Fisica Quantistica

Quanti ad ogni scala

Nella scienza odierna è diffusa l’idea è che la meccanica quantistica sia una teoria utile solo nella comprensione dell’universo alle scale più piccole. La sua validità sembra essere legata al solo mondo degli atomi, delle particelle elementari e delle molecole mentre quando parliamo di macro oggetti come piante, persone e pianeti quello che vale è solo la fisica classica che comprende tutto ciò che non è meccanica quantistica comprendendo anche la relatività generale.

Il confine tra meccanica e fisica classica è opinione comune sia fittizio in quanto la fisica classica viene vista come una approssimazione della meccanica quantistica e che i suoi effetti siano visibili solo alle microscale non dipende dalle dimensioni ma da come i sistemi quantistici interagiscono. Recenti studi hanno confermato invece che invece effetti quantistici influenzino anche le nostre cellule, in un modo che va oltre la nostra capacità di visualizzazione ed il senso comune.

schrodinger gatto vivo mortoUno dei primi tentativi di conciliare effetti quantistici con realtà quotidiana percepita, è stato fatto da Schrodinger nel 1935, col suo gatto, dove l’ambiguità del decadimento dell’atomo è legata a quella del gatto sia vivo sia morto. Perché noi vediamo i nostri gatti o vivi o morti?
La ricerca ha risposto a questa domanda dando la colpa al processo noto come Decoerenza Quantistica, che ci dice che l’informazione sullo stato del sistema che ci arriva è quella prodotta da fotoni e calore tramite quindi la meccanica classica, quella prodotta dagli effetti quantistici si perde e più i soggetti sono grandi più sono soggetti a questa perdita. Come vedremo in seguito, ci sono casi in cui questa perdita di informazione può essere rallentata.

Sempre Schrodinger nel 1935 definì l’entanglement: in un sistema classico le proprietà dell’intero sistema derivano di solito, dalle proprietà delle sue singole parti, questo però non vale per un sistema entagled perché le singole parti anche se divise e poste lontane si comporteranno come un’unica entità. Le particelle entagled per eccellenza sono gli elettroni. Per la meccanica quantistica una coppia di elettroni hanno la stessa probabilità di ruotare sia in senso orario che in senso antiorario, non avendo in apparenza un asse di rotazione costante (verticale o orizzontale) ed il sistema ha momento angolare totale è nullo. Per la fisica classica la coppia di elettroni ruotano attorno ad un asse orizzontale costante ma in direzioni opposte e il momento angolare totale del sistema è nullo proprio come nel caso della meccanica quantistica. Le misurazioni quindi coincidono ma la fisica classica non è in grado di spiegarne il motivo.

Quando si osservano grandi insiemi di particelle sappiamo che tra di loro ci sono maggiori probabilità di entenglement perdendo/nascondendo le loro caratteristiche quantistiche. Questa perdita di informazioni è causata sempre dal fenomeno della decoerenza. Il problema per chi vuole utilizzare questi fenomeni quantistici, ad esempio nei computer quantistici, è mantenere l’entaglement cercando di contrastare o rallentare il fenomeno di decoerenza. Nel 2003, Gabriel Aeppli del University College di Londra, ha usato dei solai di fluoruro di litio immersi in un campo magnetico. Gli atomi di sale, immaginabili come dei dipoli magnetici, quando vengono immersi nel campo, tendono ad allinearsi ad esso variando. Variando l’intensità di questo campo Aeppli ha misurato la velocità di allineamento degli atomi ed ha notato una velocità maggiore di quella dovuta al solo allineamento da suscettibilità magnetica e alle reciproche interazione degli atomi, ipotizzando appunto che la causa di questa maggiore velocità sia causata dal loro stato entagled. Successivamente il fisico brasiliano A. M. De Souza, del Centro Brasileiro De Pasquisas Fisicas di Rio de Janeiro e altri hanno osservato l’entenglement a dimensioni e temperature più alte limitandosi però a sistemi formati da pochi atomi.

Ovviamente i due casi di ricerca riportati sopra non sono gli unici, riporto qui sotto forma di tabella una raccolta di alcuni degli studi più importanti:

COSA QUANDO °K (°C)
Figura di interferenza per il Fullerene, prima dimostrazione delle proprietà d’onda di una molecola. 1999 900-1000
(626-726)
Entanglement di 10E14 atomi dedotto dalla suscettibilità magnetica di carbossilati metallici. 2009 630
(356)
Scoperta di un aumentata efficienza della fotosintesi dovuto ad effetti quantistici di due alghe marine 2010 294
(20)
Osservati effetti quantistici di molecole tentacolari di 430 atomi 2011 240-280
(-33 – +6,8)
Tre Bit quantistici entagled in un circuito superconduttivo 2010 0,1
(-273,05)
Oscillazione forzata di una tavoletta di 40 micro-metri (appena visibile) a 2 frequenze diverse. 2010 25 mK
(-273,125)
Catena entagled di 8 ioni di calcio confinati 2005 0,1 mK
(-273,1499)
Moto vibrazionale entagled di ioni di berilio e magnesio 2009 0,1 mK
(-273,1499)

Altri esperimenti hanno poi cercato di fruttare le stesse idee in sistemi macroscopici con grandi quantità di atomi entagled ed in stati inaccessibili alla fisica classica. Un sistema tra questi considerato tra i più speciali è: la Vita.

