Il mondo della meccanica quantistica è spesso terreno di esplorazione per fenomeni che sfidano la nostra comprensione della realtà. Tra gatti che non sono né vivi né morti, particelle che assumono proprietà “magiche” e dualità onda-particella, questo campo della fisica continua a sorprendere e, soprattutto, a mettere in discussione i principi fondamentali che regolano l’universo macroscopico. In particolare, un nuovo studio, ispirato al celebre sorriso dello Stregatto, anche detto gatto del Cheshire, è emerso come uno dei più intriganti esperimenti mentali mai proposti, portando con sé implicazioni profonde su come interpretiamo la natura delle particelle e le loro proprietà.
I gatti e la fisica quantistica: una lunga relazione
La fisica, nel corso della sua storia, ha avuto una curiosa ossessione per i gatti. James Clerk Maxwell, uno dei padri dell’elettrodinamica, studiava i felini che cadevano per cercare di comprendere come riuscissero a ruotare su se stessi e atterrare sulle zampe. Altri, invece, utilizzavano pellicce di gatto e aste di gomma per dimostrare il fenomeno dell’elettricità statica, che ancora oggi è usato come esempio didattico. Il caso più celebre, però, rimane senza dubbio l’esperimento mentale del gatto di Schrödinger, che illustra la natura probabilistica della meccanica quantistica: in esso, un gatto può trovarsi simultaneamente in uno stato di vita e di morte, fino a quando non viene osservato.
Non stupisce quindi che, nel 2013, un gruppo di fisici abbia scelto ancora una volta un felino come protagonista di un nuovo fenomeno quantistico, presentato nel loro studio pubblicato sul New Journal of Physics. I ricercatori hanno descritto un fenomeno bizzarro in cui alcune proprietà di una particella sembrano separarsi dal corpo principale della particella stessa, proprio come il sorriso del gatto del Cheshire, descritto da Lewis Carroll nel celebre Alice nel Paese delle Meraviglie. Nella narrazione, il gatto può scomparire lasciando dietro di sé solo un sorriso, un’immagine che è stata utilizzata per descrivere un curioso effetto quantistico: “In questo articolo presentiamo uno Stregatto quantistico. In un esperimento pre e post-selezionato, troviamo il gatto in un posto e il suo sorriso in un altro. Il gatto è un fotone, mentre il sorriso è la sua polarizzazione circolare“, recita l’abstract dello studio.
Il fenomeno dello Stregatto quantistico
L’idea di una particella che si separa dalle sue proprietà sembrava fin troppo fantastica, eppure, l’esperimento proposto sembrava dimostrare proprio questo. Il fotone, ossia la particella di luce, rappresentava il “corpo” del gatto, mentre la polarizzazione – una proprietà legata alla direzione in cui l’onda elettromagnetica oscilla – era il sorriso. In modo simile al sorriso del gatto che si separa dal suo corpo, i ricercatori affermavano di poter misurare la polarizzazione su un percorso e il fotone su un altro, come se le due entità fossero distinte. Tuttavia, come spesso accade in fisica quantistica, questa affascinante idea non ha convinto tutti. Alcuni fisici hanno accolto con scetticismo la scoperta, pur non mettendo in discussione il rigore matematico o la validità sperimentale. L’obiezione principale riguardava l’interpretazione dei risultati. “Mi sembra un po’ audace parlare di trasmissione disincarnata“, ha dichiarato Holger Hofmann, fisico presso l’Università di Hiroshima, “dovremmo invece rivedere la nostra concezione di particelle“.
Un dibattito che si intensifica
La teoria dello Stregatto quantistico, proposta originariamente da Yakir Aharonov, ha dato il via a una serie di esperimenti volti a testare questo fenomeno, ma non senza sollevare critiche. “Nessuno capisce veramente la meccanica quantistica. È così controintuitiva. Conosciamo le sue leggi, ma siamo costantemente sorpresi dai suoi risultati“, afferma Sandu Popescu, fisico dell’Università di Bristol, che ha collaborato con Aharonov all’articolo del 2013 e ai nuovi sviluppi.
