Nubi atomiche incoerenti

Temperature in the Quantum World

Schema dell’esperimento sulle nuvole di atomi isolate. (Crediti: Nature Physics).

Come è possibile misurare la temperatura di un sistema quantistico isolato? Un recente esperimento condotto dal Dipartimento di Fisica dell’Università di Vienna ha osservato direttamente la nascita e la diffusione della temperatura all’interno di in un sistema quantistico. Sorprendentemente, le proprietà quantistiche vengono perse, anche se il sistema quantistico è completamente isolato e non collegato al mondo esterno. L’articolo intitolato Local emergence of thermal correlations in an isolated quantum many-body system, che riporta i risultati sperimentali, è stato pubblicato nel numero di settembre 2013 della rivista Nature Physics.

Il nesso tra il mondo microscopico della fisica quantistica e della nostra esperienza quotidiana, che si occupa di oggetti molto più grandi, rimane ancora sconcertante. Quando si misura un sistema quantistico lo si disturba e alcune proprietà quantistiche vengono perse. Una nube di atomi, per esempio, può essere preparata in modo che ciascun atomo si trova simultaneamente in due punti diversi, formando una perfetta sovrapposizione quantistica. Ma non appena si cerca di misure la posizione degli atomi, questa sovrapposizione viene distrutta e gli atomi ripiombano nel dominio della fisica classica. In questo caso, la transizione dal comportamento quantistico a comportamento classico è avviata dal processo di misura che non è altro che un contatto con il mondo esterno.

Ma cosa succede se un sistema quantistico non è influenzato dall’esterno? Possono le proprietà classiche “emergere” ugualmente? (Benché il concetto di emergenza sia epistemicamente abbastanza problematico, lo uso qui nel suo significato più basilare: dato un substrato con le proprietà X e Y, lo stato A che ne emerge è direttamente correlato con la presenza al livello inferiore di X e Y, senza che questa correlazione debba essere necessariamente di natura causale). Una possibile risposta alle due domande che ci siamo posti riposa nel concetto di disordine. Stiamo studiando nuvole composte da diverse migliaia di atomi”, spiega Tim Langen, autore principale dello studio e membro del gruppo di ricerca del professor Jörg Schmiedmayer a Vienna. “Tale nuvola è abbastanza piccola per isolarsi efficacemente dal resto del mondo, ma è abbastanza grande per permetterci di studiare come le proprietà quantistiche sono perse”.

Temperature in the Quantum World

Immagine di un chip usato per manipolare nubi di atomi ultrafreddi (crediti: phys.org).

Nell’esperimento, le nubi atomiche sono divise in due metà. Dopo un certo tempo le due metà vengono confrontate tra di loro. In questo modo, gli scienziati possono misurare il collegamento quanto-meccanico tra le nuvole: inizialmente, questa connessione è perfetta, tutti gli atomi sono in uno stato quantico altamente ordinato. Ma questo ordine non rimane a lungo. Gli scienziati hanno constatato la perdita delle proprietà quantistiche senza alcuna influenza dell’ambiente esterno. Il “disturbo” sarebbe in questo caso generato dall’interazione continua tra gli atomi che sono racchiusi nella nuvola, di modo che gli atomi maggiormente eccitati sono quelli che perdono la “coerenza quantistica” molto prima degli altri.

Ed è a questo punto che una temperatura può essere a loro assegnata, in quanto il loro comportamento è analogo a quello dei gas classici. “La velocità con cui il disturbo si diffonde dipende dal numero di atomi”, spiega Tim Langen. Questo definisce un chiaro confine tra le regioni che possono essere descritte da una temperatura e regioni dove le proprietà quantistiche rimangono invariate. Dopo un certo tempo il disturbo è diffuso in tutta nube. Il risultato più notevole è che questa perdita delle proprietà quantistiche accade solo a causa degli effetti quantici interni alla nube atomica, senza alcuna influenza dal mondo esterno. Finora, un tale comportamento era solo stato ipotizzato, ma i nostri esperimenti dimostrano che la natura si comporta davvero così”.

Le nubi atomiche: proprio un mondo a parte. In un certo senso, la nube atomica si comporta come un universo in miniatura. Essa è isolata dall’ambiente, per cui il suo comportamento è determinato unicamente dalle sue proprietà interne. Pur essendo all’inizio in uno stato quantistico, la nube appare “classica” dopo qualche tempo, anche se si evolve secondo le leggi della fisica quantistica. È per questo che l’esperimento non poteva aiutare a comprendere il comportamento di grandi nubi atomiche, ma solo di nubi di dimensioni limitate: se i risultati verranno confermati, forse sta proprio qui la spiegazione di quello che accade attorno a noi. Perché il mondo che sperimentiamo ogni giorno appare classico, sul piano dei fenomeni macroscopici, mentre è governato da leggi quantistiche.  (Pubblicato nel settembre del 2013 su cyberscienza.it).

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