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Una teoria che spiega come la teoria dei quanti può dare origine alla realtà oggettiva e classica

Tre esperimenti hanno verificato il darwinismo quantistico, una teoria che spiega come le possibilità quantistiche possano dare origine alla realtà oggettiva e classica. Il mondo in cui viviamo sicuramente non sembra quantistico. E fino al 20 ° secolo, tutti presumevano che le leggi classiche della fisica ideate da Isaac Newton e altri, secondo le quali gli oggetti hanno posizioni e proprietà ben definite in ogni istante, avrebbero funzionato su ogni scala. Ma Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr e i loro contemporanei scoprirono che tra gli atomi e particelle subatomiche, questa concretezza si dissolve in un mare di possibilità. Ad un atomo in genere non può essere assegnata una posizione definita, ad esempio: possiamo semplicemente calcolare la probabilità di trovarlo in vari luoghi. La domanda irritante quindi diventa:

In che modo le probabilità quantistiche si manifestano nel mondo classico?

I fisici a volte parlano di questo passaggio come della “transizione quantistica-classica”. Ma in realtà non c’è motivo di pensare che il grande e il piccolo abbiano regole fondamentalmente diverse o che ci sia un improvviso passaggio. Negli ultimi decenni, i ricercatori hanno raggiunto una maggiore comprensione di come la meccanica quantistica diventi inevitabilmente meccanica classica attraverso un’interazione tra una particella o un altro sistema microscopico e il suo ambiente circostante.

Una delle idee più notevoli in questo quadro teorico è che le proprietà definite degli oggetti che associamo alla fisica classica, posizione e velocità, sono selezionate da un’insieme di possibilità quantistiche in un processo vagamente analogo alla selezione naturale in evoluzione: le proprietà che sopravvivono sono in qualche modo le “più adatte”. Come nella selezione naturale, i sopravvissuti sono quelli che fanno più copie di se stessi. Ciò significa che molti osservatori indipendenti possono effettuare misurazioni di un sistema quantistico e concordane il risultato, un segno distintivo del comportamento classico.

Questa idea, chiamata darwinismo quantistico (QD), spiega molto sul perché sperimentiamo il mondo nel modo in cui lo facciamo piuttosto che nel modo peculiare in cui si manifesta su scala atomica e a livello di particelle fondamentali. Sebbene alcuni aspetti del puzzle rimangano irrisolti, la QD aiuta a chiarire l’apparente spaccatura tra fisica quantistica e fisica classica.

darwinismo quantistico

Solo di recente, il darwinismo quantistico è stato messo alla prova sperimentale. Tre gruppi di ricerca, che lavorano in modo indipendente in Italia, Cina e Germania, hanno cercato la prova rivelatrice del processo di selezione naturale mediante il quale le informazioni su un sistema quantistico vengono ripetutamente impresse su vari ambienti controllati. Questi test sono ancora rudimentali e gli esperti affermano che c’è molto da lavorare prima di poter essere certi che la QD fornisca l’immagine giusta di come la nostra realtà concreta condensa dalle molteplici opzioni offerte dalla meccanica quantistica. Eppure finora, la teoria verifica tale ipotesi.

Sopravvivenza del più adatto

Il cuore del darwinismo quantistico è la nozione sfuggente di misura, il processo di osservazione. Nella fisica classica ciò che vedi è semplicemente come stanno le cose. Osserva una palla da tennis che viaggia a 200 Km/h perché è la sua velocità. Cos’altro c’è da dire?

Nella fisica quantistica non è più vero. Non è affatto ovvio cosa dicono le procedure matematiche formali della meccanica quantistica su “come stanno le cose” in un oggetto quantistico; sono solo una prescrizione che ci dice cosa potremmo vedere se effettuassimo una misura. Prendiamo ad esempio il modo in cui una particella quantistica può avere un’insieme di possibili stati, nota come “sovrapposizione”. Ciò non significa che sia in più stati contemporaneamente; ma significa che se effettuiamo una misura vedremo uno di questi risultati. Prima della misura, i vari stati sovrapposti interferiscono l’uno con l’altro in modo ondulato, producendo risultati con probabilità più alte o più basse.

Ma perché non possiamo vedere una sovrapposizione quantistica? Perché tutte le possibilità per lo stato di una particella non sopravvivono fino a scala umana?

