I gatti di Schrodinger dal mondo quantistico alla vita reale

I gatti di Schrodinger dal mondo quantistico alla vita reale

14 luglio 2018

Come si passa dal mondo microscopico, governato dalla meccanica quantistica, al mondo macroscopico,
in cui governa la fisica classica? La questione è dibattuta da quasi un secolo, ma solo di recente
si sono resi disponibili sistemi che possono permettere di capire come il mondo ordinario emerge da
quello quantistico

di Philip Ball/Quanta Magazine

I gattini di Schrödinger non sono mai stati molto carini a vedersi, e l’ultima cucciolata non fa
eccezione. È improbabile che le immagini di nubi di atomi ultrafreddi o fasci microscopici di
silicio diventino virali su Internet. Tuttavia, questi oggetti esotici meritano attenzione, perché
dimostrano con una chiarezza senza precedenti che la meccanica quantistica non è solo la fisica
dell’estremamente piccolo.

“I gattini di Schrödinger”, parlando in termini generici, sono oggetti di dimensioni medie tra la
scala atomica, per descrivere la quale la meccanica quantistica è stata originariamente sviluppata,
e il gatto che Erwin Schrödinger immaginò per sottolineare l’apparente assurdità di ciò che questa
teoria sembrava implicare. Questi sistemi sono “mesoscopici”: hanno circa le dimensioni di virus o
batteri, e sono composti da molte migliaia o addirittura miliardi di atomi. Sono quindi molto più
grandi delle tipiche scale dimensionali in cui appaiono di solito le controintuitive proprietà
quantomeccaniche. Sono progettati per rispondere alla domanda: quanto grande potrai essere
mantenendo le proprietà quantistiche?

A giudicare dagli ultimi risultati, la risposta è: incredibilmente grande. Due distinti tipi di
esperimenti – entrambi effettuati in modo indipendente da più gruppi – hanno dimostrato che un ampio
numero di atomi può essere posto in stati quantistici collettivi, in cui non possiamo assolutamente
affermare che il sistema abbia un insieme di proprietà o un altro. In una serie di esperimenti, ciò
significava realizzare un entanglement tra due regioni di una nuvola di atomi freddi per rendere le
loro proprietà interdipendenti e correlate in un modo che sembra indipendente dalla loro separazione
spaziale. Nell’altro, oggetti microscopici vibranti sono stati messi in cosiddette sovrapposizioni
di stati vibrazionali. Entrambi i risultati sono approssimativamente analoghi al modo in cui si
diceva essere il famigerato gatto di Schrödinger, mentre era nascosto nella sua scatola: in una
sovrapposizione degli stati “vivo” e “morto”.

La questione di come le regole della meccanica quantistica si trasformino in regole apparentemente
molto diverse della meccanica classica – dove gli oggetti hanno proprietà, posizioni e percorsi ben
definiti – ha lasciato perplessi gli scienziati fin da quando la teoria dei quanti fu sviluppata
all’inizio del XX secolo. C’è qualche differenza fondamentale tra oggetti classici grandi e oggetti
quantistici piccoli? Questo enigma della cosiddetta transizione quantistico-classica è stato
evidenziato in modo iconico dall’esperimento mentale di Schrödinger.

Il povero gatto è una bestia molto fraintesa. Il punto di Schrödinger non era, come spesso lasciato
intendere, l’apparente assurdità della meccanica quantistica se estrapolata alla scala quotidiana.
Il gatto era il prodotto della corrispondenza tra Schrödinger e Albert Einstein, dopo che Einstein
aveva criticato l’interpretazione della meccanica quantistica sostenuta dal fisico danese Niels Bohr
e i suoi colleghi.

