3) E poiché questa è una teoria quantistica, lo spazio-tempo può fare tutto questo allo stesso tempo. Può creare simultaneamente un universo infantile e non crearlo.

Il tessuto dello spazio-tempo può non essere affatto un tessuto, ma può essere costituito da componenti discrete che ci sembrano solo un tessuto continuo su grandi scale macroscopiche.

4) Nella maggior parte degli approcci alla gravità quantistica, lo spazio-tempo non è fondamentale, ma è costituito da qualcos'altro. Questi possono essere stringhe, loop, qubit o varianti di "atomi" spazio-temporali che appaiono negli approcci alla materia condensata. I componenti separati possono essere smontati solo con l'uso delle energie più elevate, di gran lunga superiori a quelle a nostra disposizione sulla Terra.

5) In alcuni approcci con la materia condensata, lo spazio-tempo ha le proprietà di un corpo solido o liquido, cioè può essere elastico o viscoso. Se questo è davvero il caso, le conseguenze osservabili sono inevitabili. I fisici sono attualmente alla ricerca di tracce di effetti simili nelle particelle in viaggio, cioè nella luce o negli elettroni che ci raggiungono dallo spazio profondo.

Animazione schematica di un fascio di luce continuo diffuso da un prisma. In alcuni approcci alla gravità quantistica, lo spazio può fungere da mezzo di dispersione per diverse lunghezze d'onda della luce.

6) Lo spazio-tempo può influenzare il modo in cui la luce lo attraversa. Potrebbe non essere completamente trasparente o la luce di colori diversi potrebbe viaggiare a velocità diverse. Se lo spazio-tempo quantistico influisce sulla propagazione della luce, anche questo potrebbe essere osservato in esperimenti futuri.

7) Le fluttuazioni nello spazio-tempo possono distruggere la capacità della luce proveniente da sorgenti lontane di creare schemi di interferenza. Questo effetto è stato cercato e non trovato, almeno nel campo del visibile.

La luce che passa attraverso due fessure spesse (in alto), due fenditure sottili (al centro) o una fenditura spessa (in basso) mostra interferenza, indicando la sua natura ondulatoria. Ma nella gravità quantistica, alcune proprietà di interferenza previste potrebbero non essere possibili.

8) Nelle aree di forte curvatura, il tempo può trasformarsi in spazio. Questo può accadere, ad esempio, all'interno dei buchi neri o durante il big bang. In questo caso, lo spazio-tempo a noi noto con tre spaziali e dimensioni e un tempo può trasformarsi in uno spazio "euclideo" quadridimensionale.

Collegare due luoghi diversi nello spazio o nel tempo attraverso un wormhole rimane solo un'idea teorica, ma può essere non solo interessante, ma anche inevitabile nella gravità quantistica.

Lo spazio-tempo può essere connesso non localmente a minuscoli wormhole che permeano l'intero universo. Tali connessioni non locali devono esistere in tutti gli approcci la cui struttura sottostante non è geometrica, come un grafo o una rete. Ciò è dovuto al fatto che in tali casi il concetto di "prossimità" non sarà fondamentale, ma implicito e imperfetto, in modo che le aree remote possano essere casualmente collegate.

10) Forse per unificare la teoria quantistica con la gravità, abbiamo bisogno di aggiornare non la gravità, ma la teoria quantistica stessa. In tal caso, le conseguenze saranno di vasta portata. Poiché la teoria quantistica è al centro di tutti i dispositivi elettronici, la sua revisione aprirà possibilità completamente nuove.

Sebbene la gravità quantistica sia spesso vista come un'idea puramente teorica, ci sono molte possibilità per la verifica sperimentale. Tutti viaggiamo nello spazio-tempo ogni giorno. La sua comprensione può cambiare le nostre vite.

Ci sono argomenti su cui scrivere è un piacere. Centomila autori hanno già scritto di IT prima di te, centomila scriveranno di IT dopo, ma ci sarà comunque un lettore che leggerà IT per la prima volta. In questo caso parleremo di meccanica quantistica. Aspetta, non andare su un altro portale, per favore! Non preoccupatevi che sorgeranno difficoltà, ci limiteremo solo a un modesto ruolo di osservatore esterno. E credetemi, non è affatto difficile.

Qual è la cosa più importante in un esperimento? Elettrodomestici? Preparazione teorica? Assistente intelligente? No amici. L'unica cosa di cui nessun esperimento può fare a meno è lo sperimentatore. Se non c'è, non c'è esperimento. Finché non appare un osservatore che osserva l'esito dell'esperimento con occhio curioso e ne fissa i risultati con mani abili, ciò che sta accadendo non è un esperimento.

Ma si scopre che la semplice presenza di un osservatore durante un esperimento interrompe il corso dell'esperimento, cambia lo stato del sistema in studio e fa sì che gli eventi si sviluppino in una direzione diversa. E cercheremo di capire come la meccanica quantistica valuti tale conseguenza dell'interferenza dell'osservatore nella realtà fisica dell'esperimento utilizzando cinque esempi classici.

