Dubbi e conferme sulle teorie del mondo quantistico

Mentre le osservava, Couder si accorse che le goccioline incarnavano esattamente una visione pionieristica, e in gran parte dimenticata, del mondo quantistico formulata dal fisico francese Louis de Broglie.

Un secolo fa, de Broglie si rifiutò di rinunciare a una comprensione classica della realtà, anche se gli esiti inquietanti dei primi esperimenti sulle particelle suggerivano alla maggior parte dei fisici che la realtà, alla scala quantistica, non era come appariva.

L'”interpretazione di Copenaghen” standard della meccanica quantistica, proposta dal fisico danese Niels Bohr, ruppe con il passato dichiarando che alla scala quantistica nulla è “reale” finché non viene osservato.

I fatti, come le posizioni delle particelle, sono questioni puramente casuali, definite da un’onda di probabilità diffusa fino al momento della misurazione, quando l’onda collassa misteriosamente in un punto, su cui la particella salta, e una singola realtà prende forma. Negli anni venti, Bohr persuase la maggior parte dei suoi contemporanei ad abbracciare la stranezza di un universo probabilistico, l’intrinseca indeterminatezza della natura e la sconcertante dualità onda-particella di tutte le cose.

Ma alcuni fisici non erano d’accordo, fra cui Albert Einstein e de Broglie. Einstein dubitava che Dio “giocasse a dadi”. De Broglie insisteva che alla scala quantistica tutto era perfettamente normale ed entro i limiti. Così ideò una versione della teoria dei quanti che trattava sia gli aspetti ondulatori sia quelli particellari della luce, degli elettroni e di tutto il resto, come assolutamente tangibili.

La sua teoria dell'”onda pilota” contemplava particelle concrete, con posizioni sempre definite, guidate nello spazio da vere onde pilota – proprio come le onde che spingono le goccioline rimbalzanti di Couder.

Tuttavia, De Broglie non riuscì a definire la natura fisica dell’onda pilota ed ebbe difficoltà a estendere la sua descrizione a più di una particella. Alla celebre conferenza Solvay del 1927, un raduno di luminari organizzato per discutere il significato della meccanica quantistica, le idee più radicali di Bohr prevalsero.

Il modello del mondo quantistico basato sull’onda pilota di De Broglie era scarsamente ricordato 78 anni dopo, quando le gocce di Parigi iniziarono a rimbalzare. All’improvviso, Couder ecolleghi avevano un “sistema analogo” per esplorare sperimentalmente l’idea di de Broglie.

Immediatamente, hanno visto le goccioline eisibire comportamenti sorprendentemente simili a quelli quantistici: percorrevano solo certe orbite “quantizzate” attorno al centro dei loro bagni di liquido, per esempio, e talvolta saltavano casualmente tra le orbite, come fanno gli elettroni negli atomi. A Parigi e nei laboratori che studiavano il rimbalzo delle gocce creati ben presto al Massachusetts Institute of Technology e altrove, le goccioline sono state viste attraversare barriere e produrre altri fenomeni in precedenza ritenuti unicamente quantistici.

Riproducendo i fenomeni quantistici senza alcun mistero, gli esperimenti di rimbalzo delle gocce hanno riacceso in alcuni fisici il vecchio sogno di Broglie di una realtà alla scala quantistica che consiste di onde pilota e particelle invece che di onde di probabilità ed enigm

Ma dal 2015 una serie di risultati sulle gocce ha fatto crollare questo sogno, indicando che la dimostrazione più eclatante di Couder dei fenomeni quantistici del 2006 – “l’esperimento che mi ha fatto innamorare di questo problema”, ha detto lo studioso di fluidodinamica Paul Milewski – era sbagliata.

Ripetute repliche dell’esperimento detto “della doppia fenditura”, hanno contraddetto i primi risultati di Couder e hanno rivelato che l’esperimento a doppia fenditura era il punto di rottura sia dell’analogia del rimbalzo della goccia sia della visione della meccanica quantistica basata sull’onda pilota di de Broglie.

Ironia della sorte, la persona che ha smontato irreparabilmente l’idea di de Broglie è il nipote di Niels Bohr, il fisico dei fluidi Tomas Bohr.

