Risolto uno dei paradossi della meccanica quantistica

Gatti vivi e morti contemporaneamente. Universi paralleli. Particelle evanescenti. La meccanica quantistica, la branca della fisica che studia il comportamento e le interazioni delle particelle microscopiche, è una delle teorie più bizzarre e controintuitive mai elaborate dall’essere umano. Nella meccanica quantistica, elettroni, fotoni, protoni e simili sono descritti in termini di funzioni d’onda che esprimono la probabilità che un sistema abbia determinate proprietà (per esempio, che una particella si trovi in una certa posizione o abbia una certa velocità); un nuovo studio sperimentale, pubblicato su Science Advances, ha appena dimostrato che, al di sotto di questa nebulosa descrizione probabilistica, le particelle potrebbero esser descritte come palline da biliardo che rotolano e si scontrano su un tavolo. Il lavoro fa “rivivere” una vecchia visione teorica della meccanica quantistica (la cosiddetta “interpretazione bohmiana”)  e aiuta a far luce sul fenomeno che Einstein chiamava “inquietante azione a distanza”, ovvero l’entanglement quantistico.

Lo studio consiste in una nuova versione del famoso esperimento della doppia fenditura, nel quale le particelle di luce, i fotoni, vengono sparati contro una parete con due fenditure, prima di essere rilevati da uno schermo. Per decadi i fisici, certi della validità del principio di indeterminazione di Heisenberg, hanno dato per scontata l’impossibilità di sapere esattamente attraverso quale fenditura il fotone sarebbe passato, prima di colpire lo schermo: ogni tentativo di misura, infatti, disturba il cammino stesso del fotone. Già nel 2011, tuttavia, un gruppo di ricercatori dell’Università di Toronto, in Canada, sembrò riuscire nella missione impossibile di tracciare esattamente le traiettorie dei fotoni, utilizzando una serie di apparati di misura definiti “deboli”, ovvero così gentili da non disturbare la posizione delle particelle in movimento. I risultati, ottenuti con questa tecnica, mostrarono, per le particelle, un comportamento simile a quello di oggetti classici (palline da tennis, proiettili ecc.) , ma “guidate”, come un surfer sulla cresta di un’onda, da quella che viene definita “onda-pilota”.

Sebbene il risultato sembrasse a dir poco sorprendente, non mancarono le critiche da parte della comunità scientifica. Molti fisici, per esempio, sottolinearono l’incapacità dell’esperimento di effettuare buone previsioni qualora i fotoni utilizzati fossero “entanglati”. Vale la pena ricordare brevemente che l’entanglement quantistico è quel fenomeno per cui, quando due particelle sono intimamente connesse, per esempio a seguito di una particolare interazione, ogni misura su una delle due influenza immediatamente anche l’altra, a prescindere da quanto siano distanti le particelle stesse.

I critici in particolare segnalarono che, ripetendo l’esperimento con fotoni entangled, si sarebbe giunti a una contraddizione, come, ad esempio, misurare la traiettoria di un fotone proveniente dalla fenditura superiore, ma rivelare effettivamente il fotone sul detector inferiore, come se provenisse dall’altra fenditura. A questo proposito, coniarono il termine traiettorie surreali, per descrivere questi risultati, alquanto contraddittori. Recentemente, il team guidato da Aephraim Steinberg ha ripetuto l’esperimento, per l’appunto, con fotoni entangled e ha dimostrato come il comportamento surreale sia causato dalla “strana e inquietante” influenza delle altre particelle. Sostanzialmente, due fotoni vengono “entanglati”, poi uno dei due viene inviato ad un normale apparato con doppia fenditura e l’altro, invece, viene fatto passare attraverso un sistema che ne monitora la polarizzazione, ovvero in che piano sta viaggiando l’onda luminosa.

Incredibilmente, la scelta fatta dai fisici sperimentali sulla misura della polarizzazione del secondo fotone, fissa e determina attraverso quale fenditura passa il primo fotone, come se interferire in qualche modo con una particella generi un cambio istantaneo nella direzione dell’altra. Questo comportamento bizzarro fu perfettamente descritto da Einstein come “inquietante azione a distanza”, ed è la prima volta in cui il fenomeno viene osservato in tutto il suo fascino.

I nuovi risultati, comunque, non sconfessano l’interpretazione probabilistica standard della meccanica quantistica, ma, al contempo, sottolineano come l’idea di una onda-pilota sia perfettamente valida. I fisici, adesso, avranno a disposizione un nuovo strumento di comprensione: è infatti molto più semplice visualizzare traiettorie reali, piuttosto che funzioni d’onda e distribuzioni astratte.