Bohr sosteneva che la meccanica quantistica sembra obbligarci a concludere che le proprietà degli
oggetti quantistici come gli elettroni non hanno valori ben definiti finché non li misuriamo. A
Einstein, sembrava strano che qualche elemento della realtà dipendesse, per esistere, dal nostro
intervento cosciente. Con due colleghi più giovani, Boris Podolsky e Nathan Rosen, nel 1935 presentò
un esperimento mentale che sembrava rendere impossibile quell’interpretazione. I tre (il cui lavoro
ora è noto con l’acronimo collettivo EPR) osservarono che le particelle possono essere create in
stati che devono essere correlati l’uno con l’altro, nel senso che se uno di essi ha un valore
specifico per una certa proprietà, anche l’altro deve avere un altro valore specifico. Nel caso di
due elettroni, che hanno una proprietà chiamata spin, uno spin potrebbe puntare “in su” mentre lo
spin dell’altro elettrone “in giù”.

In questo caso, secondo Einstein e i suoi colleghi, se Bohr avesse avuto ragione e le direzioni
effettive degli spin fossero indeterminate fino a quando non le si misurano, allora la correlazione
dei due spin implicherebbe che misurare uno di essi fissa istantaneamente l’orientamento dell’altro,
non importa quanto sia lontana la particella. Einstein chiamò questa connessione apparente
“fantasmatica azione a distanza”. Ma un simile fenomeno dovrebbe essere impossibile, perché la
teoria speciale della relatività di Einstein mostra che nessuna influenza può propagarsi più
velocemente della luce.

Schrödinger chiamò questa correlazione tra particelle “entanglement”. Dagli anni settanta, gli
esperimenti hanno dimostrato che si tratta di un vero fenomeno quantistico. Ma questo non significa
che le particelle quantistiche possano in qualche modo influenzarsi a vicenda istantaneamente
attraverso lo spazio con la fantasmatica azione di Einstein. È meglio dire che le proprietà
quantistiche di una singola particella non sono necessariamente determinate in un punto fisso nello
spazio, però possono essere “non locali”: completamente specificate solo in relazione a un’altra
particella situata altrove, in un modo che sembra minare la nostra nozione intuitiva di spazio e
distanza.

Il gatto di Schrödinger è nato dalle sue riflessioni sulle peculiarità dell’entanglement EPR.
Schrödinger voleva mostrare come la nozione di Bohr, secondo cui nulla è determinato fino a quando
non viene misurato, potrebbe portare a un’assurdità logica se immaginassimo l’entanglement alla
scala delle dimensioni quotidiane. Il suo esperimento mentale colloca lo sfortunato gatto in una
scatola chiusa con una fiala di veleno letale, che può essere rotta da un meccanismo che lo collega
– in realtà, mediante l’entanglement – a una particella o a un evento quantistico. L’innesco
potrebbe derivare da un elettrone, che rompe la fiala se ha uno spin verso l’alto, ma non se ha uno
spin verso il basso. È quindi possibile preparare l’elettrone in una cosiddetta sovrapposizione di
stati, in cui sia lo spin verso l’alto sia lo spin verso il basso sono possibili esiti di una
misurazione. Ma se lo spin è indeterminato prima della misurazione, allora lo stesso deve valere per
lo status del gatto: non c’è modo per dire in modo sensato se sia vivo o morto. E questo è
sicuramente privo di senso.

Il punto di Schrödinger non era semplicemente il fatto che le regole quantistiche portino ad
apparenti assurdità se applicate nella scala dimensionale quotidiana: non è necessario un gatto per
questo. Piuttosto, voleva trovare una dimostrazione estrema di come il differire qualsiasi
attribuzione di uno stato definito (vivo o morto) fino a quando la misurazione non è stata fatta
(aprendo la scatola per guardare) possa portare a implicazioni che sembrano non solo strane ma
logicamente vietate.

A Bohr questo sarebbe sembrato uno scenario non valido: la misurazione, come aprire la scatola e
guardare il gatto, era per lui sempre un processo macroscopico e quindi classico, dunque le regole
quantistiche non sarebbero state più applicabili. Ma allora come fa la misurazione a garantire
quella trasformazione magica dal quantistico al classico?