La risposta spesso data è che le sovrapposizioni sono fragili, facilmente interrompibili quando un delicato sistema quantistico è schiacciato dal suo ambiente rumoroso. Ma non è del tutto esatto. Quando due oggetti quantici interagiscono, si “intrecciano” tra loro, entrando in uno stato quantico condiviso in cui le possibilità per le loro proprietà sono interdipendenti. Quindi diciamo che un atomo viene messo in una sovrapposizione di due possibili stati per la proprietà quantistica chiamata spin: “su” e “giù”. Ora l’atomo viene rilasciato nell’aria, dove si scontra con una molecola d’aria e si impiglia. I due sono ora in una sovrapposizione congiunta. Se l’atomo viene ruotato, la molecola dell’aria potrebbe essere spinta in un modo, mentre, se l’atomo viene ruotato, la molecola dell’aria va in un altro modo e queste due possibilità coesistono.

Man mano che le particelle subiscono ancora più collisioni con altre molecole d’aria, l’entanglement si diffonde e la sovrapposizione inizialmente specifica per l’atomo diventa sempre più diffusa. Gli stati sovrapposti dell’atomo non interferiscono più coerentemente l’uno con l’altro perché ora sono intrappolati con altri stati nell’ambiente circostante incluso, forse, qualche nostro strumento di misura.

darwinismo quantistico

A quel dispositivo di misura, sembra che la sovrapposizione dell’atomo sia svanita e sia stata sostituita da un’insieme di possibili risultati di tipo classico che non interferiscono più tra loro. Questo processo attraverso il quale la “quantumness” scompare nell’ambiente è chiamato decoerenza. È una parte cruciale della transizione quantistica-classica, che spiega perché il comportamento quantistico diventa difficile da vedere in grandi sistemi con molte particelle interagenti. Il processo avviene estremamente velocemente.

Se un tipico granello di polvere fluttuante nell’aria fosse posto in una sovrapposizione quantistica di due diverse posizioni fisiche separate da circa la larghezza del grano stesso, le collisioni con molecole d’aria causerebbero la decoerenza, rendendo la sovrapposizione non rilevabile in circa 10 −31 secondi. Anche nel vuoto, i fotoni di luce innescerebbero una tale decoerenza molto rapidamente: non si può guardare il grano senza distruggere la sua sovrapposizione.

Sorprendentemente, sebbene la decoerenza sia una conseguenza diretta della meccanica quantistica, fu identificata solo negli anni ’70, dal fisico tedesco Heinz-Dieter Zeh. Il fisico polacco-americano Wojciech Zurek sviluppò ulteriormente l’idea nei primi anni ’80 e ce la fece conoscere meglio.  Così ora abbiamo un buon supporto sperimentale.

Ma per spiegare l’emergere della realtà oggettiva, classica, non è sufficiente dire che la decoerenza ripulisce il comportamento quantico e lo fa apparire classico a un osservatore. In qualche modo, è possibile che più osservatori siano d’accordo sulle proprietà dei sistemi quantistici. Zurek, che lavora al Los Alamos National Laboratory nel New Mexico, sostiene quindi che due cose devono essere vere.

In primo luogo, i sistemi quantistici devono avere stati che sono particolarmente robusti di fronte alla disgregazione dirompente da parte dell’ambiente. Zurek chiama questi “stati del puntatore”, perché possono essere codificati nei possibili stati di un puntatore sul quadrante di uno strumento di misura. Una posizione particolare di una particella, ad esempio, la sua velocità, il valore della sua rotazione quantica o la sua direzione di polarizzazione può essere registrata come posizione di un puntatore su un dispositivo di misura. Zurek sostiene che il comportamento classico, l’esistenza di proprietà ben definite, stabili e oggettive è possibile solo perché esistono stati puntatori di oggetti quantistici.

darwinismo quantistico
Wojciech Zurek, un fisico teorico del Los Alamos National Laboratory nel New Mexico, negli anni 2000 ha sviluppato la teoria quantistica del darwinismo per spiegare l’emergere di una realtà oggettiva e classica.

La particolarità matematica degli stati dei puntatori è chenon vengono confusi dalle interazioni che inducono la decoerenza con l’ambiente: o lo stato del puntatore viene preservato o viene semplicemente trasformato in uno stato che sembra quasi identico. Ciò implica che l’ambiente non schiaccia indiscriminatamente la quantita’ ma seleziona alcuni stati mentre ne distrugge altri. Per esempio la posizione di una particella è resistente alla decoerenza. Le sovrapposizioni di posizioni diverse, tuttavia, non sono stati di puntatore: le interazioni con l’ambiente li decodificano in stati di puntatore localizzati, in modo che solo uno possa essere osservato.

Zurek descrisse questa “superselezione indotta dall’ambiente” di stati puntatori negli anni ’80.