Pettirosso da ornitocultura_comE’ noto che ogni anno i pettirossi percorrono 13000 km migrando dalla scandinavia fino all’africa in ricerca di climi più miti per tornare indietro in primavera. La domanda che molti si fanno è come sia possibile che riescano a percorrere tutti quei km con naturalezza e soprattutto senza perdersi.
Negli anni 60, i coniugi Wiltschko dell’università di Francoforte, immergendo in un campo magnetico degli uccelli migratori, invertendo la polarità del campo, hanno notato che gli animali erano indifferenti a tale cambiamento mentre erano stimolati dalla variazione dell’inclinazione delle linee di campo che essendo sufficienti ad orientarsi correttamente nella navigazione sono la spiegazione della loro “guida” per tutti quei kilometri di migrazione. Bendandoli però notarono come essi perdessero questa capacità di percezione del campo dimostrando quindi la dipendenza di questa capacità dalla visione e quindi come in qualche modo è come se gli uccelli migratori riescano a vedere il campo magnetico terrestre. Nel 2000 il fisico Thorsten Ritz cercò di spiegare il fenomeno attraverso l’entenglement. Basandosi su recenti studi di K. Schulten dell’università dell’Illinois, Ritz spiega come nelle cellule dell’occhio degli uccelli migratori sia presente una coppia di elettroni entagled con momento angolare totale nullo. La molecola in cui si trovano quando riceve luce ottiene sufficiente energia per separarli e quindi renderli sensibili alla variazione di inclinazione del campo magnetico terrestre, creando poi una reazione chimica che produce a livello neurologico un immagine del campo magnetico. Successivamente C.T. Rogers e K. Maeda dell’università di Oxford hanno dimostrato la validità della spiegazione di Ritz su altre molecole in laboratorio quindi non all’interno degli animali. Hanno quindi osservato come la durata degli effetti quantistici è doppia rispetto a quella degli effetti quantistici in un sistema elettronico quantistico artificiale. Questo potrebbe aiutare nel risolvere in parte la questione della decoerenza nei computer quantistici.

Un altro esempio fenomeno quantistico ad alta efficienza che riscontriamo in sistemi a scale ben più grandi di quelle atomiche è quello della fotosintesi nelle piante ma anche questo fenomeno non è spiegabile con la fisica classica.

Quello che abbiamo capito è che l’enteglement è un fenomeno che dovrebbe durare solo pochi istanti e dovrebbe riguardare solo sistemi con meno di 100000 atomi, ma gli esperimenti che e le osservazione descritte fin ora ci portano invece a domandarci se esistono in natura altri esempi di dimensione e durata maggiori. Ancora non c’è una risposta ma una nuova disciplina, la biologia quantistica, se ne sta occupando.

Negli anni 80 R. Penrose relega la meccanica quantistica a sistemi con massa minore di 20 micro-grammi a causa della gravità mentre 3 fisici italiani Giancarlo Ghirardi, Tullio Weber e Alberto Rimini hanno ipotizzato che grandi sistemi di particelle rispondono spontaneamente solo alla fisica classica. Ora però grazie agli studi di biologia quantistica queste divisioni iniziano a vacillare. Il fatto che la meccanica quantistica potrebbe essere valida a tutte le scale ci obbliga ad affrontare i temi più profondi di questa teoria. L’entenglement è uno degli effetti quantistici principali e la presenza di spazio e tempo a differenza della fisica classica è nel suo caso un fattore secondario. Dobbiamo quindi considerare lo spazio ed il tempo come grandezze che emergono da una fisica priva di tempo e spazio. Questa intuizione potrebbe contribuire a conciliare la meccanica quantistica e la relatività generale che fin ora sono rimaste nel loro impianto teorico e sperimentale divise appunto da “scale di applicabilità” diverse e lontane. E’ anche vero che il collega di Penrose, Stephen Hawking, sostiene che la relatività generale dovrà essere sostituita da una teoria più profonda in cui tempo e spazio non esistono e lo spazio-tempo emergerebbe dall’entenglement quantistico attraverso il fenomeno della decoerenza. Negli anni 70, il fisico nucleare A. Sacharov, ipotizzò che la gravità sia un forza indotta da fluttuazioni quantistiche di altre forze presenti nell’universo. Se fosse confermata tale ipotesi, gli sforzi di quantizzare la gravità (gravità quantistica) sarebbero inutili perdendo senso perché non esisterebbe a livello quantistico.

Tutte queste ipotesi che cercano di spiegare come la meccanica quantistica sia applicabile a tutte le scale dei fenomeni naturali a noi conosciuti sono ancora da verificare ed esplorare mantenendo i fisici e molti altri scienziati in uno stato entagled di stupore e meraviglia.

Riferimenti:

– Vivere in un mondo quantistico, Vlatko Vedral, Le Scienze, Agosto 2011.

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