Invece di discuterne, perché non effettuare l’esperimento? Il problema è che, mentre per Schrödinger
era agevole immaginare un gatto “quantistico” accoppiandolo a un evento su scala atomica, non è
affatto chiaro se e come si possa fare in pratica questo passaggio di scala, o in effetti che cosa
potrebbe significare una sovrapposizione di vivo e morto in termini di stati quantistici.

Tuttavia, con le tecniche moderne possiamo immaginare la creazione di sovrapposizioni quantistiche
ben definite di oggetti relativamente grandi – non grandi come i gatti, ma molto più grandi degli
atomi singoli – e testare le loro proprietà. È quello che stanno facendo tutti i progetti per
realizzare i gattini di Schrödinger.

“Molti fisici non si aspettano grandi sorprese su larga scala”, ha dichiarato Simon Gröblacher della
Delft University of Technology nei Paesi Bassi. “Semplicemente non si sa che cosa può succedere se
s’iniziano a creare stati quantistici con circa 10^23 atomi”, che è la scala tipica degli oggetti di
uso quotidiano.

I nuovi esperimenti dimostrano che, nonostante quello che pensava Schrödinger, oggetti relativamente
grandi possono effettivamente esibire un comportamento quantistico controintuitivo.

Gröblacher e colleghi hanno creato microfasci di silicio, ciascuno di dieci micrometri di lunghezza
e da 1 a 0,25 micrometri in sezione trasversale. Ognuno presentava fori lungo il fascio destinati ad
assorbire e intrappolare la luce laser a infrarossi. I ricercatori hanno quindi eccitato quei fasci
con la luce inviata in una sovrapposizione di cammini, uno per ciascun fascio. Così sono stati in
grado di generare un entanglement tra due fasci in un singolo stato vibrazionale quantistico. Si può
pensare a questo come all’equivalente molto piccolo di due gatti entangled.

Un altro tipo di entanglement tra gli oscillatori meccanici viene descritto da Mika Sillanpää e
colleghi dell’Aalto University, in Finlandia, in un altro articolo pubblicato su “Nature” in cui
compare l’articolo di Gröblacher. Hanno accoppiato due microscopici fogli di metallo a forma di
membrana di tamburo mediante un filo superconduttore. Il filo può condurre una corrente elettrica
che oscilla alle frequenze delle microonde (circa 5 miliardi di vibrazioni al secondo); il suo campo
elettromagnetico esercita una pressione sulle superfici vibranti. “I campi elettromagnetici agiscono
come una sorta di mezzo che costringe le due membrane di tamburo in uno stato quantistico
entangled”, ha detto Sillanpää.

I ricercatori hanno a lungo cercato di ottenere effetti quantistici come sovrapposizione ed
entanglement in “grandi” oscillatori micromeccanici come questi, che hanno miliardi di atomi al loro
interno. “Gli stati entangled degli oscillatori meccanici sono stati discussi teoricamente a partire
dalla fine degli anni settanta, ma solo negli ultimi anni è stato tecnicamente possibile crearli”,
ha affermato Sillanpää.

Quello che rende questi esperimenti un tour de force è che evitano il processo che generalmente
trasforma grandi oggetti governati dalle regole quantistiche in oggetti che obbediscono alla fisica
classica. Questo processo sembra fornire il pezzo mancante (o almeno, la maggior parte) del
rompicapo della misurazione, che Bohr ha lasciato così maledettamente vago.

Si chiama decoerenza e, piuttosto chiaramente, ha a che fare con l’entanglement. Secondo la
meccanica quantistica, l’entanglement è un risultato inevitabile di qualsiasi interazione tra due
oggetti quantistici. Quindi se un oggetto – un gatto, per esempio – inizia in una sovrapposizione di
stati, quella sovrapposizione – quella “quantomeccanicità”, si potrebbe dire – si diffonde quando
l’oggetto interagisce con il suo ambiente e diventa sempre più entangled con esso. Ma se si vuole
effettivamente osservare la sovrapposizione, occorre dedurre il comportamento quantistico di tutte
le particelle entangled. Questo diventa rapidamente impossibile, più o meno allo stesso modo in cui
diventa impossibile rintracciare tutti gli atomi in una goccia d’inchiostro mentre si diffonde in
una piscina. A causa dell’interazione con l’ambiente, la natura quantistica della particella
originale si disperde. Questa è la decoerenza.