Ma c’è una seconda condizione che una proprietà quantistica deve soddisfare per essere osservata. Sebbene l’immunità all’interazione con l’ambiente assicuri la stabilità di uno stato puntatore, in qualche modo dobbiamo comunque ottenere le informazioni al riguardo.

Possiamo farlo solo se viene impresso nell’ambiente dell’oggetto. Quando vedi un oggetto, ad esempio, quell’informazione viene trasmessa alla tua retina dai fotoni che si disperdono da esso. Ti portano informazioni sotto forma di una replica parziale di alcuni aspetti dell’oggetto, dicendo qualcosa sulla sua posizione, forma e colore. Molte repliche sono necessarie se molti osservatori devono concordare un valore misurato, un segno distintivo della classicità. Pertanto, come sostenuto da Zurek negli anni 2000, la nostra capacità di osservare alcune proprietà dipende non solo dal fatto che sia selezionata come stato puntatore, ma anche su quanto sia sostanziale l’impronta ambientale. Gli stati che sono i migliori nella creazione di repliche nell’ambiente, i “più adatti”, si potrebbe dire che sono gli unici accessibili alla misurazione. Ecco perché Zurek chiama l’idea quantistica darwinismo.

Si scopre che la stessa proprietà di stabilità che promuove la superselezione indotta dall’ambiente di stati puntatori promuove anche l’idoneità darwiniana quantistica, o la capacità di generare repliche. “L’ambiente, attraverso i suoi sforzi di monitoraggio, decifra i sistemi”, ha affermato Zurek, “e lo stesso processo responsabile della decodificazione dovrebbe iscrivere più copie delle informazioni nell’ambiente”.

Sovraccarico di informazioni

Non importa, ovviamente, se le informazioni su un sistema quantistico che vengono impresse nell’ambiente vengono effettivamente lette da un osservatore umano; tutto ciò che conta per far emergere il comportamento classico è che le informazioni arrivino in modo che possano essere lette in linea di principio. “Un sistema non deve essere studiato in alcun senso formale” per diventare classico, afferma Jess Riedel , un fisico del Perimeter Institute for Theoretical Physics a Waterloo, in Canada, e un sostenitore del darwinismo quantistico. “Il QD spiega in modo putativo, o aiuta a spiegare, tutta la classicità, compresi gli oggetti macroscopici di tutti i giorni che non sono in laboratorio o che esistevano prima che esistessero umani.”

darwinismo quantistico
Un team guidato da Fedor Jelezko, direttore dell’Istituto di ottica quantistica dell’Università di Ulm in Germania, ha sondato lo stato di un “difetto” di azoto all’interno di un diamante sintetico (mostrato montato a destra) monitorando gli atomi di carbonio circostanti. I loro risultati hanno confermato le previsioni di una teoria nota come darwinismo quantistico.

Circa un decennio fa, mentre Riedel stava lavorando come studente laureato con Zurek, i due hanno dimostrato teoricamente che le informazioni provenienti da alcuni semplici sistemi quantistici idealizzati vengono “copiate in modo prolifico nell’ambiente”, sostiene Riedel, “quindi è necessario accedere solo a un una piccola quantità di ambiente per dedurre il valore delle variabili. ”Hanno calcolato che un granello di polvere lungo un micrometro, dopo essere stato illuminato dal sole per un solo microsecondo, avrà la sua posizione impressa circa 100 milioni di volte nei fotoni sparsi.

È a causa di questa ridondanza che esistono proprietà oggettive, di tipo classico. Dieci osservatori possono misurare la posizione di un granello di polvere e scoprire che si trova nella stessa posizione, poiché ognuno può accedere a una replica distinta delle informazioni. Sotto questo punto di vista, possiamo assegnare una “posizione” oggettiva al prosciutto non perché “abbia” tale posizione (qualunque cosa significhi) ma perché il suo stato di posizione può imprimere molte repliche identiche nell’ambiente, in modo che diversi osservatori possano raggiungere un consenso unanime.

Il terzo test sperimentale di QD, condotto dal fisico quantico-ottico Fedor Jelezko all’Università di Ulm in Germania in collaborazione con Zurek e altri, ha utilizzato un sistema e un ambiente molto diversi, costituito da un atomo di azoto solitario che sostituisce un atomo di carbonio nel cristallo reticolo di un diamante, un cosiddetto difetto di vuoto di azoto. Poiché l’atomo di azoto ha un elettrone in più rispetto al carbonio, questo elettrone in eccesso non può accoppiarsi con quelli sugli atomi di carbonio vicini per formare un legame chimico. Di conseguenza, l’elettrone spaiato dell’atomo di azoto agisce come una “trottola” solitaria, che è come una freccia che punta su o giù o, in generale, in una sovrapposizione di entrambe le direzioni possibili.

darwinismo quantistico

Questa rotazione può interagire magneticamente con quelle dello 0,3% circa dei nuclei di carbonio presenti nel diamante come l’isotopo carbonio-13, che, a differenza del carbonio-12 più abbondante, ha anch’esso rotazione. In media, ogni giro di vuoto di azoto è fortemente accoppiato a quattro spin di carbonio-13 entro una distanza di circa 1 nanometro.

