10 verità quantistiche sul nostro universo

Dal momento in cui si è scoperto che le regole macroscopiche e classiche che dettavano l’elettricità, il magnetismo e la luce non si applicavano necessariamente alle scale subatomiche, si è aperta all’umanità una visione completamente nuova dell’Universo. Questa immagine quantistica è molto più ampia e onnicomprensiva di quanto la maggior parte delle persone capisca, inclusi molti specialisti. Ecco dieci principi fondamentali della meccanica quantistica che potrebbero farti riesaminare il modo in cui immagini il nostro Universo, sulle scale più piccole e oltre. Dai un’occhiata a queste fantastiche verità quantistiche sul nostro universo:

10 Il gatto di Schrödinger è vivo o morto, non entrambi

Per iniziare questo elenco di verità quantistiche sul nostro universo, iniziamo informandoti che non era ben compreso nei primi giorni della meccanica quantistica, ma la funzione quantistica degli oggetti macroscopici decade molto velocemente. Questa “decoerenza” è dovuta a ripetute interazioni con l’ambiente che, in luoghi moderatamente caldi e compatti come quelli necessari alla vita, sono impossibili da evitare. Ciò dimostra che ciò che consideriamo una misurazione non richiede un essere umano; conta solo interagire con l’ambiente. Dimostra anche perché portare oggetti di grandi dimensioni in sovrapposizione di due stati distinti è quindi molto difficile e la sovrapposizione svanisce rapidamente.

L’oggetto pesante che finora è stato portato in una sovrapposizione di posizioni è una molecola di carbonio-60 mentre i più pretenziosi hanno proposto di fare questo test per virus o anche creature più pesanti come i batteri. Così, il paradosso sollevato una volta dal gatto di Schrödinger – il trasferimento di una sovrapposizione quantistica (l’atomo in decomposizione) a un grande oggetto (il gatto) – è stato risolto. Ora comprendiamo che mentre piccole cose come gli atomi possono esistere in sovrapposizione per lunghi periodi di tempo, un grande oggetto si stabilizzerebbe molto rapidamente in uno stato particolare. Ecco perché non osserviamo mai gatti vivi e morti.

9 Ma controllano le bilance piccole

Nella meccanica quantistica, ogni particella è anche un’onda e ogni onda è anche una particella. Le conclusioni della meccanica quantistica diventano molto ovvie una volta che si osserva una particella a distanze simili alla lunghezza d’onda associata. Questo è il motivo per cui la fisica atomica e subatomica non può essere spiegata senza la meccanica quantistica, mentre le orbite planetarie sono decisamente invariate dall’azione quantistica.

8 Gli impatti quantistici non sono necessariamente piccoli

Di solito non vediamo effetti quantistici su lunghe distanze perché le correlazioni necessarie sono molto fragili. Trattali con sufficiente attenzione, tuttavia, e gli effetti quantistici possono continuare per lunghe distanze. I fotoni, ad esempio, sono rimasti impigliati su divisioni fino a qualche centinaio di chilometri. Nei condensati di Bose-Einstein, uno stato degenere della materia ottenuto a basse temperature, fino a qualche milione di atomi, è stato indotto in uno stato quantistico coerente. Infine, alcuni ricercatori accettano persino che la materia oscura possa avere impatti quantistici che si estendono su intere galassie.

7 È tutta una questione di incertezza

Il postulato fondamentale della meccanica quantistica è che ci sono coppie di visibile che non possono essere misurate simultaneamente, come ad esempio la posizione e la quantità di moto di una particella. La verità quantistica sul nostro universo è che le coppie sono chiamate “variabili coniugate” e l’impossibilità di misurare esattamente entrambi i loro valori è ciò che fa la distinzione tra una teoria quantizzata e una non quantizzata. Nella meccanica quantistica, questa teoria è fondamentale, non a causa di carenze sperimentali. Una delle manifestazioni più strane di ciò è l’incertezza dell’energia e del tempo, che suggerisce che le particelle instabili hanno masse naturalmente incerte, grazie a E = mc2 di Einstein.

6 Einstein non lo ha smentito

Contrariamente all’opinione popolare, Einstein non era un negazionista della meccanica quantistica. Probabilmente non poteva esserlo: la teoria ebbe così tanto successo che nessuno specialista serio poteva respingerla. In effetti, è stata la sua scoperta, vincitrice del Nobel, dell’impatto fotoelettrico, dimostrando che i fotoni si comportavano sia come particelle che come onde, una delle principali rivelazioni della meccanica quantistica. Einstein invece contestava che la teoria fosse incompleta e credeva che la naturale casualità dei processi quantistici dovesse avere una spiegazione profonda. Non era che credesse che la casualità fosse sbagliata, credeva solo che questa non fosse la fine della storia. Per un’eccellente esposizione delle opinioni di Einstein sulla meccanica quantistica, consiglio l’articolo di George Musser “Quello che Einstein pensava veramente della meccanica quantistica”.

