Il significato di “macroscopico” nel vocabolario della fisica quantistica

Misure attese della grandezza degli oggetti nei vari esperimenti di sovrapposizione quantistica. (Credit: arXiv: 1205.3447).

AUSTRIA  – Le dimensioni di un oggetto possono essere misurate in molti modi: considerando, ad esempio, la sua massa, il suo volume, o il numero di atomi di cui è composto. Di solito, oggetti come il mio gatto, la sedia su cui sono ora seduta, il computer su cui sto scrivendo sono considerati macroscopici – in opposizione ad atomi e particelle che, invece, sono per definizione microscopici – e vengono studiati utilizzando le leggi della fisica classica. Come tracciare in modo univoco il confine tra fisica classica e fisica quantistica? Domanda da un milione di dollari.

Un gruppo di ricercatori coordinati da Stefan Nimmrichter, dell’Università di Vienna, e da Klaus Hornberger dell’Università di Duisburg-Essen (Germania), ha pubblicato su Physical Review Letters un articolo che propone una nuova definizione del termine macroscopico usando però gli strumenti della fisica quantistica. Come mostra l’immagine a seguire, il risultato è una vera e propria “scala” di valori. Sfidando il labile confine che separa gli oggetti che quotidianamente esperiamo dagli oggetti quantistici, i ricercatori hanno dimostrato sperimentalmente che la sovrapposizione quantistica non è una proprietà delle particelle soltanto: anche composti di più particelle hanno questa stessa proprietà. Interpretare questo dato è abbastanza difficile in quanto, fino ad oggi, non esiste una misura standard del “macroscopico”.

Definire la ciò che è macroscopico. Come abbiamo accennato all’inizio, in passato i ricercatori hanno spesso misurato ciò che è macroscopico nei termini di numero di atomi in esso presenti. Il criterio non è dei migliori: ciascun oggetto è, infatti, composto da atomi eterogenei che hanno di per sé dimensioni diverse poiché contengono un diverso numero di particelle subatomiche. Questo  solleva molti problemi: la “macroscopicità” deve essere misurata in termini di numero totale di protoni di un oggetto, neutroni ed elettroni, oppure anche in qualche altro modo che renda comunque conto della natura del composto come intero e dei suoi elementi (come parti)? Anche se in campo teorico e sperimentale possono essere usati diversi parametri, l’aver osservato fenomeni di sovrapposizione quantistica anche nelle molecole composte da più atomi non solo conferma che non è una proprietà essenziale delle particelle, ma che può essere usata come un parametro sperimentale. È, dunque, necessaria una misura standard del macroscopico per confrontare i vari tipi di sovrapposizione quantistica. Per Stefan Nimmrichter e Klaus Hornberger abbandonare il criterio di composizione significa definire ciò che è macroscopico basandosi sull’idea che le equazioni quantistiche possano essere modificate per rendere lo stato di un oggetto classico.

Una modifica nelle equazioni quantistiche per spiegare ciò che è macroscopico. L’idea è semplice: avendo in mano un’equazione che spiega lo stato di un oggetto quantistico, si procede apportando un numero finito di modifiche: ciascuna modifica deve essere coerente con i dati sperimentali e descrive la sovrapposizione in oggetti di diversa grandezze. Il numero delle modifiche apportate sarà la scala ideale di riferimento per misurare la grandezza dell’oggetto coinvolto nell’esperimento. Diversi fattori possono aiutare a decidere quali modifiche apportare: una sovrapposizione con un lungo tempo di coerenza in un oggetto con una grande massa, ad esempio, porterà all’esclusione di  altri fattori considerati secondari. Nel loro insieme, tutti questi parametri corrisponderanno ad un singolo numero μ su una scala logaritmica; questo numero può essere utilizzato per misurare il grado di macroscopicità. Su questa scala, lo stato di sovrapposizione di un oggetto ha la stessa macroscopicità di un singolo elettrone in uno stato di sovrapposizione per 10μ secondi.

Sulla base di questo criterio, i fisici hanno dato punteggi ad alcuni recenti esperimenti di sovrapposizione quantistica. Il punteggio record ottenuto fino ad ora è  di12, ed è stato raggiunto dal gruppo di ricerca di Stefan Nimmrichter e Klaus Hornberger nel 2010 con una molecola che contiene 356 atomi. Gli scienziati stimano che i cluster atomici contenenti mezzo milione di atomi d’oro potrebbero segnare un 23 sulla scala, una prodezza che oggi sarebbe impegnativa, ma non è da escludere nell’immediato futuro. Come sarebbe piazzato in classifica il gatto di Schrödinger? I fisici hanno calcolato che un gatto di 4 kg, quando in una sovrapposizione quantistica dove si siede in due posizioni distanziate 10 cm per 1 secondo, dovrebbe segnare un 57. I fisici spiegano che questa situazione è equivalente ad un elettrone che esiste in una sovrapposizione quantistica per 1.057 secondi, circa 1039 volte l’età dell’Universo.

