13 marzo 2014

Stanato il gatto di Schrödinger

di Matteo De Giuli

“Penso si possa tranquillamente affermare che nessuno capisce la meccanica quantistica”, disse una volta Richard Feynman, uomo di genio e di sconfinata ironia (oltre che discreto suonatore di bonghi). E probabilmente aveva ragione: nel dominio quantistico la natura si comporta in maniera anti-intuitiva, le particelle subatomiche (quark, elettroni, fotoni, e così via) seguono leggi bizzarre, contraddittorie, che ingannano la nostra logica quotidiana.

Ma visto il suo indiscusso fascino, la teoria quantistica è riuscita comunque a guadagnarsi un posto d’onore nell’immaginario collettivo, tanto che uno dei suoi paradossi più noti, quello del gatto di Schrödinger, è diventato col tempo una vera e propria icona pop della fisica, secondo solo alla linguaccia di Einstein. Ora, però, un nuovo studio appena pubblicato su Nature Physics sembra poter offrire un modo per aggirare il famoso paradosso.

Per capire di cosa stiamo parlando bisogna fare un passo indietro. Quando ci troviamo alle scale microscopiche un oggetto si può comportare sia come una particella ben localizzata e venire descritto quindi in stati misurabili e distinti, sia come un’onda probabilistica che comprende diversi stati tra loro in contraddizione. È la cosiddetta "dualità onda-particella”, che a sua volta porta al principio di indeterminazione di Heisenberg, che segna uno dei limiti fondamentali in quello che possiamo e non possiamo sapere nell’universo quantistico.

Nelle parole dello stesso Schrödinger il suo esperimento concettuale è un caso “del tutto burlesco”: il fisico immagina di chiudere in una scatola d’acciaio un gatto, una piccola quantità di sostanza radioattiva e uno strumento in grado di rompere una fiala di cianuro nel momento stesso in cui la sostanza radioattiva dovesse decadere emettendo radiazione. La quantità di sostanza radioattiva è tale che nel corso di un’ora abbiamo il 50% di possibilità che uno dei suoi atomi si disintegri attivando la “macchina della morte” e uccidendo il gatto, e il 50% di possibilità che ciò non avvenga.

Il problema è che solo l’osservazione potrà dirci cosa è successo all’interno della scatola. E prima di effettuare la misura lo stato quantistico del sistema non è determinato ma descritto da una funzione d’onda probabilistica, sovrapposizione di più stati: in questo caso “radiazione avvenuta” e “radiazione non avvenuta”. Per il gatto tutto questo si traduce in un’imbarazzante e paradossale sovrapposizione di stati “vivo” e “morto”. Aprendo la scatola alteriamo irreversibilmente la funzione d’onda, e possiamo sapere cosa ne è stato del micio. Nel gergo dei fisici quantistici, infatti, la funzione d'onda "collassa" in uno stato specifico quando la si osserva. Prima di allora secondo la logica quantistica dovremmo però considerare il gatto in uno strano stadio biologico a metà tra la vita e la morte.

Nella formulazione dell’esperimento Schrödinger coniò il termine entanglement (letteralmente intreccio), che divenne una delle parole chiave di questa parte della fisica. Due particelle si dicono entangled quando i loro stati quantistici sono accoppiati, quando cioè le particelle sono così intimamente legate l’una all’altra da perdere la propria individualità. Una minima azione su una delle due avrà immediato effetto sulla particella gemella. Proprio come succede al gatto e alla sostanza radioattiva nel paradosso, con la differenza che un sistema macroscopico e un sistema microscopico non siamo davvero in grado di accoppiarli quantisticamente, cosa che invece ci viene piuttosto facile fare ad esempio con due elettroni.

Il comportamento inusuale del mondo quantistico scompare nei sistemi macroscopici. E in una situazione come quella all’interno della scatola, a dominare è la meccanica classica, ben più facile da capire e da prevedere. Negli ultimi anni, però, i fisici sono andati alla ricerca dei metodi più fantasiosi per eludere l’incertezza anche nel dominio quantistico.

Uno degli ultimi tentativi in questa direzione è proprio quello dei ricercatori della Fondazione FOM e della Delft University of Technology, il team di ricerca che ha appena pubblicato i propri risultati online.

Invece di un gatto i ricercatori hanno saggiamente utilizzato un nucleo di diamante. Una delle caratteristiche tramite le quali si possono descrivere le particelle quantistiche è lo spin, una proprietà intrinseca che si comporta come un piccolo magnete. Lo spin del nucleo di diamante può puntare in alto o in basso (così come il gatto poteva essere vivo o morto). Ora, invece di andare a misurare direttamente lo stato del nucleo, i ricercatori hanno prima di tutto accoppiato i suoi stati quantistici con quelli di un elettrone vicino. Quindi sono andati a leggere lo spin dell’elettrone tramite una tecnica che si basa sulla cosiddetta teoria della misurazione debole. Le misure deboli sono definite come quelle con una grossa indeterminazione, che lasciano quindi lo stato del sistema quasi imperturbato. Una misura più debole rivela meno informazioni, ma interferisce anche di meno sul sistema.

Gli scienziati hanno così verificato che è possibile conoscere almeno in parte lo stato quantistico del nucleo di diamante mediante misure indirette, ovvero mediante misure sequenziali dello stato dell’elettrone, eseguite con intensità variabile (la forza della misura si può modificare variando la forza dell'accoppiamento). Combinando le informazioni sull’elettrone ricavate in varie misurazioni deboli i ricercatori sono riusciti a determinare con precisione alcune caratteristiche del nucleo di diamante. È una proprietà conosciuta come “steering" (il nome se l’è inventato sempre Schrödinger) che ci dice quali sono gli stati possibili di un sistema (in questo caso nucleo più elettrone) in una certa posizione (in questo caso nel nuclelo) data una misurazione in un'altra posizione (in questo caso nell’elettrone). Un po’ come sbirciare nella scatola, senza però aprirla completamente, e avere almeno qualche informazione sulle condizioni del gatto.

Difficile da capire, si diceva. Ma se vogliamo rispettare lo spirito pragmatico con cui in fondo è stata concepita la meccanica quantistica, ci basti sapere allora che studi come questi costituiscono un passo decisivo per la costruzione di un futuro computer quantistico. Quanto alla reale comprensione della teoria, ci si può appellare a qualche altra citazione di Feynman che, contraddicendosi in pieno “spirito quantistico”, dopo aver detto “Se credete di aver capito la teoria dei quanti, vuol dire che non l'avete capita”, concluse la sua autobiografia scrivendo: “Sono fatto così: voglio sempre capire”.


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