I fisici teorici quantistici hanno dimostrato che la decoerenza dà origine al tipo di comportamento
osservato nella fisica classica. E i fisici sperimentali lo hanno dimostrato in esperimenti in grado
di controllare la velocità di decoerenza, in cui gli effetti quantistici caratteristici, come
l’interferenza delle onde delle particelle, svaniscono gradualmente con il procedere della
decoerenza.

La decoerenza, quindi, è fondamentale per l’attuale comprensione della transizione
quantistico-classica. La capacità di un oggetto di mostrare un comportamento quantistico, come
interferenza, sovrapposizione e correlazioni indotte dall’entanglement, non ha nulla a che fare con
quanto è grande. Invece, dipende da quanto è entangled con il suo ambiente.

In genere, però, le dimensioni hanno un ruolo, perché quanto più grande è un oggetto, tanto più
facilmente può diventare entangled con il suo ambiente e andare incontro a decoerenza. Un oggetto
grande, caldo, irrequieto come un gatto non ha la speranza di rimanere in una sovrapposizione
quantomeccanica di qualsiasi tipo, e andrà incontro a decoerenza più o meno all’istante.

Se semplicemente si mette un gatto in una scatola e si collega il suo destino al risultato di
qualche evento quantistico, non è probabile che lo si inserisca in una sovrapposizione di stati vivo
e morto, perché la decoerenza lo forza quasi istantaneamente in uno stato o nell’altro. Se si
potesse sopprimere la decoerenza rimuovendo tutte le interazioni con l’ambiente (senza uccidere il
gatto in un vuoto ultrafreddo!) – beh, allora sarebbe un’altra storia e le argomentazioni
resisterebbero. È quasi impossibile immaginare come ottenerlo per un gatto. Ma questo è in sostanza
quello che i gruppi di Gröblacher e Sillanpää hanno ottenuto con i loro minuscoli oscillatori.

Invece di procedere verso il limite quantistico-classico dall’alto verso il basso, vedendo se
possiamo evocare la quantomeccanicità in un oggetto vibrante quando è abbastanza piccolo, possiamo
procedere dal basso verso l’alto. Poiché sappiamo che gli effetti quantistici, come sovrapposizione
e interferenza, sono facilmente visibili in singoli atomi e persino in piccole molecole, potremmo
chiederci fino a che punto questi effetti possano essere sostenuti mentre continuiamo ad aggiungere
più e più atomi. Tre gruppi hanno ora affrontato la questione, raggiungendo stati quantistici per
nubi fino a decine di migliaia di atomi ultrafreddi, mettendoli in entanglement in uno stato
chiamato condensato di Bose-Einstein (BEC).

Einstein e il fisico indiano Satyendra Nath Bose mostrarono che un simile stato può esistere tra
bosoni (intitolati a Bose), una delle due classi generali di particelle fondamentali. In un BEC,
tutte le particelle si trovano nello stesso singolo stato quantistico, il che significa che in
effetti agiscono piuttosto come un unico grande oggetto quantistico. Poiché si tratta di un effetto
quantistico, la condensazione di Bose-Einstein si verifica solo a temperature molto basse, e un BEC
è stato visto nella sua forma più pura – una nube di particelle bosoniche – solo nel 1995, in atomi
di rubidio raffreddati a pochi miliardesimi di grado sopra lo zero assoluto.