Esempio uno: "Il gatto di Schrödinger"

Un esempio da manuale che si è incollato ai denti: "Il gatto di Schrödinger". In una scatola nera sigillata (sì, qual è la vera differenza di che colore è!) la scatola di Schrödinger (Erwin Schrödinger) nasconde un gatto condizionale (immaginario), un'ampolla con veleno e un innesco nucleare. Questo dispositivo può in qualsiasi momento rompere l'ampolla e distruggere l'animale. Un esperimento divertente, si potrebbe dire, e avresti ragione. L'unica scusa che può salvare l'onore dello scienziato austriaco è che l'esperienza è puramente teorica, e ha lo scopo di dimostrare la logica del pensiero del fisico.

Il meccanismo di innesco in un momento casuale può rilasciare un atomo radioattivo, il cui decadimento romperà la fiala di veleno. Non viene fornito il tempo di decadimento esatto. L'osservatore conosce solo l'emivita, cioè il periodo di tempo durante il quale si verificherà il decadimento con una probabilità di "cinquanta e cinquanta" - da 50 a 50. Quindi, osservando una scatola chiusa, capiamo che un gatto all'interno della sua il sistema chiuso esiste contemporaneamente in due stati: o è vivo o è morto. Entrambi questi stati possono essere descritti dalla funzione d'onda del gatto (vivo-morto), che cambia nel tempo. Più ci allontaniamo dalla fase iniziale (il gatto è decisamente vivo), più è probabile che l'ampolla si sia già rotta e l'esperimento sia terminato (il gatto è morto).

Ma puoi assicurarti che l'esperimento sia terminato solo aprendo la scatola. Pertanto, finché l'osservatore non è penetrato nel sistema chiuso, la probabilità che il gatto sia vivo rimane, sebbene tenda costantemente a zero. Così, il gatto può rimanere in equilibrio per sempre sull'orlo della vita e della morte, finché il suo destino non è determinato da uno scienziato stanco di stare in piedi sopra una scatola chiusa. E solo allora si verifica il collasso della funzione d'onda e si realizza solo una delle tante opzioni.

Questa è la cosiddetta interpretazione di Copenaghen della scienza chiamata "meccanica quantistica". È possibile determinare in modo affidabile lo stato di qualsiasi sistema solo mediante l'osservazione. E l'osservatore per la sua sola presenza cambia il risultato dello studio. Questo è il momento misterioso che Schrödinger ha indicato.

Esempio due: Freeze-Particle

Negli anni '60 del secolo scorso fu previsto un effetto quantistico, che fu poi dimostrato nella pratica da un gruppo di scienziati guidati dal premio Nobel Wolfgang Ketterle. Studiando il decadimento degli atomi di rubidio eccitati negli stessi atomi in uno stato stabile e nei fotoni, i ricercatori hanno registrato una chiara influenza dell'osservatore sul risultato dell'esperimento.

Una particella radioattiva instabile ha una vita media, che può aumentare se monitorata da vicino. Quindi, dopo l'inizio dell'esperimento, gli scienziati hanno iniziato a osservare il decadimento degli atomi in due modalità diverse: continua (il sistema era costantemente irradiato con un debole flusso luminoso che registrava i cambiamenti) e pulsato (un raggio di luce più potente, ma corto periodicamente entrato nel sistema).

Il risultato ottenuto si è rivelato molto interessante. Gli effetti della luce esterna sul sistema hanno rallentato il decadimento delle particelle, riportandole al loro stato originale. La vita degli atomi di rubidio eccitati, che decadono rapidamente, potrebbe essere estesa di dieci volte. L'effetto è entrato nella storia della scienza con il nome in codice "freeze-particle".

Esempio tre: "dualismo elettronico"

Uno dei più eleganti nella storia della fisica quantistica è riconosciuto come un esperimento di diffrazione elettronica, effettuato nel 1961. L'essenza dell'esperimento era la seguente: una lastra di rame con due fessure è stata installata nel percorso del flusso di elettroni che volava verso il fotofinish.

Se immaginiamo il fascio di elettroni come un gruppo di piccole sfere cariche, ci si aspetterebbe due strisce sullo schermo opposte l'una e l'altra fenditura. Ma in effetti sullo schermo è apparsa un'immagine diversa: una zebra di configurazione complessa, composta da strisce chiare e scure che si alternano e si sovrappongono. Il risultato dell'esperimento non è cambiato anche se le particelle sono state inviate attraverso la fenditura non in un flusso continuo, ma una per una. Ciascuno degli elettroni in quel momento mostrava le sue funzioni d'onda e poteva passare simultaneamente attraverso due fenditure.

Ma quella era solo la prima metà dell'esperimento. Quando i fisici hanno tentato di correggere il risultato, l'immagine sullo schermo è diventata immediatamente classica: due strisce opposte alle fessure della lastra di rame e nessuna "strana" zebra. Davanti agli occhi dell'osservatore, gli elettroni hanno "perso" la loro componente d'onda e hanno mostrato un'immagine familiare a uno studente delle scuole medie. La presenza dell'osservatore ha avuto un impatto sul sistema e ha modificato automaticamente i risultati dell'osservazione stessa.

Esempio 4: "ad alcune persone piace caldo..."