Controllando e monitorando gli spin mediante laser e impulsi a radiofrequenza, i ricercatori hanno potuto misurare il modo in cui un cambiamento negli spin dell’azoto viene registrato dai cambiamenti negli spin nucleari dell’ambiente. Come riportato in un’articolo lo scorso settembre, anche loro hanno osservato la ridondanza caratteristica prevista da QD: lo stato della rotazione dell’azoto viene “registrato” come copie multiple nei dintorni e le informazioni sulla rotazione si satura rapidamente man mano che la maggior parte dell’ambiente aumenta.

Zurek afferma che, poiché gli esperimenti sui fotoni creano copie in modo artificiale che simula un ambiente reale, non incorporano un processo di selezione che rileva gli stati “naturali” del puntatore resistenti alla decoerenza. Piuttosto, i ricercatori stessi impongono gli stati del puntatore. Al contrario, l’ambiente diamante genera stati di puntatore. “Anche lo schema dei diamanti ha problemi, a causa delle dimensioni dell’ambiente”, ha aggiunto Zurek, “ma almeno è, beh, naturale.”

Generalizzare il darwinismo quantistico

Fin qui tutto bene per il darwinismo quantistico. “Tutti questi studi vedono quello che ci aspettavamo, almeno approssimativamente”, dice Zurek.

Riedel afferma che non potremmo aspettarci diversamente, però: a suo avviso, QD è in realtà solo l’applicazione attenta e sistematica della meccanica quantistica standard all’interazione di un sistema quantistico con il suo ambiente. Sebbene ciò sia praticamente impossibile da fare nella pratica per la maggior parte delle misurazioni quantistiche, se è possibile semplificare sufficientemente una misurazione, le previsioni sono chiare, ha affermato: “Il QD è più simile a un controllo interno di autoconsistenza sulla stessa teoria quantistica”.

Ma sebbene questi studi sembrino coerenti con il QD, non possono essere presi come prova che è la sola descrizione per fare emergere la classicità, o addirittura che è del tutto corretta. Per prima cosa, dice Cabello, i tre esperimenti offrono solo versioni schematiche di cosa consiste un ambiente reale. Inoltre, gli esperimenti non escludono chiaramente altri modi di vedere l’emergere della classicità. Una teoria chiamata “trasmissione dello spettro”, ad esempio, sviluppata da Pawel Horodecki presso l’Università di Tecnologia di Danzica in Polonia e collaboratori, tenta di generalizzare il QD. La teoria della trasmissione dello spettro (che è stata elaborata solo per alcuni casi idealizzati) identifica quegli stati di un sistema quantistico intrecciato e un ambiente che forniscono informazioni oggettive che molti osservatori possono ottenere senza disturbarli. In altre parole, mira a garantire non solo che osservatori diversi possano accedere alle repliche del sistema nell’ambiente, ma che così facendo non influenzino le altre repliche. Anche questa è una caratteristica delle misurazioni veramente “classiche”.

Horodecki e altri teorici hanno anche cercato di incorporare il QD in un quadro teorico che non richiede alcuna divisione arbitraria del mondo in un sistema e il suo ambiente, ma considera solo come la realtà classica può emergere dalle interazioni tra vari sistemi quantistici. Paternostro afferma che potrebbe essere difficile trovare metodi sperimentali in grado di identificare le distinzioni piuttosto sottili tra le previsioni di queste teorie.

Tuttavia, i ricercatori ci stanno provando e il tentativo stesso dovrebbe affinare la nostra capacità di sondare il funzionamento del regno quantico. “L’argomento migliore per eseguire questi esperimenti è probabilmente che sono un buon esercizio”, ha detto Riedel. “Illustrare direttamente il QD può richiedere alcune misurazioni molto difficili che spingeranno i confini delle tecniche di laboratorio esistenti”. L’unico modo in cui possiamo scoprire cosa significa realmente misurare, sembra, è fare misurazioni migliori.

Riferimenti

  1. Il darwinismo quantistico, un’idea per spiegare la realtà oggettiva, supera i primi test [ Quanta Magazine ]

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