente deterministiche. Se si descrive un sistema di masse e/o cariche elettriche e si specificano le loro posizioni e i loro moti in qualsiasi momento, queste leggi permettono di calcolare – con precisione arbitraria – quali sono le posizioni, i moti e le distribuzioni di ogni singola particella e quali saranno in qualsiasi altro momento. Dal moto dei pianeti alle palle che rimbalzano, fino al depositarsi dei granelli di polvere, le stesse regole, le stesse leggi e gli stessi costituenti fondamentali dell’universo hanno descritto tutto con precisione.

1.) Non si può sapere tutto, esattamente, tutto in una volta. Se c’è una caratteristica che separa le regole della fisica quantistica dalle loro controparti classiche, è questa: non si possono misurare certe quantità con precisione arbitraria, e più le si misura meglio, più le altre proprietà corrispondenti diventano intrinsecamente incerte.

1) Se si misura la posizione di una particella con una precisione molto elevata, la sua quantità di moto diventa meno nota.

2) Misurando il momento angolare (o lo spin) di una particella in una direzione, si distruggono le informazioni sul suo momento angolare (o spin) nelle altre due direzioni.

3) Misurare la durata di vita di una particella instabile: meno tempo vive, più la massa a riposo della particella sarà intrinsecamente incerta.

Questi sono solo alcuni esempi delle stranezze della fisica quantistica, ma sono sufficienti a 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 simultaneamente conoscibile di qualsiasi sistema fisico, e più si cerca di individuare con precisione una qualsiasi proprietà di un ampio insieme, più un insieme di proprietà correlate diventa intrinsecamente incerto.

L’ampiezza intrinseca, ovvero la metà dell’ampiezza del picco nell’immagine qui sopra quando si è a metà strada verso l’alto, è misurata in 2,5 GeV: un’incertezza intrinseca di circa il +/- 3% della massa totale. La massa del bosone in questione, il bosone Z, ha un picco di 91,187 GeV, ma questa massa è intrinsecamente incerta di una quantità significativa. (Credit: J. Schieck per la Collaborazione ATLAS, JINST7, 2012)

2.) È possibile calcolare solo una distribuzione di probabilità dei risultati: non una previsione esplicita, univoca e singola. Non solo è impossibile conoscere contemporaneamente tutte le proprietà che definiscono un sistema fisico, ma le stesse leggi della meccanica quantistica sono fondamentalmente indeterminate. Nell’universo classico, se si lancia un sasso attraverso una stretta fenditura in un muro, si può prevedere dove e quando colpirà il terreno dall’altra parte. Ma nell’universo quantistico, se si fa lo stesso esperimento ma si usa una particella quantistica – sia essa un fotone, un elettrone o qualcosa di ancora più complicato – si può solo descrivere il possibile insieme di risultati che si verificheranno.

La fisica quantistica consente di prevedere le probabilità relative di ciascuno di questi esiti e permette di farlo per un sistema quantistico tanto complicato quanto la potenza di calcolo è in grado di gestire. Tuttavia, l’idea che si possa impostare il sistema in un determinato momento, conoscere tutto ciò che è possibile sapere su di esso e poi prevedere con precisione come quel sistema si sarà evoluto in un punto arbitrario del futuro non è più vera nella meccanica quantistica. È possibile descrivere la probabilità di tutti i risultati possibili, ma per ogni singola particella in particolare c’è solo un modo per determinare le sue proprietà in un momento specifico: misurandole.

L’effetto fotoelettrico spiega come gli elettroni possano 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 arrivo, indipendentemente dall’intensità, gli elettroni vengono espulsi. Al di sotto di tale soglia, nessun elettrone verrà espulso, anche se si aumenta notevolmente l’intensità della luce. Sia gli elettroni che l’energia di ciascun fotone sono discreti. (Credit: WolfManKurd/Wikimedia Commons)

3.) Molte cose, nella meccanica quantistica, saranno discrete, piuttosto che continue. Questo porta a ciò che molti considerano il cuore della meccanica quantistica: la parte “quantistica” delle cose. Se si pone la domanda “quanto” nella fisica quantistica, si scopre che sono ammesse solo determinate quantità.

1) Le particelle possono avere solo determinate cariche elettriche: incrementi di un terzo della carica di un elettrone.

2) Le particelle che si legano tra loro formano stati legati, come gli atomi, e gli atomi possono avere solo serie esplicite di livelli energetici.

3) La luce è costituita da singole particelle, i fotoni, e ogni fotone ha solo una quantità specifica e finita di energia.