Oltre agli elettroni, le grandi molecole composte da diverse dozzine di atomi di carbonio (fullereni) fungono spesso da cavie. Fullerene (Fullerenes), composto da sessanta atomi, ricorda un vero pallone da calcio, cucito da esagoni. Con questi grandi elementi si fanno esperimenti sulla diffrazione, simili a quelli che si mettono sugli elettroni.

Non molto tempo fa, gli scienziati del gruppo viennese del professor Anton Zeilinger si sono avventurati ad aggiungere un "elemento osservatore" all'esperienza. Durante lo studio, gli sperimentatori hanno bombardato i fullereni mobili con radiazioni laser. Le molecole sono state riscaldate da influenze esterne e si sono illuminate nello spazio sotto studio, rivelando così la loro posizione.

Insieme all'inizio del bagliore, anche il comportamento stesso delle particelle è cambiato. Se nell '"oscurità", senza la presenza di un osservatore, i fullereni hanno accuratamente aggirato gli ostacoli, che hanno mostrato le loro proprietà ondulatorie, allora con l'avvento dello "spettatore", le particelle hanno iniziato a comportarsi come corpi solidi con tutte le conseguenti caratteristiche di comportamento conosciuto dalla fisica classica.

Esempio cinque: "... e alcuni sono più freddi"

Ma il più interessante di tutti i misteri della fisica quantistica è il mistero del principio di indeterminazione di Heisenberg (Werner Karl Heisenberg). In una presentazione popolare, suona così: è impossibile stabilire contemporaneamente sia la posizione che la velocità di un oggetto quantistico. Cioè, più accuratamente misuriamo la quantità di moto di una particella elementare, meno accuratamente possiamo determinare dove si trova in quel momento. Questo, ovviamente, è poco applicabile nel mondo degli oggetti di grandi dimensioni, e in genere non è chiaro cosa ne possa derivare anche a livello elementare.

L'esperimento del gruppo guidato dal professor Schwab (Keith Schwab) ha aggiunto piccantezza alla classica incertezza di Heisenberg. Posizionando una minuscola striscia di alluminio nel percorso delle microparticelle, gli scienziati hanno collegato un dispositivo in grado di registrarne la posizione con la massima precisione. E poi abbiamo ottenuto due risultati interessanti. Innanzitutto, ogni nuova misurazione dell'oggetto cambiava la posizione del piatto. Il dispositivo ha determinato in modo molto accurato le coordinate della striscia e quindi ha cambiato la sua velocità e, di conseguenza, la successiva posizione nello spazio.

Ma se la prima scoperta è stata prevista dal principio di indeterminazione, la seconda è stata una sorpresa per tutti. Le misurazioni effettuate dagli scienziati hanno portato al raffreddamento della striscia. Cioè, l'osservatore per la sua semplice presenza ha cambiato le caratteristiche fisiche dell'oggetto. In questo caso, la temperatura. Un uso pratico di questo effetto è stato subito trovato: ora il professor Schwab sta pensando a come applicare questo fenomeno per raffreddare i microcircuiti più complessi.

PS: La sensazione che il mondo esista solo mentre lo guardi, ha fatto visita anche al grande Einstein. Ma ci ha assicurato che non era così. In effetti, come può l'osservatore della luna influenzare la luna stessa? Ebbene, e se, in effetti, tutto ciò che accade intorno a noi fosse solo un frutto della nostra immaginazione? E non appena ci addormentiamo, il mondo scomparirà. Oppure hanno ragione coloro che affermano che le leggi della fisica dell'universo e le leggi della comprensione di questo universo (psiche) dovrebbero essere considerate complementari tra loro? Come due parti di una grande dottrina.

O in generale, è la stessa scienza? E si chiama fisica. Perché rispetto alla fisica, tutto il resto non è altro che collezionismo di francobolli.

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La vita è il fenomeno più straordinario nell'universo osservabile; ma come è nata la vita? Anche nell'era della clonazione e della biologia sintetica, una verità straordinaria rimane vera: nessuno è ancora riuscito a creare un essere vivente da materiali completamente inanimati. La vita nasce solo dalla vita. Si scopre che ci mancano ancora alcune delle sue componenti fondamentali? Come il libro di Richard Dawkins The Selfish Gene, che ha fornito una nuova prospettiva sul processo evolutivo, Life on the Edge rimodella la nostra comprensione delle forze trainanti fondamentali di questo mondo. In esso, gli autori esaminano sia gli ultimi dati sperimentali che le scoperte più avanzate della scienza, e lo fanno in uno stile unico e lucido. Jim Al-Khalili e Jonjo McFadden parlano del pezzo mancante della meccanica quantistica; fenomeno che sta alla base di questa più misteriosa delle scienze.

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Torneremo a breve sul fotone e sull'albero e scopriremo come si relazionano con il mondo quantistico, ma prima diamo un'occhiata a un esperimento sorprendentemente semplice che mette in luce la mistica del mondo quantistico. Mentre facciamo del nostro meglio per spiegare il più chiaramente possibile cosa si intende con espressioni come "sovrapposizione quantistica", non c'è niente di più chiaro del famoso esperimento delle due fenditure descritto di seguito.

