Tre Nobel sul Lario: «Le sfide del futuro tra atomi e quanti»

La XIII edizione del Festival della Luce Lake Como, uno dei primi appuntamenti verso il bicentenario della morte di Alessandro Volta, nel 2027, vedrà quest’anno la presenza di ben tre Premi Nobel per la Fisica. Gli incontri avvengono anche all’interno del Premio Europeo per la Fisica “Volta”, organizzato dalla Società Europea di Fisica e finanziato da Acinque, che verrà assegnato a Jean Dalibard.

Giulio Casati, professore emerito dell’Insubria, con la Fondazione Volta, Cariplo, Teatro Sociale e Taroni, seguirà gli incontri fra i Nobel e ne coordinerà gli interventi con il grande pubblico e con esperti di tutto il mondo. Fra gli invitati c’è Kostya Novoselov, premiato (2010) per i suoi rivoluzionari esperimenti sul grafene, il materiale bidimensionale più sottile esistente al mondo, che ha aperto nuove prospettive nella ricerca sui materiali avanzati e nelle tecnologie del futuro e terrà un incontro il 26 settembre al Festival. E ancora il fisico statunitense William Phillips, premiato (1997) per lo sviluppo di metodi per raffreddare e intrappolare gli atomi mediante la luce laser, una scoperta che ha reso possibili misure di precisione senza precedenti. Parteciperà alla cerimonia del Premio Volta e al Simposio scientifico il 2 ottobre. Insieme a lui, il fisico francese Alain Aspect, recentemente premiato (2022) per gli esperimenti sull’entanglement quantistico, che hanno posto le basi della scienza dell’informazione quantistica. Proprio di questo abbiamo parlato con Casati, così da capirne meglio le importanti implicazioni.

Professore, perché la fisica quantistica è così difficile da conciliare con la nostra esperienza quotidiana?

Perché la nostra esperienza appartiene al mondo macroscopico. Siamo abituati a pensare che gli oggetti esistano indipendentemente dal fatto che qualcuno li osservi: se nella stanza accanto c’è una sedia, la sedia è lì anche se non la vediamo. Questo è ciò che possiamo chiamare, in termini generali, principio di realtà. Nel mondo microscopico, però, questa intuizione entra in conflitto con la meccanica quantistica. Un elettrone o un atomo non possiedono necessariamente, prima della misura, una proprietà definita nello stesso modo in cui una sedia possiede una posizione definita. La teoria ci dice quali sono le probabilità di ottenere un certo risultato quando effettuiamo una misura.

Questa contraddizione nasce con Einstein, giusto?

Sì. All’inizio degli anni Trenta Einstein, insieme a Boris Podolsky e Nathan Rosen, mise in evidenza una difficoltà della meccanica quantistica. Il loro ragionamento sosteneva che non fosse possibile accettare contemporaneamente la teoria quantistica e il principio di realtà. Non si trattava di una dimostrazione sperimentale ma di un ragionamento: o si accetta la meccanica quantistica oppure si difende l’idea classica della realtà. Le due posizioni sono incompatibili.

Per decenni, dunque, fu soprattutto una disputa filosofica?

Esattamente. Da una parte c’era chi, come Einstein, non voleva rinunciare all’idea di una realtà fisica indipendente dall’osservatore. Dall’altra c’erano i sostenitori della meccanica quantistica, una teoria che funzionava straordinariamente bene negli esperimenti, ma che sembrava costringere ad abbandonare alcune certezze del senso comune.

Le cose iniziano a cambiare con il fisico irlandese John Bell.

Esatto: negli anni Sessanta trovò il modo di trasformare la disputa in una questione sperimentale. Bell partì dall’ipotesi che esistesse una realtà indipendente dall’osservatore. Da questa ipotesi dedusse una relazione matematica, oggi chiamata disuguaglianza di Bell. Il punto decisivo è che quella relazione può essere verificata in laboratorio.

E negli anni Ottanta questi esperimenti vengono fatti! Proprio da Alain Aspect.

Gli esperimenti hanno mostrato che la disuguaglianza di Bell viene violata e quindi hanno decretato la vittoria della meccanica quantistica sul principio di realtà. I primi test importanti risalgono a quegli anni e sono legati, tra gli altri, al lavoro di Aspect. I risultati sono compatibili con le previsioni della meccanica quantistica e non con una teoria basata su realismo classico.

La disuguaglianza di Bell è violata! Il principio di realtà non è accettabile: casca il mondo cosi…

Questo non significa che “la realtà non esista” in assoluto. Significa che non possiamo conservare senza modifiche l’idea classica secondo cui le particelle possiedono proprietà già definite e indipendenti dalla misura: la realtà dipende da ciò che noi scegliamo di osservare.

Che ruolo ha l’entanglement in tutto questo?

È l’elemento tecnico centrale. Quando due sistemi quantistici interagiscono, diventano entangled, cioè correlati in modo così profondo da non poter essere descritti come due oggetti indipendenti. Anche se vengono separati e portati a grande distanza, le misure effettuate sui due sistemi mostrano correlazioni che non possono essere spiegate con il semplice modello classico di proprietà già scritte relative a ciascuna particella.

È come se la particella non avesse una data proprietà prima di essere osservata?

In molti casi è proprio questa la conseguenza controintuitiva. Nella fisica classica possiamo immaginare un oggetto che possiede già una caratteristica, anche se noi non la conosciamo: una pallina, chiusa in una scatola, è rossa oppure verde, indipendentemente dal fatto che qualcuno apra la scatola. In meccanica quantistica, invece, non è corretto pensare che la particella abbia già una delle due proprietà. Prima della misura esiste una distribuzione di probabilità: l’esito concreto emerge nell’interazione con il processo di misura.

Che cosa significa?

Significa che un sistema quantistico è estremamente delicato. Se interagisce con l’ambiente, perde rapidamente le caratteristiche che lo rendono quantistico e assume un comportamento classico. Una misura è un’interazione fisica. E a produrla non è necessario che ci sia dietro un essere umano ma può essere anche l’ambiente. Per questo gli esperimenti quantistici vengono condotti in condizioni estreme, spesso nel vuoto e a temperature molto basse. Bisogna ridurre al minimo ogni interazione indesiderata.

Dove finisce il mondo quantistico e dove comincia quello classico?

Non esiste un confine semplice, tracciato da una dimensione precisa. Un atomo è un sistema quantistico; anche grandi molecole possono mostrare effetti quantistici ma, aumentando le dimensioni, le interazioni con l’ambiente diventano sempre più numerose e la coerenza si distrugge rapidamente. La ricerca cerca proprio di spingere questo limite: osservare fenomeni quantistici in sistemi via via più grandi e controllarli con maggiore precisione. È una sfida sperimentale, ma anche concettuale. Se riuscissimo a mantenere comportamenti quantistici in strutture sempre più complesse, dovremmo interrogarci ancora una volta su che cosa significhi “reale”.