I BEC fatti da questi atomi ultrafreddi hanno dato ai fisici un nuovo strumento per indagare sui
fenomeni quantistici. In passato, i ricercatori hanno dimostrato che una nube del genere –
costituita forse da diverse migliaia di atomi – può essere collocata in uno stato in cui tutti gli
atomi sono collegati tra loro.

Questi a rigore non sono i gattini di Schrödinger, ha affermato Carsten Klempt della Leibniz
University di Hannover, in Germania. Quelli sono generalmente definiti come sovrapposizioni di stati
che sono tanto diversi quanto è loro possibile: per esempio, tutti con spin verso l’alto e tutti con
spin verso il basso (analoghi a “vivi” e “morti”). Non è il caso di queste nubi entangled di atomi.
Tuttavia, mostrano ancora un comportamento quantistico su scala relativamente grande.

C’è una riserva più importante, tuttavia, all’idea che si tratti di incarnazioni “a scala di
gattini” di entanglement in stile EPR. Gli atomi sono tutti mescolati nello spazio e sono identici e
indistinguibili. Ciò significa che, anche se sono entangled, non puoi vederli in termini di una
correlazione tra proprietà di un oggetto qui e un altro lì. “I condensati di Bose-Einstein degli
atomi ultrafreddi consistono in grandi insiemi di atomi indistinguibili, letteralmente uguali in
qualsiasi osservabile fisica”, ha detto Klempt. “Dunque, la definizione originale di entanglement,
come raffigurata nell’esperimento di pensiero EPR, in essi non può essere realizzata”. In effetti,
l’intero concetto di entanglement tra particelle indistinguibili è stato teoricamente contestato.
“Questo perché la nozione di entanglement richiede la possibilità di definire i sottosistemi
distinti che sono entangled l’uno con l’altro”, ha detto Philipp Kunkel dell’Università di
Heidelberg in Germania.

Un tipo molto più chiaro di entanglement, con un’analogia diretta con l’entanglement delle
particelle separate spazialmente nell’esperimento mentale EPR, è stato ora dimostrato in tre
esperimenti separati dai gruppi di Klempt ad Hannover, di Kunkel (guidato da Markus Oberthaler) a
Heidelberg, e di Philipp Treutlein dell’Università di Basilea, in Svizzera. “Il conflitto con la
fisica classica è sorprendente quando si osserva l’entanglement tra questi sistemi spazialmente
separati”, ha detto Treutlein. “Questa è la situazione considerata nell’articolo EPR del 1935”.

Tutti e tre i gruppi usavano nuvole di centinaia o migliaia di atomi di rubidio trattenuti trappole
di campi elettromagnetici (prodotti da dispositivi microscopici su un “chip atomico” o generati da
raggi laser incrociati). I ricercatori hanno usato i laser a infrarossi per eccitare transizioni
quantistiche negli spin atomici e hanno cercato le correlazioni tra i valori di spin che sono il
segno rivelatore di entanglement. Mentre i gruppi di Heidelberg e di Basilea studiavano due diverse
regioni in un unica grande nube, il gruppo di Klempt in realtà divideva la nube in due inserendo una
regione di spazio vuoto nel mezzo.

I gruppi di Basilea e Heidelberg hanno dimostrato l’entanglement con un effetto chiamato steering
quantistico, in cui viene sfruttata l’apparente interdipendenza delle due regioni entangled in modo
che le misurazioni effettuate su una di esse permettano ai ricercatori di prevedere le misurazioni
dell’altra. “Il termine ‘steeering’ – letteralmente ‘orientare’, ‘governare’ – è stato introdotto da
Schrödinger”, ha spiegato Treutlein. “Si riferisce al fatto che, a seconda del risultato della
misurazione nella regione A, cambia lo stato quantistico che usiamo per descrivere il sistema B”. Ma
questo non implica che ci sia un trasferimento di informazioni istantaneo o una comunicazione tra A
e B. “Non è possibile governare lo stato del sistema distante in modo deterministico, dal momento
che il risultato della misurazione è ancora probabilistico “, ha detto Kunkel. “Non c’è influenza
causale”.