Docente del Politecnico della Danimarca, Tomas Bohr – che da bambino si divertiva a scervellarsi sugli enigmi posti da suo nonno – aveva sentito parlare degli esperimenti sulle gocce di Couder e ne è stato subito incuriosito. “Ho sentito un genuino interesse nel cercare di capire se si potesse davvero ottenere una meccanica quantistica deterministica”, ha detto a proposito della sua decisione di entrare nel dibattito. Data la sua storia familiare, ha aggiunto, “forse sentivo anche una specie di obbligo. Ho sentito di dover davvero provare a vedere se fosse vero o no”.

Il cuore della meccanica quantistica
Il fisico Richard Feynman definì l’esperimento della doppia fenditura “impossibile, assolutamente impossibile, da spiegare in un modo classico”, e disse che “ha in sé il cuore della meccanica quantistica. In effetti, contiene l’unico mistero”.

Nell’esperimento, le particelle sono inviate verso due fessure praticate su uno schermo, e quelle che passano attraverso le fessure colpiscono un sensore posto a una certa distanza dall’altra parte. Dove finisce una particella è sempre una sorpresa, ma se si inviano molte particelle verso le fessure, s’iniziano a vedere delle bande che si sviluppano nelle posizioni in cui vengono rilevate, indicando i punti in cui possono e non possono andare.

La figura a bande suggerisce che ogni particella è in realtà un’onda che incontra la barriera e passa attraverso entrambe le fessure contemporaneamente, producendo due fronti d’onda che convergono e interferiscono, sommandosi in alcuni punti e annullandosi in altri. Ogni particella si materializza nel sensore nella posizione di una delle creste di questa strana onda di probabilità.

Ancora più strano, quando si aggiunge un secondo sensore e si rileva quale fenditura attraversa ciascuna particella, le strisce di interferenza scompaiono, come se l’onda di probabilità, nota come funzione d’onda, fosse collassata. Questa volta, le particelle passano direttamente attraverso le fessure scelte e arrivano su uno di di due punti sul sensore lontano.

Per spiegare l’esperimento della doppia fenditura, un sostenitore dell’interpretazione di Copenaghen punterà sull’incertezza quantistica, sostenendo che la traiettoria di ogni particella non può essere esattamente conosciuta ed è quindi definita solo in modo probabilistico da una funzione d’onda.

Dopo aver attraversato entrambe le fenditure, come farebbe qualsiasi onda, e interferendo dall’altra parte, la funzione d’onda che rappresenta le possibili posizioni della particella viene quindi “compressa” dal sensore, che in qualche modo seleziona una singola realtà tra le diverse possibilità. Le domande, sia scientifiche sia filosofiche, abbondano; Niels Bohr, che tendeva a rispondere alle domande con più domande, le accolse.

Per de Broglie, l’esperimento a doppia fenditura non richiedeva una funzione d’onda astratta, in grado di collassare misteriosamente. Invece, egli formulo l’ipotesi di una particella reale che cavalca un’onda pilota reale. La particella passa attraverso una fessura o l’altra nello schermo a doppia fenditura, anche se l’onda pilota passa attraverso entrambe. Dall’altro lato, la particella va dove i due fronti d’onda dell’onda pilota interferiscono costruttivamente e non va dove si annullano.

De Broglie non ha mai effettivamente derivato equazioni dinamiche per descrivere questa complicata interazione onda-particella-fessura. Ma con le goccioline rimbalzanti a disposizione, Couder e un collaboratore, Emmanuel Fort, si sono mossi rapidamente per eseguire l’esperimento a doppia fenditura, riportando i loro risultati sorprendenti sulle “Physical Review Letters” nel 2006.

Dopo aver registrato le traiettorie di 75 gocce che rimbalzavano attraverso una barriera a doppia fenditura, Couder e Fort hanno pensato di aver individuato delle grossolane bande nelle posizioni finali delle goccioline, simili a una figura d’interferenza, che sembrava provenire solo dall’onda pilota. L’interferenza dovuta alla doppia fenditura, considerata “impossibile da spiegare in un modo classico”, si stava manifestando senza mistero davanti agli occhi di tutti.

