Lo stregatto quantistico

Un nuovo paradosso agita la fisica dei quanti, quello dello stregatto di Aharonov, Popescu e Skrzypczyk (come mai si pronuncerà Skrzypczyk?).
Yakir Aharonov non è un tizio qualsiasi: è quello dell’effetto Aharonov-Bohm, un capitolo fondamentale nella comprensione della fisica quantistica, una delle più belle dimostrazioni della sua intrinseca non-località. Sandu Popescu è un altro signore da non sottovalutare: è professore di Fisica all’Università di Bristol (la concentrazione di fisici teorici di alto livello a Bristol è impressionante) e a giugno del 2011 ha ricevuto il John Stewart Bell Prize per i suoi contributi nel campo della meccanica quantistica. Paul Skrzypczyk (come mai si pronuncerà Skrzypczyk?) è giovane e, mi mancava, si è laureato con Popescu e ha già un curriculum importante.

Provo a raccontarvelo dunque il paradosso, anzi ve lo faccio spiegare prima da Lewis Carroll:
“Va bene” disse il Gatto, e questa volta si allontanò piuttosto lentamente, cominciando dalla punta della coda, e finendo con il sogghigno, che rimase lì ancora qualche tempo quando tutto il resto era già sparito.”Bene! Ho visto spesso un gatto senza sorriso” pensò Alice “ma un sorriso senza gatto! È la cosa più curiosa che abbia mai visto in vita mia!”
(Lewis Carroll, Alice’s Adventures in Wonderland, Ch. 6, Pig and Pepper)

Ebbene, i ricercatori sono riusciti a infilare lo stregatto di Alice nel paese delle meraviglie in una scatola, ed il suo ghigno in un’altra, separando quello che il gatto è, da quello che fa.

Ambiguità quantistiche
Lo stregatto è un animale ambiguo, condizione perfetta per la fisica dei quanti, un mondo nel quale è possibile che accada di tutto fino a quando non si decide di andare a guardare. È quello che ad esempio accade nel caso del più famoso gatto di Schrödinger il quale, fin quando non si apre la scatola, può essere vivo e morto allo stesso tempo.
Dunque ecco cosa accade: nel paese dei quanti si possono separare le proprietà fisiche dagli oggetti a cui appartengono, come il ghigno dall’orribile Gatto del Cheshire (stregatto è la versione italiana della trasposizione cinematografica dysneiana).

Schrödinger vs. Alice
Nel caso del gatto di Schrödinger il sistema che garantiva un comportamento quantistico era una sorgente radioattiva che poteva decadere o meno, nel caso dello stregatto si utilizza uno strumento ottico che si chiama interferometro di Mach-Zehnder. Questo dispositivo permette ad un singolo fotone di arrivare ad un rivelatore esplorando due percorsi allo stesso tempo. I due percorsi si sovrappongono come onde e come onde danno origine a fenomeni di interferenza.

Il fotone sarà rivelato così solo nella zona in cui l’interferenza è costruttiva.
Accade un po’ come per l’elettrone in un esperimento a doppia fenditura in cui il fenomeno dell’interferenza quantistica tra tutti i percorsi possibili, dalla sorgente fino ad uno schermo, produce su quest’ultimo una tipica figura di diffrazione, con massimi e minimi di probabilità. Questi esperimenti servono a dimostrare che gli oggetti quantistici non possono essere trattati come oggetti localizzati ma come oggetti diffusi, presenti allo stesso tempo in più punti e quindi senza una traiettoria ben definita.

Dai gatti alle particelle
Nell’articolo lo stregatto è un fotone ed il ghigno la sua polarizzazione circolare (ma nulla vieta di pensare a qualcos’altro, un atomo e la sua energia interna, un elettrone ed il suo spin). Una versione opportunamente modificata dell’interferometro di Mach-Zehnder permette di far interferire posizione e polarizzazione del fotone in maniera tale da annullare la probabilità di trovarlo in una “scatola” se è presente la polarizzazione e viceversa.
Per ottenere questo sorpendente risultato dobbiamo stare attenti a come facciamo la misura. Se mettiamo in uno dei due rami dell’interferometro (o in una delle due fenditure nel caso dell’elettrone) un apparato che ci permette di dire da dove passa il fotone, la storia è finita, abbiamo eliminato le due possibilità e distrutto l’interferenza.
Esiste però una classe di misure quantistiche, dette deboli, in cui il sistema che misura si accoppia all’apparato senza disturbarlo troppo. È questo il punto cruciale di tutta la faccenda e andrebbe analizzato a fondo, una cosa molto al di là degli scopi di questo post e che si può spiegare solo se riuscite a rimanere di fronte allo schermo lasciando le vostre perplessità in un’altra stanza. Com’è che si dice? Ah si, non dire gatto se non ce l’hai nel sacco. Appunto.