Sei cose che tutti dovrebbero sapere sulla fisica quantistica

La fisica quantistica di solito intimidisce fin dall’inizio. È un po’ strana e può sembrare controintuitiva, anche per i fisici che se ne occupano ogni giorno. Ma non è incomprensibile. Se state leggendo qualcosa sulla fisica quantistica, ci sono davvero sei concetti chiave su di essa che dovreste tenere a mente. Fatelo, e troverete la fisica quantistica molto più facile da capire.

Tutto è fatto di onde; anche le particelle

Ci sono molti posti per iniziare questo tipo di discussione, e questo è buono come un altro: tutto nell’universo ha sia la natura di particella che di onda, allo stesso tempo. C’è una frase nella duologia fantasy di Greg Bear (The Infinity Concerto e The Serpent Mage), dove un personaggio che descrive le basi della magia dice: “Tutto è onde, senza che nulla si muova, su nessuna distanza”. Mi è sempre piaciuta molto come descrizione poetica della fisica quantistica – in fondo, tutto nell’universo ha una natura ondulatoria.

Ovviamente, tutto nell’universo ha anche una natura particellare. Questo sembra completamente folle, ma è un fatto sperimentale, elaborato da un processo sorprendentemente familiare:

(c’è anche una versione animata di questo che ho fatto per TED-Ed).

Ovviamente, descrivere oggetti reali come particelle e onde è necessariamente un po’ impreciso. In senso proprio, gli oggetti descritti dalla fisica quantistica non sono né particelle né onde, ma una terza categoria che condivide alcune proprietà delle onde (una frequenza e una lunghezza d’onda caratteristiche, una certa diffusione nello spazio) e alcune proprietà delle particelle (sono generalmente numerabili e possono essere localizzate in qualche misura). Questo porta ad un vivace dibattito all’interno della comunità dei docenti di fisica sul fatto che sia davvero appropriato parlare della luce come di una particella nei corsi di fisica introduttiva; non perché ci sia qualche controversia sul fatto che la luce abbia una qualche natura particellare, ma perché chiamare i fotoni “particelle” piuttosto che “eccitazioni di un campo quantico” potrebbe portare ad alcune idee sbagliate degli studenti. Tendo a non essere d’accordo con questo, perché molte delle stesse preoccupazioni potrebbero essere sollevate sul chiamare gli elettroni “particelle”, ma è una fonte affidabile di conversazioni sul blog.

Questa natura di “porta numero tre” degli oggetti quantistici si riflette nel linguaggio talvolta confuso che i fisici usano per parlare dei fenomeni quantistici. Il bosone di Higgs è stato scoperto al Large Hadron Collider come una particella, ma sentirete anche i fisici parlare del “campo di Higgs” come una cosa delocalizzata che riempie tutto lo spazio. Questo accade perché in alcune circostanze, come gli esperimenti del collisore, è più conveniente discutere le eccitazioni del campo di Higgs in un modo che enfatizza le caratteristiche di particella, mentre in altre circostanze, come la discussione generale sul perché certe particelle hanno massa, è più conveniente discutere la fisica in termini di interazioni con un campo quantico che riempie l’universo. È solo un linguaggio diverso che descrive lo stesso oggetto matematico.

La fisica quantistica è discreta

È proprio lì nel nome – la parola “quantum” deriva dal latino per “quanto” e riflette il fatto che i modelli quantistici coinvolgono sempre qualcosa che arriva in quantità discrete. L’energia contenuta in un campo quantistico si presenta in multipli interi di qualche energia fondamentale. Per la luce, questo è associato alla frequenza e alla lunghezza d’onda della luce – la luce ad alta frequenza e a breve lunghezza d’onda ha una grande energia caratteristica, mentre la luce a bassa frequenza e a lunga lunghezza d’onda ha una piccola energia caratteristica.

In entrambi i casi, però, l’energia totale contenuta in un particolare campo luminoso è un multiplo intero di quell’energia – 1, 2, 14, 137 volte – mai una frazione strana come uno e mezzo, π, o la radice quadrata di due. Questa proprietà si vede anche nei livelli energetici discreti degli atomi e nelle bande energetiche dei solidi – certi valori di energia sono ammessi, altri no. Gli orologi atomici funzionano grazie alla discrezione della fisica quantistica, utilizzando la frequenza della luce associata a una transizione tra due stati consentiti nel cesio per mantenere il tempo a un livello che richiede il tanto discusso “secondo intercalare” aggiunto la settimana scorsa.