Spinto dalle potenziali implicazioni quantistiche, l’esperto di fluidodinamica John Bush ha aperto un suo laboratorio al MIT per studiare il rimbalzo delle gocce, coinvolgendo anche altri. Tomas Bohr ha sentito Couder parlare dei suoi risultati nel 2011 e più tardi ha discusso a lungo degli esperimenti con Bush. Ha collaborato con un collega sperimentalista, Anders Andersen, per studiare ulteriormente i rimbalzi. “Siamo rimasti davvero affascinati, in particolare, dall’esperimento della doppia fenditura”, ha detto Andersen.

Il gruppo di Bohr e Andersen in Danimarca, il team di Bush al MIT e un gruppo guidato dal fisico quantistico Herman Batelaan dell’Università del Nebraska si sono tutti impegnati a ripetere l’esperimento della doppia fenditura con le gocce rimbalzanti. Dopo aver perfezionato gli apparati sperimentali, eliminato le correnti d’aria e fatto in modo che le gocce di olio rimbalzando sulle onde pilota si dirigessero verso due fenditure, nessuno dei gruppi ha visto la figura d’interferenza riportata da Couder e Fort.

Le goccioline attraversavano le fessure su traiettorie quasi rettilinee e non sono apparse le bande. Il precedente errore della coppia francese è ora attribuito al rumore, alla metodologia difettosa e alla statistica insufficiente.

“L’esperimento della doppia fenditura, per me, è un po’ una delusione”, ha detto Milewski, che è a capo del dipartimento di scienze matematiche dell’Università di Bath.

Gli studi dettagliati sulla doppia fenditura di Bush, pubblicati all’inizio di quest’anno, non hanno mostrato alcun segno di interferenza, ma egli pensa ancora che sia possibile generare una figura d’interferenza con le onde pilota quando viene trovata la giusta combinazione di parametri, e cioè la giusta frequenza di vibrazione per il fluido del bagno, forse, o con un’aggiunta necessaria di rumore.

Milewski condivide questa speranza. Tuttavia, nel documento del gruppo danese che riporta i risultati nulli della doppia fenditura, Tomas Bohr ha presentato un esperimento mentale che sembra demolire completamente la descrizione basata sull’onda pilota di de Broglie.

In questa ipotetica versione “gedanken” dell’esperimento a doppia fenditura, le particelle, prima di arrivare alla barriera con le fessure, devono passare da una parte o dall’altra di una parete divisoria centrale.

Nella meccanica quantistica standard, questa parete può anche essere molto lunga e ciò non avrà importanza, poiché la funzione d’onda che rappresenta i possibili percorsi di una particella semplicemente andrà in entrambe le direzioni attorno al muro, passerà attraverso entrambe le fessure e produrrà interferenza. Ma nel modello di de Broglie, e allo stesso modo negli esperimenti delle gocce rimbalzanti, la forza motrice dell’intera operazione – la particella – può andare solo da una parte o dall’altra, perdendo il contatto con la parte dell’onda pilota che corre lungo l’altro lato del muro. Insensibile alla particella o alla goccia, il fronte d’onda si disperde molto prima di raggiungere la sua fenditura, e non c’è alcuna figura d’interferenza. I ricercatori danesi hanno verificato questi argomentazioni con simulazioni al computer.

Spiegando la sua decisione di continuare a studiare il rimbalzo di goccioline, Bush ha detto: “Non mi sono mai piaciuti gli esperimenti mentali. Il bello di questa situazione è che si può effettivamente fare l’esperimento. “Ma l’esperimento mentale del muro divisorio mette in risalto, in modo assolutamente semplice, il problema intrinseco dell’idea di de Broglie. In una realtà quantistica guidata da interazioni locali tra una particella e un’onda pilota, si perde la simmetria necessaria a produrre le interferenze dovute alla doppia fenditura e altri fenomeni quantistici non locali. È necessaria una funzione d’onda eterea e non locale in grado di viaggiare senza impedimenti su entrambi i lati di qualsiasi parete.

“Per ottenere il risultato realmente quantomeccanico, è davvero importante che i possibili percorsi della particella siano coinvolti in modo democratico”, ha detto Tomas Bohr. Ma con le onde pilota, “dal momento che uno dei due lati nell’esperimento veicola una particella e l’altro no, non si riuscirà mai a farlo correttamente. Si sta infrangendo questa simmetria molto importante della meccanica quantistica”.