Questi risultati sono “eccitanti”, ha dichiarato Jens Eisert della Freie Universität Berlin, che non
era coinvolto nel lavoro. “L’entanglement nei vapori atomici è stato generato molto tempo prima”, ha
detto, “ma quello che è diverso qui sono i livelli di indirizzabilità e controllo in questi
sistemi”.

A parte la chiara dimostrazione di entanglement quando esiste tra regioni spazialmente separate, c’è
anche un vantaggio pratico nel fare le cose in questo modo: è possibile usare individualmente le
regioni separate per l’elaborazione dell’informazione quantistica. “Non è possibile neanche in linea
di principio manipolare singoli atomi nel BEC senza influenzare tutti gli altri atomi, se sono tutti
nella stesso posto”, ha detto Treutlein. “Tuttavia, se possiamo manipolare individualmente le due
regioni spazialmente separate, l’entanglement diventa disponibile per compiti di informazione
quantistica come il teletrasporto quantistico o lo scambio di entanglement.” Ciò, tuttavia,
richiederà che la separazione fisica delle nubi sia aumentata oltre quanto ottenuto negli
esperimenti attuali, ha aggiunto. Idealmente, ha dichiarato Klempt, dividendo ulteriormente la nube
in atomi manipolabili individualmente.

“Grandi” oggetti quantistici come questi potrebbero anche permetterci di esplorare nuova fisica: per
scoprire, per esempio, che cosa succede quando la gravità inizia a influenzare significativamente il
comportamento quantistico. “Con questo nuovo modo di controllare e manipolare grandi stati
entangled, potrebbe esserci spazio per sofisticati test sugli effetti quantistici nelle teorie
gravitazionali”, ha affermato Eisert. Per esempio, è stato proposto che gli effetti gravitazionali
possano indurre un collasso fisico degli stati quantistici in quelli classici, un’idea che in linea
di principio è suscettibile di verifica sperimentale con sovrapposizioni o stati entangled di grandi
masse. Treutlein ha dichiarato che un modo per testare i modelli di collasso fisico implica
l’interferenza tra distinte “onde di materia” atomiche e, ha aggiunto, il BEC del suo gruppo,
separato in due ed entangled, può funzionare da interferometro atomico. “La maggior parte dei fisici
probabilmente non si aspetterà un improvviso crollo della fisica quantistica” via via che le
dimensioni del sistema aumentano, ha detto Klempt. Ma Kunkel ha aggiunto che “è ancora una questione
aperta, dal punto di vista sperimentale e teorico, se esista un limite fondamentale alla dimensione
degli oggetti che possono essere entangled l’uno con l’altro”.

“La domanda più interessante è se ci siano alcune dimensioni fondamentali in cui non si può in un
certo senso generare entanglement”, ha detto Sillanpää. “Ciò significherebbe che entra in gioco
qualcos’altro oltre alla normale meccanica quantistica, e questo potrebbe essere, per esempio, il
collasso causato della gravità.” Se la gravità gioca un ruolo, questo potrebbe offrire alcuni spunti
su come sviluppare una teoria della gravità quantistica, che unisca le teorie attualmente
incompatibili della meccanica quantistica e della relatività generale. Sarebbe un bel colpo per i
gattini di Schrödinger. Per ora, rafforzano la convinzione generale che non vi sia nulla di speciale
nel comportamento quantistico, oltre al fatto che s’inserisce in un groviglio sempre più intricato
da cui emerge la nostra rete classica. E nessun gatto dev’essere ucciso nel processo.

(L’originale di questo articolo è stato pubblicato il 25 giugno 2018 da QuantaMagazine.org, una
pubblicazione editoriale indipendente onlinepromossa dalla Fondazione Simons per migliorare la
comprensione pubblica della scienza. Traduzione ed editing a cura di Le Scienze.Riproduzione
autorizzata, tutti i diritti riservati)

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