La spettroscopia ultraprecisa può anche essere usata per cercare cose come la materia oscura, ed è parte della motivazione per un istituto di fisica fondamentale a bassa energia.

Questo non è sempre ovvio–anche alcune cose che sono fondamentalmente quantistiche, come la radiazione di corpo nero, sembrano coinvolgere distribuzioni continue. Ma c’è sempre una sorta di granularità nella realtà sottostante, se si scava nella matematica, e questo è gran parte di ciò che porta alla stranezza della teoria.

La fisica quantistica è probabilistica

Uno degli aspetti più sorprendenti e (storicamente, almeno) controversi della fisica quantistica è che è impossibile prevedere con certezza il risultato di un singolo esperimento su un sistema quantistico. Quando i fisici predicono il risultato di qualche esperimento, la previsione prende sempre la forma di una probabilità di trovare ciascuno dei particolari risultati possibili, e i confronti tra la teoria e l’esperimento comportano sempre la deduzione di distribuzioni di probabilità da molti esperimenti ripetuti.

La descrizione matematica di un sistema quantistico prende tipicamente la forma di una “funzione d’onda”, generalmente rappresentata nelle equazioni dalla lettera greca psi: Ψ. C’è un sacco di dibattito su ciò che, esattamente, questa funzione d’onda rappresenta, dividendosi in due campi principali: quelli che pensano alla funzione d’onda come una cosa fisica reale (il termine in gergo per queste teorie è “ontica”, portando qualche persona spiritosa a doppiare i loro sostenitori “psi-ontologi”) e quelli che pensano alla funzione d’onda come una semplice espressione della nostra conoscenza (o mancanza di essa) riguardo lo stato sottostante di un particolare oggetto quantistico (teorie “epistemiche”).

In entrambe le classi di modelli fondazionali, la probabilità di trovare un risultato non è data direttamente dalla funzione d’onda, ma dal quadrato della funzione d’onda (in senso lato, comunque; la funzione d’onda è un oggetto matematico complesso (nel senso che coinvolge numeri immaginari come la radice quadrata di uno negativo), e l’operazione per ottenere la probabilità è leggermente più complessa, ma “quadrato della funzione d’onda” è sufficiente per ottenere l’idea di base). Questa è conosciuta come la “Regola di Born” dal nome del fisico tedesco Max Born che per primo la suggerì (in una nota a piè di pagina di un articolo del 1926), e colpisce alcune persone come una brutta aggiunta ad hoc. C’è uno sforzo attivo in alcune parti della comunità delle fondazioni quantistiche per trovare un modo di derivare la regola di Born da un principio più fondamentale; ad oggi, nessuno di questi ha avuto pieno successo, ma genera molta scienza interessante.

Questo è anche l’aspetto della teoria che porta a cose come le particelle che sono in stati multipli allo stesso tempo. Tutto ciò che possiamo prevedere è la probabilità, e prima di una misurazione che determina un particolare risultato, il sistema che viene misurato è in uno stato indeterminato che matematicamente corrisponde a una sovrapposizione di tutte le possibilità con diverse probabilità. Se considerate questo come un sistema che si trova davvero in tutti gli stati contemporaneamente, o solo in uno stato sconosciuto, dipende in gran parte dai vostri sentimenti sui modelli ontici rispetto a quelli epistemici, anche se questi sono entrambi soggetti ai vincoli del prossimo punto della lista:

La fisica quantistica è non locale

L’ultimo grande contributo di Einstein alla fisica non è stato ampiamente riconosciuto come tale, soprattutto perché aveva torto. In un documento del 1935 con i suoi colleghi più giovani Boris Podolsky e Nathan Rosen (il “documento EPR”), Einstein fornì una chiara dichiarazione matematica di qualcosa che lo preoccupava da tempo, un’idea che oggi chiamiamo “entanglement”.