L'esperimento con due fenditure mostra nel modo più semplice e completo che tutto è disposto in modo diverso nel mondo quantistico. Le particelle possono comportarsi come onde mentre si propagano nello spazio e le onde a volte possono assumere le proprietà delle particelle. Abbiamo già parlato della dualità onda-particella: nell'introduzione viene descritta come una caratteristica grazie alla quale diventa chiaro come il Sole generi energia; Nel capitolo 3, abbiamo esaminato come le caratteristiche ondulatorie di elettroni e protoni consentano loro di superare le barriere energetiche nella struttura degli enzimi. In questo capitolo imparerai che la dualità onda-particella influenza anche le più importanti reazioni biochimiche nella biosfera: la trasformazione di aria, acqua e luce in piante, microrganismi e, indirettamente, tutti noi. Ma prima dobbiamo capire come l'idea audace che le particelle possano trovarsi in più di un posto contemporaneamente sia supportata dagli esperimenti più semplici, eleganti e allo stesso tempo più ambiziosi della storia: uno di questi esperimenti, secondo Richard Feynman, "si trova nel cuore della meccanica quantistica".

Tuttavia, devo avvertirti che quanto descritto qui ti sembrerà impossibile e potresti pensare che ci debba essere un modo più razionale per spiegare ciò che sta accadendo. Potresti chiederti qual è il segreto di questo trucco magico. Oppure si può concludere che l'esperienza è pura speculazione teorica, composta da scienziati privi dell'immaginazione per comprendere il funzionamento della natura. Ma nessuna di queste spiegazioni è corretta. L'esperienza della doppia fenditura non ha una spiegazione (comune), ma è reale ed è stata replicata migliaia di volte.

Descriveremo l'esperimento in tre fasi; i primi due riguarderanno la descrizione delle condizioni in modo da poter apprezzare i risultati incomprensibili della terza fase, principale.

In primo luogo, un raggio di luce monocromatica (costituito da onde dello stesso colore, cioè onde della stessa lunghezza) viene diretto verso uno schermo con due strette fenditure che consentono alla luce di passare attraverso entrambe le fenditure fino al secondo schermo (Fig. 4.1).

Riso. 4.1. Esperimento a doppia fenditura, fase 1 Quando la luce monocromatica (con una certa lunghezza d'onda) viene inviata a due fenditure, ciascuna fenditura funge da nuova sorgente di luce sull'altro lato. A causa della natura dell'onda, la luce si propaga (si disperde) dopo essere passata attraverso ciascuna fenditura, in modo che le onde circolari si sovrappongano e interagiscano tra loro, formando bande scure e chiare sullo schermo posteriore.

Controllando con precisione la larghezza delle fenditure, la distanza tra loro e la distanza tra i due schermi, possiamo creare una sequenza di frange chiare e scure sul secondo schermo, nota come pattern di interferenza.

I modelli di interferenza sono grafici d'onda e sono facili da vedere in qualsiasi mezzo d'onda. Lancia un sasso sulla superficie dello stagno e vedrai una serie di onde circolari concentriche irradiarsi dal punto di spruzzatura. Lancia due rocce nello stesso stagno e ognuna formerà le proprie onde concentriche. Dove le onde delle due pietre si sovrappongono, vedrai uno schema di interferenza (Figura 4.2).

Riso. 4.2. Interferenza d'onda costruttiva e distruttiva

Quando il picco di un'onda incontra il punto minimo di un'altra, si annullano a vicenda, risultando in nessuna onda in quel punto. Questo fenomeno è chiamato interferenza distruttiva. Al contrario, dove due picchi o due punti minimi si incontrano, si rafforzano a vicenda, creando una doppia onda: questo fenomeno è chiamato interferenza costruttiva. Un modello simile di decadimento e amplificazione delle onde può essere osservato in qualsiasi mezzo ondulatorio. Il fisico inglese Thomas Young dimostrò l'interferenza dei fasci di luce in una prima versione dell'esperimento della doppia fenditura condotto oltre 200 anni fa. Il risultato convinse lui e molti altri scienziati che la luce era in realtà un'onda.

L'interferenza che vediamo nel test della doppia fenditura dipende principalmente dal percorso che le onde luminose prendono attraverso la fenditura e poi si propagano, una proprietà delle onde nota come diffrazione. Così, i raggi che emanano dalle feritoie si sovrappongono e si assorbono a vicenda prima di raggiungere il lunotto, proprio come le onde sull'acqua. In alcuni punti dello schermo, le onde di luce emanate dalle due fenditure entrano in una fase in cui si alternano picchi e avvallamenti, o perché hanno percorso la stessa distanza dallo schermo o perché la differenza di distanza che hanno percorso è un multiplo della distanza tra le loro vette. In questo caso, gli alti e bassi delle onde si combinano per formare punti ancora più alti e più bassi. Questo fenomeno è chiamato interferenza costruttiva. Quando le onde sono stratificate, si forma una luce ad alta intensità e, di conseguenza, una banda luminosa sullo schermo. Ma in altri punti la luce delle due fenditure cade sfasata e il punto più alto di un'onda incontra il punto più basso dell'altra. In questi punti, le onde si annullano a vicenda, il che porta alla formazione di una banda scura sullo schermo: un'interferenza distruttiva. Tra questi due estremi, la combinazione non è né completamente "in fase" né "fuori fase" e rimane un po' di luce. Pertanto, sullo schermo non vediamo una sequenza esatta di bande chiare e scure, ma un cambiamento graduale di intensità tra i punti massimo e minimo del pattern di interferenza. Questa variazione regolare ondulata di intensità è un indicatore chiave dei fenomeni ondulatori. C'è un esempio con le onde sonore: un musicista, mentre accorda uno strumento, ascolta dei battiti, che si ottengono se una nota è molto vicina in frequenza all'altra, in modo che nel tragitto verso l'orecchio del musicista a volte cadano in fase o fuori fase di fase. La variazione delle loro combinazioni produce un suono comune, il cui volume aumenta e diminuisce periodicamente. Il graduale cambiamento dell'intensità del suono è dovuto all'interferenza tra due onde separate. Si noti che questi battiti sono un fenomeno che obbedisce alle leggi della fisica classica e non richiede un'interpretazione quantistica.