Da quando Erwin Schrödinger ha elaborato il suo noto esperimento mentale del gatto nella scatola, i fisici sono alla ricerca di una sistema per mostrare se e in che modo le regole della fisica quantistica possano applicarsi agli oggetti ordinari: gatti, sedie, tavoli. La creazione di uno stato entangled tra un sistema macroscopico ed uno microscopico è uno degli obiettivi principali delle ricerche in questo ambito. Complessi atomici, circuiti superconduttori, sistemi elettrici ed optomeccanici sfruttano tutti le incredibili proprietà della fisica quantistica. Come testate a quale limite di grandezza si può realizzare questo “intreccio”? Ora, i fisici dell’Università di Calgary hanno compiuto un significativo passo avanti in questa direzione creando un sistema in cui sono presenti le proprietà quantistiche su larga scala. I risultati sono stati presentati in un articolo pubblicato sulla rivista Nature Physics.

Schrödinger ci aveva presentato il suo gatto: immaginiamo un gatto chiuso in una scatola d’acciaio insieme ad un dispositivo (che deve essere tenuto al riparo dall’interferenza diretta del felino) in grado di rilevare l’emissione di una particella da un atomo radioattivo che si annichila. Connettiamo a questo dispositivo un contatore Geiger che contiene una fiala piena di un gas mortale in modo tale che, se si verifica il decadimento radioattivo a seguito dell’annichilamento dell’atomo, un martello si abbatta sulla fiala contenente il gas mortale e la rompa, provocando la morte del gatto. Ammesso di lasciare l’intero sistema indisturbato per un tempo congruo (mettiamo un’ora), si può dire che il gatto è ancora vivo se nel frattempo nessun atomo è decaduto. Il vettore di stato del sistema completo (scatola, gatto, martello, fiala) deve essere descritto secondo lo schema (x+y), benché contenga molti elementi in più. Questo sistema è dato dalla sovrapposizione di due stati: (i) stato-x = atomo non annichilato + martello alzato + fiala integra + gatto vivo, e (ii) stato-y = atomo annichilato + martello abbassato + fiala rotta + gatto morto. Ma finché non viene fatta un’osservazione, il gatto non è né vivo né morto. In questo esperimento abbiamo un oggetto di taglia media, macroscopico, il gatto, e un oggetto microscopico, il nucleo in decadimento.

In questo nuovo esperimento sono coinvolti due sistemi: il sistema macroscopico che è costituito da un centinaio di milioni di fotoni, e il sistema microscopico strutturato a livello di un singolo fotone. È stato possibile mostrare che le fluttuazioni quantistiche rilevate a livello microscopico con misurazioni di campo sono correlate con fluttuazioni macroscopiche che, statisticamente, coinvolgono ovviamente un pacchetto di fotoni. Più semplicemente, il risultato ottenuto è questo: esattamente come accade per un singolo fotone, anche i pacchetti di fotoni mantengono una correlazione con il sistema microscopico. Dato che il sistema occupato dal pacchetto di fotoni è certamente più grande di quello che ne ospita uno solo, si tratta di capire qual è il confine esatto che consente ai sistemi di questo tipo di non perdere la coerenza quantistica.

In pratica è come se al pacchetto di fotoni corrispondesse il gatto e al singolo fotone il nucleo atomico; è evidente che le differenze permangono, ma l’idea è sostanzialmente quella di “rileggere” l’esperimento mentale per testare i limiti dell’entanglement stesso. Sebbene l’esperimento mentale di Schrödinger sia stato originariamente pensato per mostrare l’assurdità di un’applicazione della meccanica quantistica agli oggetti macroscopici, questo studio suggerisce che può applicarsi non solo a singoli atomi – ossia a realtà individuali – ma anche a raggruppamenti di atomi, ad una molteplicità di cui, per ora, non sappiamo granché. (Fonte:phys.org/news/2013-07-big-schroedinger-cats-quantum-boundary.html).

Annunci

Rispondi

Inserisci i tuoi dati qui sotto o clicca su un'icona per effettuare l'accesso:

Logo WordPress.com

Stai commentando usando il tuo account WordPress.com. Chiudi sessione / Modifica )

Foto Twitter

Stai commentando usando il tuo account Twitter. Chiudi sessione / Modifica )

Foto di Facebook

Stai commentando usando il tuo account Facebook. Chiudi sessione / Modifica )

Google+ photo

Stai commentando usando il tuo account Google+. Chiudi sessione / Modifica )

Connessione a %s...