5 Fisica quantistica Un campo di ricerca intenso

La teoria è iniziata più di un secolo fa. Ma molti punti di vista sono diventati testabili solo con la tecnologia contemporanea. Ottica quantistica, informatica quantistica, termodinamica quantistica, crittografia quantistica, informazione quantistica e metrologia quantistica sono tutte aree di ricerca di recente formazione e immediatamente molto intense. Con le nuove abilità acquisite con queste tecnologie, è stato riacceso l’investimento nelle basi della meccanica quantistica.

4 Non ci sono azioni strane a distanza

Da nessuna parte nella meccanica quantistica i dati vengono mai inviati in modo non locale, in modo che salti su un tratto di spazio senza dover passare attraverso tutte le posizioni intermedie. L’entanglement è di per sé non locale, ma non compie alcuna azione: è un’associazione che non è collegata al cambiamento non locale delle informazioni oa qualsiasi altro visibile. Quando comprendi una ricerca in cui due fotoni entangled sono separati da una grande distanza e quindi viene misurato lo spin di ciascuno, non ci sono dati che vengono trasferiti più velocemente della velocità della luce. In effetti, se provi a riunire i risultati di due osservazioni, quei dati possono viaggiare solo alla velocità della luce, non più velocemente! Ciò che forma “informazione” era una grande fonte di incertezza nei primi giorni della meccanica quantistica, ma oggi sappiamo che la teoria può essere adattata perfettamente conLa teoria della relatività speciale di Einstein in cui i dati non possono essere spostati più velocemente della velocità della luce. Questa è una delle verità quantistiche più significative sul nostro universo.

3 Entanglement non è identico alla sovrapposizione

Una sovrapposizione quantistica è la capacità di un sistema di trovarsi in due stati distinti allo stesso tempo, e tuttavia, una volta misurata, si trova costantemente uno stato particolare e mai una sovrapposizione. L’entanglement, d’altra parte, è un’associazione tra due o più parti di un sistema, qualcosa di completamente diverso. Le sovrapposizioni non sono fondamentali: se uno stato è o non è una sovrapposizione dipende da ciò che devi misurare. Uno stato può, ad esempio, trovarsi in una sovrapposizione di posizioni e non in una sovrapposizione di momento, quindi l’intero concetto è vago. L’entanglement, d’altra parte, è inequivocabile: è una proprietà fondamentale di ogni sistema e la misura più nota della quanticità di un sistema.

2 La quantizzazione non implica certo discrezione

I “quanti” sono particelle discrete, per definizione, ma non tutto diventa grosso o inseparabile su scale brevi. Le verità quantistiche sul nostro universo sono che le onde elettromagnetiche sono composte da quanti chiamati “fotoni”, quindi le onde possono essere considerate discretizzate. E i gusci di elettroni attorno al nucleo atomico possono avere raggi chiari e discreti. Ma altre caratteristiche delle particelle non diventano discrete nemmeno in una teoria quantistica. Lo stato degli elettroni nella banda conduttrice di un metallo, ad esempio, non è discreto: l’elettrone può riempire qualsiasi posizione continua all’interno della banda.

1 Tutto è quantistico

Ora sappiamo che alcune cose sono quantomeccaniche e altre no. Tutto segue le stesse leggi della meccanica quantistica: è solo che gli effetti quantistici di oggetti di grandi dimensioni sono molto difficili da vedere. Questo è il motivo per cui la meccanica quantistica è stata un ritardatario nell’evoluzione della fisica teorica: è stato solo quando i fisici hanno dovuto giustificare il motivo per cui gli elettroni siedono su gusci attorno al nucleo atomico che la meccanica quantistica è diventata essenziale per fare previsioni accurate.

10 verità quantistiche sul nostro universo

1. Tutto è quantistico
2. La quantizzazione non implica certo discrezione
3. Entanglement non è identico alla sovrapposizione
4. Non ci sono azioni strane a distanza
5. Fisica quantistica un campo di ricerca intenso
6. Einstein non l’ha smentito
7. È tutta una questione di incertezza
8. Gli impatti quantistici non sono necessariamente piccoli
9. Ma controllano le piccole scale
10. Il gatto di Schrödinger è vivo o morto, non entrambi

Scritto da: AC Claudia