Il fattore chiave nell'esperimento della doppia fenditura è che il raggio di luce che entra nel primo schermo deve essere monocromatico (costituito da lunghezze d'onda della stessa lunghezza). La luce bianca che proviene da una normale lampadina, al contrario, è composta da onde di diverse lunghezze d'onda (tutti i colori dell'arcobaleno), quindi le onde cadranno casualmente sullo schermo. In questo caso, nonostante il fatto che i picchi e i punti bassi delle onde interagiscano tra loro, l'immagine risultante sarà così complessa e sfocata che le singole bande saranno indistinguibili. Allo stesso modo, nonostante la facilità di ottenere uno schema di interferenza lanciando due sassi in uno stagno, un'enorme cascata che cade nello stagno forma così tante onde che è impossibile vedere uno schema di interferenza coerente.

Ora, nella seconda fase dell'esperimento della doppia fenditura, non useremo la luce, ma i proiettili che volano sullo schermo. La linea di fondo è che stiamo usando particelle solide, non onde propaganti. Ogni proiettile deve, ovviamente, passare attraverso l'uno o l'altro slot, ma non entrambi contemporaneamente. Dopo che il numero richiesto di proiettili è passato attraverso le fessure, vedremo sullo schermo posteriore due fasce di fori di proiettile corrispondenti a due fessure (Fig. 4.3).

Riso. 4.3. Esperimento con due fenditure, fase 2. Contrariamente al comportamento delle onde luminose, il flusso di proiettili che volano attraverso le fenditure dimostra il comportamento delle particelle. Ogni proiettile che colpisce lo schermo posteriore deve passare attraverso uno o l'altro slot, ma non entrambi (supponendo, ovviamente, che il centro dello schermo sia abbastanza spesso da fermare i proiettili che non colpiscono gli slot). A differenza dell'interferenza multi-banda, il modello sullo schermo posteriore mostra un gruppo di proiettili attorno a due bande strette corrispondenti a ciascuna fenditura

Naturalmente, non abbiamo a che fare con le onde. Ogni proiettile è una particella separata e non interagisce con l'altra, quindi non c'è interferenza.

E ora la terza fase: il "trucco" quantistico. L'esperimento viene ripetuto usando atomi invece di proiettili. Un raggio di atomi emanato dalla sorgente vola sullo schermo con due strette fessure. Per registrare l'impatto degli atomi, il secondo schermo ha un rivestimento fotoluminescente, sul quale appare un minuscolo punto luminoso nel sito dell'impatto dell'atomo.

Se ci fosse il buon senso a livello microscopico, allora gli atomi si comporterebbero come minuscoli proiettili. Per prima cosa, eseguiremo l'esperimento aprendo solo la fenditura sinistra e vedremo una striscia di punti luminosi sullo schermo dietro la fenditura aperta. Un certo numero di punti è posizionato in modo non uniforme sullo schermo: questo può indicare che alcuni atomi vengono respinti dai bordi, cambiano la loro traiettoria e non passano rigorosamente attraverso la fenditura. Successivamente, apriremo lo slot giusto e attenderemo che i punti luminosi appaiano sullo schermo posteriore.

Se ti venisse chiesto di prevedere la distribuzione dei punti luminosi e non sapessi nulla della meccanica quantistica, indovineresti naturalmente che assomiglierebbe all'immagine ottenuta nell'esperimento con i proiettili. Vale a dire: dietro ogni fessura si forma una striscia di punti, ovvero sullo schermo compaiono due diverse aree luminose, più luminose al centro e sfumando gradualmente verso i bordi, poiché i colpi di atomi diventano più rari. Ci si può anche aspettare che l'area nel mezzo tra le due bande luminose sia scura, poiché corrisponde alla parte dello schermo che è impenetrabile agli atomi, indipendentemente dallo spazio in cui cadono.

Tuttavia, questo non corrisponde a ciò che stiamo vedendo. Al contrario, vediamo un'immagine molto chiara dell'interferenza delle bande chiare e scure, esattamente come nell'esperimento con la luce. Che ci crediate o no, la parte più luminosa dello schermo si trova al centro: nella zona in cui molti atomi non dovrebbero cadere (Fig. 4.4).