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

L’aspettativa classica di inviare particelle attraverso una singola fenditura (L) o una doppia fenditura (R). Se si lanciano oggetti macroscopici (come sassolini) contro una barriera con una o due fenditure, questo è il modello previsto che ci si può aspettare di osservare. (Credit: InductiveLoad/Wikimedia Commons)

4.) I sistemi quantistici presentano comportamenti sia ondulatori che particellari. E quale dei due si ottiene – sentite questa – dipende da se o come si misura il sistema. L’esempio più famoso è l’esperimento della doppia fenditura: far passare una singola particella quantistica, una alla volta, attraverso una serie di due fenditure strettamente distanziate. Ora, è qui che le cose si fanno strane.

1) Se non si misura quale particella passa attraverso quale fenditura, il modello che si osserverà sullo schermo dietro la fenditura mostrerà un’interferenza, in cui ogni particella sembra interferire con se stessa lungo il percorso. Lo schema rivelato da molte particelle di questo tipo mostra un’interferenza, un fenomeno puramente quantistico.

2) Se si misura quale fenditura attraversa ciascuna particella – la particella 1 attraversa la fenditura 2, la particella 2 attraversa la fenditura 2, la particella 3 attraversa la fenditura 1 e così via – non c’è più alcun modello di interferenza. Infatti, si ottengono semplicemente due “grumi” di particelle, uno ciascuno corrispondente alle particelle che hanno attraversato ciascuna delle fenditure.

È quasi come se tutto mostrasse un comportamento ondulatorio, con la sua probabilità che si diffonde nello spazio e nel tempo, a meno che un’interazione non lo costringa a diventare particellare. Ma a seconda dell’esperimento e del modo in cui lo si esegue, i sistemi quantistici presentano proprietà sia ondulatorie che particellari.

Gli elettroni hanno proprietà ondulatorie e particellari e possono essere utilizzati per costruire immagini o sondare le dimensioni delle particelle proprio come la luce. Qui si possono vedere i risultati di un esperimento in cui gli elettroni vengono sparati uno alla volta attraverso una doppia fenditura. Una volta sparati un numero sufficiente di elettroni, è possibile vedere chiaramente il modello di interferenza. (Credit: Thierry Dugnolle/Public Domain)

5.) L’atto di misurare un sistema quantistico cambia fondamentalmente il risultato di quel sistema. Secondo le regole della meccanica quantistica, un oggetto quantistico può esistere in più stati contemporaneamente. Se si ha un elettrone che passa attraverso una doppia fenditura, una parte di quell’elettrone deve passare attraverso entrambe le fenditure, simultaneamente, per produrre il modello di interferenza. Se un elettrone si trova in una banda di conduzione in un solido, i suoi livelli energetici sono quantizzati, ma le sue possibili posizioni sono continue. La stessa storia, che ci crediate o no, per un elettrone in un atomo: possiamo conoscere il suo livello energetico, ma alla domanda “dove si trova l’elettrone” possiamo rispondere solo in modo probabilistico.

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Quindi si ha un’idea. Si dice: “Ok, provocherò un’interazione quantistica in qualche modo, facendolo collidere con un altro quanto o facendolo passare attraverso un campo magnetico o qualcosa del genere”, e ora si ha una misurazione. Sapete dove si trova l’elettrone al momento della collisione, ma il bello è che, effettuando quella misura, avete cambiato il risultato del vostro sistema. Avete fissato la posizione dell’oggetto, gli avete aggiunto energia e questo provoca un cambiamento di quantità di moto. Le misure non si limitano a “determinare” uno stato quantistico, ma creano un cambiamento irreversibile nello stato quantistico 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 essere tutte ugualmente valide. (Credit: Melissa Meister/ThorLabs)

6.) L’entanglement può essere misurato, ma le superposizioni no. Ecco una caratteristica sconcertante dell’universo quantistico: un sistema può trovarsi contemporaneamente in più di uno stato. Il gatto di Schrodinger può essere vivo e morto allo stesso tempo; due onde d’acqua che si scontrano nella vostra posizione possono farvi salire o scendere; un bit di informazione quantistica non è solo uno 0 o un 1, ma può essere una certa percentuale “0” e una certa percentuale “1” allo stesso tempo. Tuttavia, non c’è modo di misurare una sovrapposizione; quando si effettua una misurazione, si ottiene solo uno stato per ogni misurazione. Aprite la scatola: il gatto è morto. Osservate l’oggetto nell’acqua: salirà o scenderà. Misurare il bit quantico: ottenere uno 0 o un 1, mai entrambi.

