Un gatto e tre padroni
Matteo Fadel sta studiando l'interazione tra meccanica quantistica e gravità nell'ambito della sua borsa di studio. Vuole utilizzare uno zaffiro per osservare le onde sonore quantizzate.
Ha circa novant'anni e si aggira ancora nei laboratori di fisica dell'era moderna: il gatto di Schr?dinger. Probabilmente l'animale più famoso della disciplina, nasce da un esperimento di pensiero ed è vivo e morto allo stesso tempo. Nell'ambito di una borsa di studio, Matteo Fadel sta indagando sul significato di questo gatto, o meglio sulla transizione tra meccanica quantistica e fisica classica, di cui è diventato un simbolo.
La nascita del gatto
Negli anni Trenta, i fisici più famosi dell'epoca, tra cui Erwin Schr?dinger, discutevano su come armonizzare la teoria della meccanica quantistica con la realtà che osserviamo nella vita quotidiana. Nella meccanica quantistica, una particella può assumere i cosiddetti stati di sovrapposizione. Ciò significa che può trovarsi non solo nello stato A o nello stato B, ma anche in entrambi contemporaneamente.
Nei materiali radioattivi, ad esempio, i nuclei atomici decadono ed emettono radiazioni. Tuttavia, se un particolare nucleo è già decaduto o meno dopo un certo periodo di tempo può essere determinato solo con l'aiuto di una distribuzione di probabilità. Finché non si misura la particella emessa, cioè finché non interagisce con l'ambiente, il nucleo si trova in uno stato sovrapposto di "intatto" e "decaduto".
Erwin Schr?dinger trovò questa idea assurda e suggerì di immaginare un gatto in una scatola sigillata. All'interno della scatola ci sarebbe una "macchina infernale", come la chiamava Schr?dinger: una sostanza radioattiva di cui c'è il cinquanta per cento di probabilità che un atomo sia decaduto dopo un'ora. Se ciò accade, la radiazione risultante innesca un segnale in un rilevatore. Questo a sua volta porta un martello a rompere una bottiglia di cianuro di idrogeno e il gatto a morire di conseguenza. Tuttavia, è altrettanto probabile che nessun atomo decada, che l'acido cianidrico rimanga nella bottiglia e che il gatto rimanga vivo. Secondo le regole della meccanica quantistica, il gatto si troverebbe ora in uno stato di sovrapposizione, cioè morto e vivo allo stesso tempo, finché qualcuno non lo cercherà e lo troverà vivo o morto.
In realtà, non sono mai stati segnalati gatti vivi e morti allo stesso tempo. La domanda che ci si pone è quindi perché l'atomo possa trovarsi in uno stato di sovrapposizione, ma il gatto no. La risposta sta nella massa e nella temperatura. Più atomi sono coinvolti e più velocemente si muovono, cioè più l'oggetto è pesante e caldo, più velocemente lo stato di sovrapposizione perde la sua coerenza. Interagisce con l'ambiente e quindi non può più essere osservato. Nel caso di un gatto di casa e della temperatura ambiente, questo avviene molto più velocemente di quanto possano misurare gli orologi più precisi, per non parlare di quanto possiamo osservare noi umani.
La musica della meccanica quantistica
Matteo Fadel è da tempo affascinato proprio da questi problemi fondamentali della fisica. All'ETH sta ora cercando di esplorare la misteriosa zona grigia tra il mondo microscopico della meccanica quantistica e quello macroscopico della nostra vita quotidiana. Se non sono gatti, quanto possono diventare grandi e pesanti gli oggetti in modo da poter osservare il loro comportamento quantistico?
La fisica lavora come postdoc nel laboratorio del professore all'ETH Yiwen Chu, che è uno dei pionieri dell'acustica quantistica. Mentre gli stati quantici sono spesso osservati nei fotoni, cioè nelle particelle di luce, o negli elettroni, questo campo relativamente nuovo si occupa degli effetti meccanici quantistici nelle onde sonore. A questo scopo, i qubit superconduttori - le vecchie conoscenze della fisica quantistica sperimentale - sono accoppiati ai cosiddetti HBAR (risonatori di onde acustiche di massa ad alto numero di toni) tramite cristalli piezoelettrici. Questi possono essere, ad esempio, dischi sottili di zaffiro. I cristalli piezoelettrici si deformano quando vengono posti in un campo elettrico, in questo caso il segnale elettrico proveniente dai qubit. L'oscillazione causata dalle deformazioni periodiche del cristallo piezoelettrico viene trasmessa allo zaffiro, che può memorizzarla come onda acustica stazionaria.
Questi esperimenti sono particolarmente interessanti per Fadel e per la sua domanda sulla transizione tra mondo microscopico e macroscopico, perché sebbene non tutto lo zaffiro sia coinvolto nelle vibrazioni dell'HBAR, sono coinvolti diversi ordini di grandezza di atomi rispetto ad altri esperimenti di meccanica quantistica. In altre parole, la scatola può non contenere un gatto adulto, ma contiene un gatto di 50 microgrammi.
Se l'HBAR viene ora raffreddato a un livello appena superiore allo zero assoluto, è possibile eccitare singoli fononi, la controparte acustica dei fotoni. Fadel - lui stesso appassionato violinista - ama paragonare questo fenomeno a quello di un chitarrista che pizzica una corda. Proprio come il tono della chitarra si affievolisce, anche lo zaffiro interagisce con l'ambiente dopo l'eccitazione e perde il fonone, e quindi il suo comportamento quantomeccanico, nel corso del tempo. Abbastanza lentamente, tuttavia, perché la fisica possa dimostrarlo.
Avanzamento in nuovi regni
Fadel e i suoi colleghi intendono ora realizzare questi stati di sovrapposizione in modo che gli atomi che compongono lo zaffiro vibrino contemporaneamente in direzioni diverse. Ci sono anche altri interessanti stati quantistici che la fisica vorrebbe esplorare con il risonatore acustico. Alcuni di questi potrebbero essere utilizzati, ad esempio, per il teletrasporto quantistico o per la realizzazione di computer quantistici.
Lo stesso Matteo Fadel è particolarmente interessato agli stati che gettano nuova luce sulla relazione tra meccanica quantistica e gravità. Secondo Isaac Newton, che illustrò il principio di gravità con una mela anziché con un gatto, la gravità è tanto più forte quanto più vicini sono due oggetti. Albert Einstein, a sua volta, ha postulato nella sua teoria della relatività che i campi gravitazionali allungano il tempo. Se questo è vero, il tempo passa più velocemente per il gatto vivo che si è arrampicato sulla parete della scatola che per il gatto morto che giace sul pavimento. Questo potrebbe essere uno dei motivi per cui lo stato di sovrapposizione meccanica quantistica perde la sua coerenza nel tempo, anche in un contenitore ermetico.
? finalmente possibile dimostrare questi effetti con l'acustica quantistica? La ricerca di Matteo Fadel si propone di aprire un nuovo terreno nella fisica fondamentale. Un terreno dove meccanica quantistica, gravitazione e relatività si incontrano o, per dirla in altro modo, dove il famoso animale diventa non solo il gatto di Schr?dinger, ma anche di Newton e di Einstein, per così dire.