Riso. 4.4. Esperimento con due fenditure, fase 3. Quando i proiettili vengono sostituiti da atomi emessi da una sorgente situata di fronte alle fenditure (ovviamente, la larghezza e la distanza appropriate tra le fenditure vengono selezionate in ogni fase), osserviamo nuovamente un'onda- come il modello di interferenza. Anche se ogni atomo che colpisce lo schermo posteriore a un certo punto si comporta come una particella, si fondono in bande, proprio come abbiamo visto con la luce. Perché gli atomi attraversano due fenditure contemporaneamente, senza le quali non vedremmo più frange di interferenza?

Infatti, con la corretta distanza tra le fenditure e la corretta distanza tra i due schermi, possiamo verificare che l'area luminosa sullo schermo posteriore (dove gli atomi potrebbero essere entrati con una fenditura aperta) è ora, con due fenditure aperte, scuro (non un singolo atomo vi entra). In che modo l'apertura di una seconda fenditura, che consente il passaggio di più atomi, impedisce agli atomi di raggiungere determinate parti dello schermo?

Vediamo se riusciamo a spiegare cosa sta succedendo usando la logica ordinaria, senza ricorrere ancora alla meccanica quantistica. Supponiamo quanto segue: nonostante il fatto che ogni atomo sia una particella microscopica (dopotutto, ogni atomo colpisce lo schermo in un punto), un numero enorme di atomi che si scontrano e interagiscono tra loro in modo coordinato speciale formano un'immagine con visibilità interferenza. Comunque sia, sappiamo che le onde d'acqua sono in realtà composte da molte molecole d'acqua, che individualmente non sono onde. È il movimento coordinato di trilioni di molecole d'acqua, e non ciascuna molecola singolarmente, che mostra proprietà ondulatorie. Forse la pistola atomica emette un flusso coordinato di atomi, come una macchina a onde in una piscina.

Per testare la teoria degli atomi abbinati, ripeteremo l'esperimento, ma ora invieremo atomi uno per uno. Accendiamo il cannone atomico e aspettiamo che appaia un punto luminoso sullo schermo posteriore prima di accenderlo una seconda volta, e così via, in una determinata parte dello schermo. Gli atomi sembrano sparare fuori dal cannone come particelle, come proiettili, e colpire lo schermo come particelle. Naturalmente, nello spazio tra la pistola e lo schermo, dovrebbero anche comportarsi come particelle. Ma - attenzione - focus: dal cappello spunta un coniglio quantico. Quando le macchie, ognuna delle quali registra il colpo di un singolo atomo di proiettile, ricoprono gradualmente lo schermo, le frange di interferenza chiare e scure ricompaiono su di esso. Poiché gli atomi ora passano attraverso il bersaglio uno alla volta, non possiamo dire che ci sia un comportamento collettivo di molti atomi che entrano in collisione e interagiscono tra loro. Non sono come le onde dell'acqua. Ancora una volta, ci troviamo di fronte a un risultato contraddittorio: ci sono punti sullo schermo posteriore che gli atomi possono colpire con una sola fenditura aperta e che rimangono completamente scuri quando viene aperta anche la seconda fenditura, nonostante il fatto che la sua apertura fornisca un percorso aggiuntivo affinché gli atomi colpiscano lo schermo. Sembra che un atomo, passando attraverso una fenditura, in qualche modo conosce indipendentemente dal fatto che il secondo slot sia aperto o meno e agisca di conseguenza!

Quindi, ogni atomo viene emesso dalla pistola come una minuscola particella e cade sul secondo schermo come una particella, come si vede nel minuscolo lampo di luce che colpisce. Ma nello spazio tra loro, quando incontrano due fenditure, accade qualcosa di magico, come un'onda che si propaga, che si divide in due componenti, ciascuna delle quali passa attraverso la fenditura e interagisce con l'altra dall'altra parte dello schermo. In quale altro modo un atomo può sapere sullo stato (aperto o chiuso) di entrambe le fenditure contemporaneamente?

Con una presa in mente, vediamo se riusciamo a catturare gli atomi aspettandoli dietro le fessure. Questo può essere fatto posizionando un sensore dietro la fenditura sinistra, diciamo, in modo che registri un "segnale" (forse un segnale audio) quando un atomo passa attraverso questa fenditura nel suo cammino verso lo schermo. Possiamo anche posizionare un secondo sensore dietro la fenditura destra per rilevare gli atomi che passano attraverso quella fenditura. Ora, se un atomo passa attraverso l'uno o l'altro slot, sentiremo un segnale acustico dal sensore destro o sinistro. Ma se l'atomo può in qualche modo superare la sua natura simile a un proiettile e passare attraverso entrambe le fessure, allora entrambi i rivelatori emetteranno un segnale acustico contemporaneamente.