Una questione di gusto
Gli esperti osservano che la versione più semplice della teoria di de Broglie era destinata a fallire. Descrivendo le particelle individuali guidate dalle corrispondenti onde pilota, de Broglie non ha tenuto conto del modo in cui più particelle interagenti diventano “entangled” o definite da un’unica funzione d’onda condivisa, non locale, che mantiene le loro proprietà correlate anche dopo che le particelle si sono allontanate tra loro di anni luce.

A partire dagli anni settanta, esperimenti con fotoni entangled hanno dimostrato che la meccanica quantistica dev’essere non locale. Una teoria delle interazioni locali tra una particella e la sua onda pilota come quella di de Broglie avrebbe bisogno di diventare molto più bizzarra nel salto da una a due particelle per spiegare l’entanglement non locale.

Fino alla sua morte, nel 1987, de Broglie ha messo in discussione le argomentazioni sulla nonlocalità e l’entanglement e ha continuato a credere che le vere onde pilota potessero in qualche modo suscitare le necessarie connessioni a lunga distanza. Quel sogno improbabile, condiviso da alcuni sperimentatori sulle gocce che rimbalzano, avrebbe potuto persistere ostinatamente finora, ma con le onde pilota incapaci persino di generare interferenze da doppia fenditura nel caso di singole particelle, il sogno collassa come una funzione d’onda misurata.

All’inizio, de Broglie offrì una sorta di compromesso, una versione della sua teoria che fu propugnata nuovamente nel 1952 dal fisico David Bohm, e che ora è conosciuta come meccanica bohmiana o teoria di de Broglie-Bohm. In questa descrizione, c’è una funzione d’onda astratta che si estende in tutto lo spazio – un’entità che è tanto misteriosa, in questo quadro teorico, quanto lo è nell’interpretazione di Copenaghen – così come particelle reali da qualche parte in esso. Le dimostrazioni degli anni settanta hanno dimostrato che la teoria di de Broglie-Bohm fa esattamente le stesse previsioni della meccanica quantistica standard. Tuttavia, con il ripristino di un elemento della realtà classica – le particelle concrete – sorgono nuovi misteri, per esempio in che modo o perché una funzione d’onda matematica diffusa in tutto lo spazio viene fissata a particelle fisiche in determinati punti. “La meccanica quantistica non è meno strana, da quella prospettiva”, ha detto Tomas Bohr. La maggior parte dei fisici è d’accordo, ma in realtà è solo una questione di gusti, dal momento che le previsioni sperimentali sono identiche.

Tomas Bohr attribuisce la certezza di suo nonno che la natura alla scala quantistica è irrimediabilmente strana alla più importante ricerca di fisica di Niels Bohr: i suoi calcoli del 1913 sui livelli di energia degli elettroni dell’atomo di idrogeno.

Bohr si rese conto che quando gli elettroni saltano tra le orbite, rilasciando pacchetti quantizzati di luce, non c’è una descrizione meccanica della situazione che abbia senso. Non poteva correlare i livelli di energia degli elettroni al loro moto rotatorio.

Persino la causalità falliva, perché gli elettroni sembrano sapere prima di saltare dove stanno per atterrare per emettere un fotone dell’energia corretta. “Probabilmente era più consapevole degli altri di quanto fosse strana quell’intera faccenda”, ha detto Tomas Bohr. “Per le sue inclinazioni filosofiche. era solo in qualche modo pronto ad accettare che la natura fosse così strana – e la maggior parte delle persone non lo era.”

Negli ultimi anni, Tomas si è spesso chiesto che cosa avrebbe detto suo nonno degli esperimenti di rimbalzo delle goccioline. “Penso che sarebbe stato molto interessato”, ha detto, aggiungendo, con una risata, “Probabilmente sarebbe stato molto più veloce di me a capire come considerarli. Ma avrebbe pensato che è una cosa geniale poter generare un tale sistema, perché è sorprendentemente vicino a ciò di cui parlava de Broglie”.

(L’originale di questo articolo è stato pubblicato l’11 ottobre 2018 da QuantaMagazine.org, una pubblicazione editoriale indipendente online promossa dalla Fondazione Simons per migliorare la comprensione pubblica della scienza. Traduzione ed editing a cura di Le Scienze. Riproduzione autorizzata, tutti i diritti riservati)