Nel corso degli ultimi anni, Aharonov ha continuato a sviluppare l’idea del gatto del Cheshire quantistico, esplorando le modalità con cui le proprietà quantistiche possono separarsi dal corpo delle particelle in modo coerente con le leggi della fisica quantistica. Recentemente, un nuovo studio pubblicato sul server di prestampa arXiv.org ha proposto una spiegazione teorica più approfondita del fenomeno, dimostrando che alcune proprietà quantistiche possono effettivamente “muoversi” attraverso lo spazio senza il veicolo di una particella – come un sorriso che vaga disincarnato nel mondo quantistico.
Le sorprese della meccanica quantistica
Alla base di tutto, la meccanica quantistica si fonda su un principio essenziale: nulla può essere predetto con certezza assoluta. In fisica classica, ogni esperimento ripetuto nelle stesse condizioni produce invariabilmente lo stesso risultato, ma nel regno quantistico la situazione è ben diversa. Anche eseguendo lo stesso esperimento nelle stesse identiche condizioni, i risultati possono variare, e l’unica cosa che possiamo fare è prevedere il risultato con una certa probabilità. Questo aspetto fondamentale della meccanica quantistica rappresenta uno degli ostacoli principali nella comprensione intuitiva del comportamento delle particelle subatomiche.
Aharonov, però, non si è mai accontentato di questa incertezza, e negli ultimi decenni ha sviluppato un metodo per studiare i processi fondamentali della meccanica quantistica, sfruttando misurazioni effettuate sia prima che dopo un esperimento. “Per fare questo, devi capire il flusso del tempo nella meccanica quantistica“, spiega Popescu. “Abbiamo sviluppato un metodo completamente nuovo per combinare le informazioni provenienti dalle misurazioni effettuate prima e dopo l’esperimento, permettendoci di osservare il comportamento delle particelle in modi che prima non erano possibili“.
L’esperimento dello Stregatto quantistico quantistico
Il fulcro dell’esperimento che ha dato origine al concetto di Stregatto quantistico è l’uso di un interferometro, uno strumento ottico che permette di separare il percorso di una particella in due rami distinti. In questo contesto, Aharonov e i suoi colleghi hanno ipotizzato che fosse possibile dimostrare che una particella percorre un certo cammino, mentre una sua proprietà, come la polarizzazione, segue un percorso diverso. Così come il sorriso del gatto del Cheshire si separa dal suo corpo, anche le proprietà delle particelle potevano viaggiare indipendentemente dalla particella stessa.
Il primo esperimento che ha cercato di verificare questa teoria è stato condotto da Tobias Denkmayr alla Vienna University of Technology nel 2014. Utilizzando neutroni all’interno di un interferometro, il team ha osservato che le particelle neutre seguivano un percorso, mentre il loro spin – una proprietà che descrive il momento angolare della particella – seguiva un altro. Questo ha fornito le prime prove sperimentali a favore del fenomeno del gatto del Cheshire. In seguito, Maximilian Schlosshauer, dell’Università di Portland, ha replicato con successo l’esperimento utilizzando fotoni, mostrando che anche le particelle di luce potevano seguire percorsi diversi rispetto alla loro polarizzazione.
Critiche e alternative: la dualità onda-particella
Nonostante gli entusiasmanti risultati, non tutti i fisici sono d’accordo con l’interpretazione proposta. “Una tale separazione non ha senso. La posizione di una particella è di per sé una proprietà della particella“, afferma Hofmann. “Sarebbe più corretto parlare di una correlazione insolita tra la posizione e la polarizzazione della particella“. Hofmann e il suo team hanno avanzato un’interpretazione alternativa basata su fenomeni quantistici già noti, mettendo in dubbio che sia possibile una vera e propria separazione tra particella e proprietà.
Anche Pablo Saldanha, dell’Università Federale di Minas Gerais, ha proposto una spiegazione diversa. Secondo lui, il comportamento osservato negli esperimenti può essere spiegato con la dualità onda-particella, un principio della meccanica quantistica secondo cui le particelle possono comportarsi sia come particelle discrete che come onde. “Se si adottauna visione in cui le particelle sono descritte come onde quantistiche, è possibile interpretare i risultati senza dover ricorrere a concetti di separazione tra particella e proprietà“, spiega Saldanha. “Dobbiamo essere cauti nel trarre conclusioni troppo audaci da questi esperimenti“.
Che si tratti di una vera separazione o di una correlazione quantistica più complessa, il fenomeno dello Stregatto quantistico rappresenta un capitolo affascinante nel libro della fisica quantistica.