Ora vediamo che ogni volta che si accende il cannone atomico, che è accompagnato dalla comparsa di un punto luminoso sullo schermo, il segnale emette il sensore sinistro o destro, ma non entrambi contemporaneamente. Indubbiamente, ora abbiamo finalmente la prova che l'interazione degli atomi avviene quando gli atomi passano attraverso l'uno o l'altro slot, ma non entrambi contemporaneamente. Tuttavia, siamo pazienti e continuiamo a guardare lo schermo. Quando i singoli lampi di luce si combinano, vediamo che lo schema che creano non sembra più uno schema di interferenza. Invece, appaiono due bande luminose, che indicano un ammasso di molti atomi dietro ciascuna fenditura, proprio come nell'esperimento del proiettile. Ora, durante l'esperimento, gli atomi si comportano come particelle ordinarie. Come se ogni atomo si comportasse come un'onda quando incontra le fessure, se non viene osservato altrimenti rimane solo una minuscola particella.

Forse la presenza del sensore sta causando il problema, influendo sullo strano comportamento degli atomi che passano attraverso le fenditure. Proviamolo rimuovendo un sensore, diciamo a destra. Possiamo ancora ottenere alcune informazioni da questo circuito, perché quando la pistola è accesa e sullo schermo compaiono il segnale e il punto luminoso, sapremo che l'atomo deve essere passato attraverso la fenditura sinistra. Quando accendiamo la pistola, non sentiamo un segnale, ma vediamo un punto luminoso sullo schermo, sappiamo che gli atomi devono aver colpito lo schermo attraverso la fessura giusta. Ora possiamo sapere se gli atomi sono passati attraverso la fessura sinistra o destra, ma la loro traiettoria è "spezzata" solo su un lato. Se il sensore stesso sta causando problemi, ci aspetteremmo che gli atomi che hanno causato il segnale acustico si comportassero come proiettili e gli atomi che non hanno causato il segnale acustico (e passati attraverso la fessura destra) si comportassero come onde. Probabilmente vedremo sullo schermo una combinazione di uno schema di proiettili (dagli atomi che passano attraverso la fenditura sinistra) e uno schema di interferenza (dagli atomi che passano attraverso la fenditura di destra).

Ma non lo è. In questa situazione, ancora una volta non osserviamo lo schema di interferenza. Sullo schermo si forma uno schema dietro ogni fenditura, costituito da atomi simili a proiettili che si comportano come particelle. Sembra che la semplice presenza di un sensore che registra la posizione di un atomo sia sufficiente per distruggere il suo comportamento ondulatorio, anche se il sensore si trova a una certa distanza dalla traiettoria di un atomo che passa attraverso un'altra fenditura!

Forse è sufficiente la presenza fisica del sensore vicino alla fessura di sinistra per influenzare il passaggio degli atomi attraverso di essa, proprio come un grosso sasso cambia la direzione dell'acqua in un ruscello impetuoso. Possiamo sperimentare spegnendo il sensore sinistro. È ancora al suo posto, quindi possiamo aspettarci che il suo impatto sia più o meno lo stesso. Ma ora, in presenza del sensore spento, lo schema di interferenza riappare sullo schermo! Tutti gli atomi partecipanti all'esperimento hanno ricominciato a comportarsi come onde. Perché gli atomi si comportano come particelle in presenza di un sensore vicino alla fenditura sinistra, ma appena il sensore viene spento si comportano come onde? Come una particella che passa attraverso la fenditura destra, conosce se il sensore a sinistra è acceso o spento?

In questa fase, dovrai dimenticare la logica e il buon senso. Ora abbiamo a che fare con la dualità onda-particella di piccoli oggetti come atomi, elettroni o fotoni, che si comportano come un'onda se non sappiamo in quale fenditura passano, e come una particella se li osserviamo. Questo è il processo di osservazione o misurazione di oggetti quantistici, di cui abbiamo parlato nel Capitolo 1, quando abbiamo considerato la dimostrazione dell'entanglement quantistico di singoli fotoni nell'esperimento di Alain Aspe. Come ricorderete, il team di Aspe ha misurato i fotoni facendoli passare attraverso una lente polarizzata che ha eliminato il loro stato entangled, che è un segno distintivo della loro natura ondulatoria, rendendoli scegliere una classica direzione di polarizzazione. Allo stesso modo, la misurazione degli atomi coinvolti nel test della doppia fenditura li costringe a scegliere se passare attraverso la fenditura destra o sinistra.

La meccanica quantistica ci fornisce una meravigliosa motivazione per questo fenomeno; ma l'unica spiegazione per ciò che vediamo - il risultato dell'esperienza - non riguarda ciò che accade quando non osserviamo. Tuttavia, poiché possiamo solo vedere e misurare, probabilmente non ha senso pretendere di più dagli oggetti quantistici. Come valutare la legittimità o correttezza della segnalazione di un fenomeno che non possiamo mai, nemmeno in teoria, verificare? Non appena proviamo a farlo, cambiamo il risultato.

