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Luce, un po’ onda un po’ particella

La luce rifiuta oscurità, ombre e misteri. Non accetta contraddizioni. Ma in certi casi il cervello umano può permettersi di contrastare una verità scientifica  indiscussa quando diventa quasi un  luogo comune. Con i suoi paradossi, la meccanica quantistica sfida  infatti gli schemi logici e, studiando la luce, afferma che un fotone (o “quanto di luce”) può trovarsi, nello stesso istante, in un’infinità di punti  diversi.

Questa sorprendente ubiquità si deve al fatto che ogni oggetto quantistico è contemporaneamente particella e onda. Il fotone è restio a mostrare questa  sua doppia natura, che tuttavia è ormai inoppugnabile. “Si può dire che sappia in anticipo a quale tipo di esperimento sta per essere sottoposto  e in base a questo ’scelga’ quale tipo di comportamento tenere, se da onda o da particella”, spiega Alberto Peruzzo, che con la sua équipe del Centro di Fotonica  Quantistica dell’Università di Bristol, nel Regno Unito, è riuscito a  dimostrare con esperimenti concreti che il fotone si comporta simultaneamente come particella e come onda. Peruzzo, trentadue anni,  laureato a Padova, è uno dei giovani talenti che hanno lasciato la patria perché in Italia non avrebbero potuto portare avanti le loro ricerche d’avanguardia. Al Centro di Bristol, diretto dal professor Jeremy O’Brien, il fisico italiano e il suo team hanno collaborato con unità di ricerca tra le più prestigiose del mondo come quelle del Weizmann Institute di Rehovot (Israele) e delle Università di Twente (Olanda) e  Thoku (Giappone).

La conclusione  cui sono giunti Peruzzo e il suo team – ogni fotone è, nello stesso tempo,  onda e particella –  può apparire in contrasto con il senso comune. Infatti lo scienziato italiano definisce la “dualità” onda-particella come “uno degli aspetti più maledettamente contro-intuitivi della meccanica quantistica”. Fino a qualche decennio fa, nelle scuole, anche durante  le lezioni di fisica classica si insegnava qualche  “stranezza” della luce, ma era molto facile da capire  Ancora oggi gli alunni non si stupiscono  troppo quando – alzando il braccio destro davanti a uno specchio – scoprono che la loro immagine rispecchiata alza invece il braccio sinistro. Era riposante  apprendere che  la luce “rimbalza” sulle sfere celesti  come sugli oggetti della vita quotidiana. Questo è ancora vero ma il quadro è completamente nuovo.

Come hanno fatto  Peruzzo e la sua équipe ad arrivare a questo risultato,  descritto in un denso studio sulla rivista Science? Ne dà conto, sull’italiana Sapere, un articolo di Sandro Iannaccone,  nel quale interviene Peruzzo, e spiega: “Supponiamo che un fotone urti contro un ostacolo che  divida in due il fascio di luce e questo  possa quindi seguire  due percorsi diversi , a seconda dell’urto”. L’osservazione mostra chiaramente che il fotone è sia particella sia onda “cioè l’una e l’altra cosa”.

Un altro mistero della teoria quantistica che l’équipe di Bristol è  riuscito a osservare e dimostrare è quello delle particelle entangled. Sono  due particelle intimamente collegate anzi “fuse” fra loro, al punto che – “anche se  arbitrariamente allontanate l’una dall’altra -risultano utilissime, perché basta  osservarne una per  conoscere tutto anche dell’altra”. Sulla dualità onda-particella le équipe più agguerrite lavoravano da decenni. Tra le proposte avanzate  spiccava quella dell’americano John Archibald Wheeler (lo scopritore dei “buchi neri”), del lontano 1978, L’idea era attraente e audace  al tempo stesso. Si trattava di capire se e come un fotone potesse “sapere in anticipo”  a quale tipo di esperimento sarebbe stato sottoposto.

“Se si vuole rivelare la natura ondulatoria si prepara un percorso chiuso; se invece si vuole esibire la natura di particella, il percorso deve restare aperto. Secondo Wheeler, occorreva ritardare la chiusura del circuito, cioè farla avvenire quando il fotone lo sta già percorrendo. In questo modo si può capire se ha già deciso, o no,  di essere onda o particella indipendentemente dalla conoscenza del percorso. Alberto Peruzzo riprende la proposta di Wheeler ma ritarda  ulteriormente il momento della decisione. “E allora accade che a decidere di aprire o chiudere il circuito non è più la volontà dello sperimentatore.

La decisione viene presa da un’altra particella quantistica, che è entangled, strettamente legata con il fotone che viene studiato. In questo modo, possiamo aspettare un tempo lungo quanto vogliamo, dice Peruzzo, per cogliere il momento in cui il fotone si comporti  come onda o particella. “Per controllare che cosa è successo, ci basta misurare il fotone entangled che ha regolato l’apertura o la chiusura del circuito”. Applicando il principio dell’entanglement, Peruzzo e la sua équipe hanno saputo realizzare un esperimento molto complesso usando un solo apparato e due particelle. Una prova ritenuta impossibile da un altro  genio della fisica, il Nobel Niels Bohr, anche lui,  come Wheeler  e Einstein, professore a Princeton dove i docenti sono “pagati per pensare”.

 

Luigi Dell’Aglio – avvenire.it