Un oggetto simile a un pallone da calcio può perdere la sua consistenza e comportarsi come se fosse un’onda. Non si tratta di un fenomeno magico, a patto che il pallone in questione sia una molecola di buckminsterfullerene (uno dei più famosi aggregati di atomi di carbonio, la cui forma è esattamente quella di un moderno pallone da calcio) e che a osservarlo non siano gli spettatori di uno stadio ma alcuni fisici in un laboratorio. In particolare quelli dell’Institut für Experimentalphysik dell’Università di Vienna, che hanno annunciato la scoperta pubblicata poi su Nature. Uno studio che – in fisica teorica – aiuta a tracciare il confine fra comportamento classico e quantistico della materia.
Onda o particella? Entrambe
Se si pensa alla materia, si immagina un insieme di particelle che si uniscono per dare vita agli oggetti che osserviamo quotidianamente. Ma, agli occhi dei fisici, la situazione appare diversa: le particelle, infatti, si comportano spesso come se fossero onde. A spiegare questo fenomeno è la meccanica quantistica, una delle teorie fisiche di maggior successo di questo secolo, che detta le regole per il mondo microscopico degli atomi. Ma le osservazioni del team di ricerca austriaco ne allargano gli orizzonti: la molecola di fullerene, infatti, è composta da 60 atomi e rappresenta, quindi, un oggetto relativamente esteso (10 volte più grande di quelli osservati finora, anche se non ancora macroscopico) che manifesta un comportamento ondulatorio.
Buckminsterfullerene, una molecola da Nobel
Il buckminsterfullerene non è nuovo alle luci della ribalta. Questa particolare molecola di carbonio deve il suo nome alla spiccata somiglianza della sua struttura con quella progettata dall’architetto americano Richard Buckminster Fuller per costruire la cupola geodetica della Montreal World Exhibition del 1967. La scoperta del buckminsterfullerene fu premiata con il Nobel per la chimica nel 1996 e, da allora, ha aperto numerosi scenari: da quelli fantascientifici (le cosiddette “bucky balls” popolano, a vario titolo, quasi tutti i romanzi più recenti di fantascienza) a quelli tecnologici, specialmente per la realizzazione di fibre a basso costo (il fullerene si può estrarre infatti dal nero fumo prodotto da tutte le macchine che bruciano carbone), iperleggere (le molecole sono sostanzialmente “vuote”), estremamente elastiche e resistenti.
Alla prova della fisica quantistica
Ma cosa hanno osservato i fisici austriaci della équipe diretta da Anton Zeilinger? In un forno, che raggiunge la temperatura di 1300 gradi, vengono prodotte molecole di fullerene. Queste sono poi concentrate in un fascio che viene sparato su uno schermo attraversando, lungo il cammino, una griglia finissima (le maglie sono larghe appena qualche miliardesimo di metro). Se le bucky ball si comportassero come particelle, alcune passerebbero dritte nei buchi della maglia, mentre altre verrebbero deviate dagli spigoli.
La figura risultante sullo schermo (dovuta all’impatto delle particelle sulla lastra) è esattamente prevedibile dalle leggi dell’ottica. Ma non è quella apparsa sullo schermo del laboratorio viennese: la lastra ha mostrato invece un fenomeno di interferenza, ovvero una figura in cui zone chiare si alternano a zone scure. Questa si può spiegare solo assumendo che il fullerene si sia comportato come un’onda: quando infatti il fascio di molecole incontra la maglia, le onde che lo compongono si infrangono e si ricompongono solo successivamente sullo schermo. Le zone chiare indicano una sovrapposizione costruttiva (le onde, in un certo senso, si sommano) mentre le zone scure sono dovute alla sovrapposizione distruttiva (in questo caso, invece, si annullano una con l’altra).
Le leggi quantistiche funzionano nel macromondo?
Questo studio riveste un’importanza cruciale dal punto di vista teorico. Uno dei problemi ancora aperti della fisica moderna, infatti, è stabilire l’ambito di validità delle leggi della meccanica quantistica. Si cerca di capire, insomma, se le regole del mondo microscopico possono essere applicate agli oggetti comuni, oppure di determinare dove si trovi il confine oltre il quale è necessario cambiare il sistema di leggi fisiche. L’esperimento viennese sposta oggi questo confine: finora si pensava che la descrizione quantistica potesse essere valida, al più, su scala atomica. Ora il comportamento ondulatorio delle bucky ball mostra che anche oggetti decine di volte più grandi degli atomi seguono leggi quantistiche. La sfida a individuare il crinale oltre il quale il mondo cessa di comportarsi classicamente, dunque, è ancora aperta.