Il documento EPR sosteneva che la fisica quantistica permetteva l’esistenza di sistemi in cui le misure effettuate in luoghi molto distanti tra loro potevano essere correlate in modo tale da suggerire che il risultato di una fosse determinato dall’altra. Sostenevano che questo significava che i risultati delle misurazioni dovevano essere determinati in anticipo, da qualche fattore comune, perché l’alternativa avrebbe richiesto la trasmissione del risultato di una misurazione alla posizione dell’altra a velocità superiori alla velocità della luce. Quindi, la meccanica quantistica deve essere incompleta, una mera approssimazione a una teoria più profonda (una teoria della “variabile nascosta locale”, una teoria in cui i risultati di una particolare misurazione non dipendono da qualcosa più lontano dal luogo della misurazione di quanto un segnale possa viaggiare alla velocità della luce (“locale”), ma sono determinati da qualche fattore comune a entrambi i sistemi in una coppia entangled (la “variabile nascosta”)).

Questa è stata considerata una strana nota a piè di pagina per circa trent’anni, poiché non sembrava esserci alcun modo per verificarla, ma a metà degli anni ’60 il fisico irlandese John Bell ha elaborato le conseguenze del documento EPR in modo più dettagliato. Bell dimostrò che si possono trovare circostanze in cui la meccanica quantistica predice correlazioni tra misure distanti che sono più forti di qualsiasi teoria possibile del tipo preferito da E, P e R. Questo fu testato sperimentalmente a metà degli anni ’70 da John Clauser, e una serie di esperimenti di Alain Aspect all’inizio degli anni ’80 è ampiamente considerata come la dimostrazione definitiva che questi sistemi entangled non possono essere spiegati da nessuna teoria locale a variabile nascosta.

L’approccio più comune per comprendere questo risultato è quello di dire che la meccanica quantistica è non-locale: che i risultati delle misurazioni effettuate in un luogo particolare possono dipendere dalle proprietà di oggetti lontani in un modo che non può essere spiegato usando segnali che si muovono alla velocità della luce. Questo non permette, tuttavia, l’invio di informazioni a velocità superiori a quella della luce, anche se ci sono stati numerosi tentativi di trovare un modo per utilizzare la non-località quantistica per farlo. Confutare questi tentativi si è rivelata un’impresa sorprendentemente produttiva – guardate David Kaiser’s How the Hippies Saved Physics per maggiori dettagli. La non-località quantistica è anche centrale per il problema dell’informazione nei buchi neri che evaporano, e per la controversia sul “firewall” che ha generato molte attività recenti. Ci sono anche alcune idee radicali che coinvolgono una connessione matematica tra le particelle aggrovigliate descritte nel documento EPR e i wormhole.

La fisica quantistica è (per lo più) molto piccola

La fisica quantistica ha la reputazione di essere strana perché le sue previsioni sono drammaticamente diverse dalla nostra esperienza quotidiana (almeno, per gli umani – il concetto del mio libro è che non sembra così strano ai cani). Questo accade perché gli effetti coinvolti diventano più piccoli man mano che gli oggetti diventano più grandi – se si vuole vedere un comportamento inequivocabilmente quantistico, fondamentalmente si vogliono vedere particelle che si comportano come onde, e la lunghezza d’onda diminuisce all’aumentare della quantità di moto. La lunghezza d’onda di un oggetto macroscopico come un cane che cammina attraverso la stanza è così ridicolmente piccola che se si espande tutto in modo che un singolo atomo nella stanza abbia le dimensioni dell’intero sistema solare, la lunghezza d’onda del cane sarebbe circa la dimensione di un singolo atomo all’interno di quel sistema solare.

Questo significa che, per la maggior parte, i fenomeni quantistici sono confinati alla scala degli atomi e delle particelle fondamentali, dove le masse e le velocità sono abbastanza piccole perché le lunghezze d’onda diventino abbastanza grandi da essere osservate direttamente. C’è uno sforzo attivo in un mucchio di aree, però, per spingere la dimensione dei sistemi che mostrano effetti quantistici fino a dimensioni maggiori. Ho scritto sul blog un sacco di esperimenti del gruppo di Markus Arndt che mostrano un comportamento simile alle onde in molecole sempre più grandi, e ci sono un sacco di gruppi di “opto-meccanica delle cavità” che cercano di usare la luce per rallentare il movimento di pezzi di silicio fino al punto in cui la natura quantistica discreta del movimento diventa chiara. Ci sono anche alcuni suggerimenti che potrebbe essere possibile farlo con specchi sospesi che hanno masse di diversi grammi, il che sarebbe incredibilmente bello.

La fisica quantistica non è magia