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FISICA/ Gatti semivivi, biglie che si sdoppiano e altre stranezze da Nobel

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Un'immagine dell'infinitamente piccolo (Foto: Infophoto)  Un'immagine dell'infinitamente piccolo (Foto: Infophoto)

Due anni fa il fisico francese Serge Haroche è stato ospite per un seminario all’Università degli Studi di Milano e ha raccontato delle sue ricerche e dei suoi esperimenti sul gatto di Schrodinger e altre stranezze quantistiche, che lui era riuscito a rendere un po’ meno strane. L’impatto sugli allievi di Stefano Forte è stato enorme tanto da convincere il docente milanese a tuffarsi sul libro del collega transalpino e a concludere il suo corso di meccanica quantistica proprio con la descrizione dell’esperimento di Haroche. È comprensibile quindi l’entusiasmo di Forte per il verdetto della Accademia Reale Svedese che ieri ha assegnato il premio Nobel 2012 per la Fisica ad Haroche, insieme allo statunitense David Wineland, “per la misurazione e la manipolazione di singoli sistemi quantistici”.
Professor Forte, perché è così difficile misurare e manipolare i sistemi quantistici?
La meccanica quantistica ha tutta una serie di aspetti paradossali: il problema è che questi spariscono nel momento in cui si fa una misura sul sistema. Un esempio classico è quello del cosiddetto “gatto di Schrodinger”, che si rifà agli esperimenti ideali proposti dal grande fisico austriaco: il “gatto” è un oggetto, o meglio, è una metafora per un oggetto quantistico che esiste nella sovrapposizione di più stati; il che significa che ha simultaneamente proprietà diverse; nel caso estremo, il gatto può essere simultaneamente vivo e morto. Nel caso di un reale sistema fisico, come gli oggetti utilizzati da Haroche nei suoi esperimenti, si tratta di fotoni (cioè quanti di luce). che hanno simultaneamente più stati di polarizzazione. In poche parole, mentre un oggetto classico o ha una proprietà o non ce l’ha, o è in un posto o in un altro, un oggetto quantistico è in una sovrapposizione di posti ma nel momento in cui io eseguo la misura perde questa proprietà e assume con una certa distribuzione di probabilità la caratteristica di essere in uno dei tanti posti in cui potrebbe essere. Sempre nel caso del gatto, nel momento in cui vado a vederlo, o è vivo o è morto.
E che cosa ha fatto Haroche?
Haroche è riuscito a fabbricare degli insiemi, chiamati stati coerenti, di molti fotoni (dai 5 al 20 fotoni) che insieme costituiscono un oggetto che non è più un sistema quantistico singolo, pur non essendo macroscopico come un gatto, e dove si mantengono le proprietà di coerenza dell’oggetto quantistico. Questo insieme riesce a preservare alcune delle proprietà quantistiche più paradossali, come quella di essere in una sovrapposizione di stati.
Ma come si fa a riconoscere questa contemporaneità?
Si riesce a far veder che gli stati sono compresenti perché interferiscono tra loro. Il sistema quindi ha delle proprietà che classicamente sarebbero inconciliabili ma che qui convivono. Dopo di che, quando viene fatta la misura finale, si può verificare che la meccanica quantistica è corretta e di nuovo il sistema precipita in uno degli stati: fino a quel momento però mantiene le proprietà sovrapposte. Per fare un esempio facile: è come avere una biglia che percorre un canale che si biforca; una biglia classica può andare o a destra o a sinistra, una quantistica, pur essendo unica, va contemporaneamente in entrambe le canaline e quando le due si ricongiungono, le due parti di biglia interferiscono tra loro. Questo esempio dà un’idea di uno degli esperimenti eseguiti da Haroche.
Dove sta la genialità delle soluzioni ideate da Haroche e Wineland?
La loro genialità è stata nel trovare la soluzione tecnologica giusta per riprodurre il fenomeno; in particolare Haroche ha sviluppato la fisica delle cavità (simili a quelle utilizzate negli acceleratori di particelle) realizzando dei sistemi con una gran quantità di fotoni mantenuti in equilibrio e poi estratti e manipolati tramite campi elettromagnetici fino a formare degli stati di sovrapposizione di un numero limitato di fotoni. Possiamo dire che Haroche è il padre dell’elettrodinamica quantistica nella cavità.
I lavori dei due nuovi premiati si sono sviluppati in modo indipendente ma hanno una curiosa simmetria: il francese ha fatto misure di luce usando atomi, l’americano ha misurato ioni (atomi carichi) usando luce. C’è una logica in questo?



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