Ma mentre la sovrapposizione è costituita da effetti o particelle o stati quantistici diversi sovrapposti l’uno all’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 rispettivi coni di luce e, in sostanza, afferma che le proprietà sono correlate tra due particelle distinte. Se ho due fotoni entanglementati e volessi indovinare lo “spin” di ciascuno di essi, avrei il 50% di probabilità. Ma se misurassi lo spin di uno di essi, conoscerei lo spin dell’altro con una probabilità maggiore di 75/25: molto meglio di 50/50. Non c’è alcuno scambio di informazioni più veloce della luce, ma battere le probabilità di 50/50 in una serie di misurazioni è un modo infallibile per dimostrare che l’entanglement quantistico è reale e influisce sul contenuto informativo dell’universo.

Le differenze di livello energetico nel lutezio-177. Si noti come esistano solo livelli energetici specifici e discreti che sono accettabili. All’interno di queste bande continue, è possibile conoscere lo stato degli elettroni, ma non la loro posizione. (Credito: M.S. 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, almeno secondo me, la parte più difficile dell’intera impresa. Una cosa è riuscire a scrivere equazioni che descrivano l’universo e che concordino con gli esperimenti. Un’altra cosa è descrivere accuratamente ciò che accade in modo indipendente dalle misure.

Direi che si tratta di un’impresa assurda. La fisica si basa essenzialmente su ciò che si può prevedere, osservare e misurare in questo universo. Ma quando si effettua una misurazione, che cosa si verifica? E cosa significa questo per la realtà? La realtà è:

1) una serie di funzioni d’onda quantistiche che “collassano” istantaneamente al momento della misurazione?

2) un insieme infinito di onde quantistiche, la misurazione “seleziona” uno di questi membri dell’insieme?

3) una sovrapposizione di potenziali che si muovono in avanti e indietro e che si incontrano, ora, in una sorta di “stretta di mano quantistica?”.

4) un numero infinito di mondi possibili, dove ogni mondo corrisponde a un risultato, eppure il nostro universo percorrerà sempre e solo una di queste strade?

Se credete che questa linea di pensiero sia utile, risponderete: “Chi lo sa, cerchiamo di scoprirlo”. Ma se siete come me, penserete che questa linea di pensiero non offre alcuna conoscenza ed è un vicolo cieco. A meno che non si riesca a trovare un vantaggio sperimentale di un’interpretazione rispetto a un’altra, a meno che non si riesca a testarle l’una contro l’altra in un qualche tipo di laboratorio, tutto ciò che si fa scegliendo un’interpretazione è presentare i propri pregiudizi umani. Se non sono le prove a decidere, è molto difficile sostenere che ci sia un qualche merito scientifico nel vostro sforzo.

Le fluttuazioni quantistiche che si verificano durante l’inflazione si estendono in tutto l’Universo e, quando l’inflazione termina, diventano fluttuazioni di densità. Questo porta, nel tempo, alla struttura su larga scala dell’Universo odierno e alle fluttuazioni di temperatura osservate nella 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 interagenzie DOE/NASA/NSF per la ricerca sulla CMB)

Se si insegnasse a qualcuno solo le leggi classiche della fisica che pensavamo governassero l’universo fino al XIX secolo, rimarrebbe completamente sbalordito dalle implicazioni della meccanica quantistica. Non esiste una “vera realtà” indipendente dall’osservatore; infatti, l’atto stesso di effettuare una misurazione altera irrevocabilmente il sistema. Inoltre, la natura stessa è intrinsecamente incerta: le fluttuazioni quantistiche sono responsabili di tutto, dal decadimento radioattivo degli atomi ai semi iniziali della struttura che permettono all’universo di crescere e formare stelle, galassie e, infine, 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: a meno che non effettuiamo una misurazione che riveli o determini una specifica proprietà quantistica della nostra realtà, quella proprietà rimarrà indeterminata fino a quando non si presenterà un momento simile.

Se seguite un corso di meccanica quantistica a livello universitario, probabilmente imparerete a calcolare le distribuzioni di probabilità dei possibili risultati, ma è solo effettuando una misurazione che potrete determinare quale risultato specifico si verificherà nella vostra realtà. Per quanto la meccanica quantistica sia poco intuitiva, esperimento dopo esperimento continua a dimostrarne la correttezza. Sebbene molti sognino ancora un universo completamente prevedibile, la meccanica quantistica, e non le nostre preferenze ideologiche, descrive con maggior precisione la realtà in cui viviamo.

Ethan Siegel

Fonte: bigthink.com & DeepWeb

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