prospettive
Astri & particelle
Un universo quantistico
I
di Roberto Battiston
NASA, ESA, Richard Ellis (Caltech) e Jean-Paul Kneib (Observatoire Midi-Pyrenées)
Professore ordinario
di fisica generale
all’Università di Perugia
esperimenti in grande.
Probabilmente in futuro sarà possibile
realizzare esperimenti come quello
della doppia fenditura, per verificare
il dualismo onda/particella, sfruttando
fenomeni come le lenti gravitazionali.
Nella foto, la lente gravitazionale
osservata dall’Hubble Space
Telescope nell’ammasso di galassie
Abell 2218.
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l principio di indeterminazione è uno dei pilastri della fisica moderna, ma non è facile da
comprendere. Parafrasando Richard Feynman,
chiunque pensi di avere capito la meccanica quantistica non l’ha capita abbastanza da capire di non
averla capita. Tutte le volte che cerchiamo di interpretarla con concetti derivanti dalla meccanica
classica ci imbattiamo, infatti, in contraddizioni,
paradossi, problemi di linguaggio.
Prendiamo l’esperimento dell’interferenza di un
fotone che attraversa una doppia fenditura. Dopo
aver inviato una grande quantità di fotoni su uno
schermo posto dietro le fenditure si forma una figura di interferenza tipica di un’onda, a patto che
non vi sia stato nessun tentativo di determinare da
quale delle due fenditure il
singolo fotone sia passato.
In caso contrario il fotone
si comporta come un corpuscolo passato attraverso
l’una o l’altra fessura e l’interferenza sparisce.
Nel 1983 John Wheeler,
recentemente scomparso
all’età di 96 anni, osservò
che era possibile influenzare il comportamento onda/
corpuscolo agendo non sul
percorso, ma sullo schermo
ricevente. A seconda che
lo schermo sia un sensore
composto da tanti elementi
fotosensibili senza capacità
direzionale o sia invece composto da tanti elementi
telescopici in grado di puntare verso una delle due
fenditure, viene o meno rivelata una figura di interferenza. Ma questo rimane vero anche se decido di cambiare il tipo di schermo dopo che il fotone
ha attraversato le fenditure, ragion per cui questi
esperimenti sono detti a «scelta ritardata».
Interpretato con la nozione classica di traiettoria tutto questo è illogico, ma è proprio ciò che
accede sperimentalmente, e ci dobbiamo mettere
l’anima in pace oppure pensare in modo diverso
alle proprietà del reale: i risultati degli esperimenti
in laboratorio confermano le predizioni della meccanica quantistica.
In futuro sarà possibile realizzare osservazioni
analoghe usando lenti gravitazionali e lavorando
con distanze di miliardi di miliardi di metri e tempi di miliardi di anni. Per esempio, quando la luce
di una galassia lontana è deflessa da un buco nero
si creano immagini multiple, corrispondenti a percorsi diversi seguiti da raggi luminosi provenienti
da uno stesso oggetto. Come nel caso della doppia
fenditura, a seconda che si usi come schermo uno
strumento in grado di puntare o meno a una delle
immagini si dovrebbe osservare o meno un comportamento corpuscolare. Appare evidente che la
scelta del tipo schermo viene fatta molto ma molto
dopo il passaggio della luce nella lente: eppure la
risposta osservata oggi sembra forzare un comportamento ondulatorio o corpuscolare avvenuto un
miliardo di anni fa.
Per realizzare questo esperimento è necessario
pareggiare i percorsi aggiungendo ritardi temporali adeguati (ore, giorni).
Un’alternativa raffinata
è stata proposta recentemente, sfruttando di
nuovo il principio di indeterminazione, ma questa
volta tra energia e tempo.
Se determino la frequenza
della radiazione incidente
con estrema precisione, ne
determino l’energia, ma
contestualmente perdo il
controllo dell’istante in
cui il fotone è arrivato: nel
caso delle frequenze radio,
questa incertezza temporale può raggiungere centinaia di secondi, quanto
basta per proporre un esperimento a scelta ritardata
che sarà effettuato con il radiotelescopio usato dal
progetto SETI per la ricerca di segnali radio extraterrestri.
Un’italiana per gli astronauti ESA
Il Consiglio dell’ESA ha approvato la nomina di
Simona Di Pippo a capo del direttorato per il volo
umano. È un ruolo prestigioso, da cui dipende il
corpo astronauti dell’ESA (che tra l’altro ha appena bandito un concorso per la selezione di nuovi
astronauti) e le relative missioni spaziali, oggi sulla Stazione spaziale internazionale, domani sulla
Luna o su Marte. Simona ha una lunga esperienza
all’ASI, dove ha diretto la sezione per l’osservazione dell’universo, ed è molto apprezzata a livello
internazionale. Le facciamo i migliori auguri di
buon lavoro.
LE SCIENZE 25
