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13.02.20 - 08:000

Alla scoperta di alcuni particolari fenomeni del mondo quantistico

Cosa accade se proviamo a cambiare prospettiva e osserviamo i fenomeni che avvengono nel mondo subatomico?

Oggi, grazie alla fisica classica, sappiamo ormai dare una spiegazione a ciò che accade nel macro-mondo. Cosa diversa è, invece, se proviamo a cambiare prospettiva e guardiamo a ciò che accade nel mondo subatomico, ovvero su una scala di misura molto piccola, quella dei nanometri.
Ebbene, pare che su questi ordini di grandezza inizino a manifestarsi particolari fenomeni che sfuggono alle normali leggi fisiche tanto da sembrare quasi magici.
Stiamo ovviamente parlando del mondo quantistico e di alcuni fenomeni che la fisica classica non potrebbe mai descrivere, ma che per la meccanica quantistica sono invece basilari, anche se a volte non ancora completamente compresi. Eccone alcuni che possono sembrare davvero strambi.

Il principio di indeterminazione
Secondo la meccanica quantistica non è possibile misurare contemporaneamente e con un alto livello di precisione la posizione e la velocità di una particella, perché più è accurata la misura con cui si cerca di calcolare una delle due grandezze, più aumenta l’incertezza sull’altra. Il principio di indeterminazione, infatti, parte dal presupposto che l’operazione di misura di una qualsiasi proprietà, all’interno di un sistema quantistico, comporta inevitabilmente un’alterazione di ciò che si sta osservando, e dunque colui che compie l’azione del misurare modifica la condizione stessa di ciò che si sta esaminando.
Tale principio di indeterminazione vale anche per altre coppie di grandezze fisiche combinate, come ad esempio il tempo e l’energia, angolo e velocità angolare, e qualunque altra coppia di grandezze coniugate, per le quali cessa di funzionare la proprietà commutativa, quindi una vera e propria stranezza del mondo quantistico. Il principio, tuttavia, ha anche una rigorosa formulazione matematica e definisce un limite di precisione simultanea impossibile da battere, il famoso ħ/2.

Il gatto di Schrödinger può essere salvato?
L’assunto di fondo del famoso esperimento del gatto di Schrödinger, cioè quello di un gatto chiuso all’interno di una scatola con una sostanza radioattiva che non sappiamo se sia morto o meno fino all’apertura della scatola stessa, è che fino a quando non apriremo la scatola il gatto può essere allo stesso tempo sia vivo che morto. Pertanto, solo al momento dell’apertura della scatola i due possibili scenari collassano in una sola delle due possibili soluzioni.
Ma cosa accadrebbe se aprissimo e richiudessimo di continuo la scatola, ad esempio circa un migliaio di volte al secondo? Siccome la nostra osservazione altererebbe il comportamento della sostanza radioattiva, riuscendo potenzialmente a rallentarne o ad accelerarne il processo di decadimento, si può desumere che potremo riuscire a salvare il gatto, oppure lo condanneremmo a una morte ancora più rapida. Ebbene, a partire dagli anno ’80 sono stati eseguiti diversi esperimenti che hanno dimostrato che questo effetto è reale e si manifesta su scala quantistica, ad esempio sulle particelle di luce come i fotoni.

Il sapore e il trasformismo dei neutrini
L’oscillazione del neutrino rappresenta quello strano fenomeno, premiato tra l’altro con il Nobel nel 2015, per cui queste particelle elementari subatomiche che esistono in tre varianti di “sapore” (elettronico, muonico e tauonico) possono cambiare identità mentre viaggiano nello spazio. Ciò vuol dire che quando si cerca di capire che sapore abbia un certo neutrino, si trova qualcosa di diverso a seconda di quando e dove lo si assaggia.
Affinché un neutrino possa trasformarsi, anche se sarebbe più corretto dire “oscillare”, bisognerebbe ammettere che abbia una massa maggiore di zero, ma ciò va contro il Modello standard della fisica delle particelle. La questione della massa dei neutrini e dell’origine di questa curiosa proprietà è al momento al centro di numerosi dibattiti all’interno della comunità scientifica. Proprio in questo scenario vanno considerati gli esperimenti tra i laboratori nazionali del Gran Sasso e quelli del Cern di Ginevra. Nello specifico, dato che tali particelle sono capaci di penetrare attraverso la materia, vengono fatti viaggiare nella roccia per centinaia di chilometri proprio per misurare le loro proprietà trasformiste.

L’effetto di Hong-Ou-Mandel
Con tale concetto si è soliti fare riferimento a un fenomeno di ottica quantistica, scoperto e dimostrato nel 1987 da Chung Ki Hong, Zhe Yu Ou e Leonard Mandel, che riguarda due particelle di luce che incidono su un oggetto in grado di deviarli in due possibili direzioni. Mentre ciascuno dei due fotoni, preso singolarmente, finirebbe il 50% delle volte in una direzione e l’altro 50% nell’altra, quando i due fotoni partono insieme modificano il loro comportamento.
In effetti, qualora prendessero direzioni diverse, le regole dell’algebra quantistica imporrebbero una reciproca distruzione, ed è proprio ciò che avviene. Nella metà dei casi i fotoni spuntano entrambi nella prima delle due possibili direzioni, e nell’altra metà dei casi vanno entrambi nell’altra direzione. Ciò che non accade mai, invece, è che viaggino in due direzioni diverse. Tale comportamento dimostra uno dei principi ormai basilari della meccanica quantistica, e cioè che quando la matematica conduce a un determinato risultato, anche contro-intuitivo, gli esperimenti confermano esattamente quel risultato.

Prima e dopo, sinistra e destra, orario e antiorario
Nel mondo quantistico, in base a un recente esperimento del 2018, i concetti di prima e di dopo non si applicano ad alcune particelle, come ad esempio a quelle della luce. Se infatti mettiamo una particella di luce davanti a un bivio in cui, a seconda della scelta, uno stesso tragitto viene percorso in senso orario o antiorario, si potrebbe dire che il fotone sceglie di non scegliere, imboccando entrambe le vie e percorrendo il tragitto contemporaneamente in entrambi i versi. Proprio come accade con il gatto di Schrödinger, che può essere allo stesso tempo sia vivo che morto, così anche il fotone può essere simultaneamente orario e antiorario, prima e dopo, destrorso e sinistrorso.
Non è infatti possibile stabilire se il fotone sia passato a destra e poi a sinistra, o viceversa.

L’effetto tunnel
Per effetto tunnel si intende quella proprietà tipica di tutte le particelle quantistiche, caratterizzate dalla doppia natura di onda e di corpuscolo, di superare ostacoli che in base alle leggi della fisica classica non potrebbero mai oltrepassare. Come, ad esempio, se una palla che sta rotolando non avesse sufficiente energia per oltrepassare una collinetta e riuscisse a penetrare al suo interno per passare dall’altra parte. Questa scoperta, di circa 90 anni fa, agli inizi è servita per spiegare il meccanismo del decadimento nucleare di tipo alfa, mentre oggi viene utilizzata per applicazioni pratiche che vanno dalla microscopia atomica ai dispositivi elettronici basati sui cosiddetti diodi tunnel.

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