L'interpretazione quantistica dell'esperimento della doppia fenditura è che in un dato momento, ogni atomo deve essere descritto da un insieme di numeri che determina la sua probabile posizione nello spazio. Questa è la metrica che abbiamo descritto nel Capitolo 2 come Funzione d'onda. Quindi abbiamo parlato della funzione d'onda utilizzando l'esempio del tracciamento di un'ondata di criminalità che si diffonde in una città determinando la probabilità di rapine in diverse aree. Allo stesso modo, la funzione d'onda che descrive il passaggio di un atomo attraverso due fenditure traccia la probabilità di trovarlo in qualsiasi punto dell'apparato in un dato momento. Ma, come abbiamo chiarito in precedenza, se il rapinatore deve avere una posizione nello spazio e nel tempo, e l'onda "probabilità del crimine" descrive solo la nostra mancanza di conoscenza della sua effettiva posizione, allora, al contrario, la funzione d'onda dell'atomo nell'esperimento con due fessure vero, cioè descrive la posizione fisica di un atomo, che in realtà non ha una posizione specifica a meno che non la misuriamo. L'atomo è quindi in tutti i posti allo stesso tempo - con probabilità variabile, ovviamente, quindi è improbabile trovare un atomo in luoghi in cui la sua funzione d'onda è piccola.

Quindi, invece dei singoli atomi che partecipano all'esperimento della doppia fenditura, dobbiamo considerare la funzione d'onda che passa dalla sorgente allo schermo posteriore. Quando passa attraverso le fenditure, la funzione d'onda si divide in due e ciascuna metà passa attraverso una delle fenditure. Si noti che ciò che stiamo descrivendo qui è il modo in cui l'astratto matematico numero cambia nel tempo. È inutile chiedersi cosa in realtà succede, dal momento che dobbiamo guardare per verificare. Ma non appena proviamo a farlo, distorciamo il risultato.

La domanda sorge spontanea: quando la funzione d'onda si "trasforma" di nuovo in un atomo localizzato? Risposta: quando proviamo a determinarne la posizione. Con una tale misurazione, la funzione d'onda quantistica si rompe fino a un'unica possibilità. Ancora una volta, questa non è come la situazione del ladro, in cui l'incertezza sulla sua ubicazione viene improvvisamente ridotta a un unico punto, dopo di che viene arrestato dalla polizia. In questo caso, la definizione ha influito proprio sulle nostre informazioni sul luogo in cui si trova il rapinatore. Era sempre solo in un posto alla volta. Ma questo non è il caso dell'atomo; in assenza di qualsiasi dimensione, l'atomo è davvero ovunque.

Pertanto, la funzione d'onda quantistica calcola la probabilità di trovare un atomo in una posizione particolare, dove possiamo misurare la sua posizione in un dato momento. Se la funzione d'onda è grande prima della misurazione, la probabilità risultante di trovare l'atomo sarà alta. Ma dove è piccolo, forse a causa dell'interferenza distruttiva dell'onda, la probabilità di trovare un atomo, se vogliamo guardare, è quindi bassa.

Possiamo immaginare una funzione d'onda che descrive un atomo dopo che ha lasciato la sorgente. Si comporta come un'onda che tende agli slot, così che a livello del primo schermo la sua ampiezza sarà uguale in ogni slot. Se posizioniamo il sensore su una delle fenditure, dovremmo aspettarci uguali probabilità: il 50% delle volte fisseremo l'atomo sulla fenditura sinistra e il 50% delle volte sulla fenditura destra. Ma - e questo è importante - se non proviamo a rilevare l'atomo a livello del primo schermo, la funzione d'onda penetra attraverso entrambe le fenditure senza distruzione. Quindi, in termini quantistici, possiamo parlare della funzione d'onda che descrive un atomo nella sua sovrapposizione: la sua esistenza in due luoghi contemporaneamente, rispettivamente, la sua funzione d'onda che passa contemporaneamente attraverso le fenditure di destra e di sinistra.

Sull'altro lato degli slot, ciascuna parte separata della funzione d'onda, una da sinistra e una da destra, si propaga nuovamente e forma un insieme di onde matematiche che si sovrappongono, amplificandosi a vicenda in alcuni punti e neutralizzandosi a vicenda ampiezza agli altri. L'effetto combinato è che la funzione d'onda ha uno schema caratteristico di altri fenomeni d'onda come la luce. Ma teniamo presente che questa complessa funzione d'onda è ancora caratteristica di un singolo atomo.

Nella seconda schermata, dove viene effettuata la misura finale della posizione dell'atomo, la funzione d'onda permette di calcolare la probabilità di trovare una particella in vari punti dello schermo. Le strisce luminose sullo schermo corrispondono a quelle posizioni in cui le due parti della funzione d'onda che emanano dalle due fenditure si rafforzano a vicenda, e le strisce scure corrispondono a quelle posizioni in cui si annullano a vicenda e formano una probabilità zero di trovare un atomo a queste posizioni.

È importante ricordare che questo processo di amplificazione e neutralizzazione - interferenza quantistica - avviene anche con la partecipazione di una singola particella. Ricorda che ci sono aree sullo schermo che gli atomi emessi contemporaneamente possono raggiungere solo con una fenditura aperta e che rimangono irraggiungibili con entrambe le fenditure aperte. Questo ha senso solo se ogni atomo sparato dal cannone atomico è descritto da una funzione d'onda che può percorrere entrambi i percorsi contemporaneamente. La funzione d'onda combinata con aree di interferenza costruttiva e distruttiva elimina la possibilità di rilevare un atomo in alcune posizioni dello schermo accessibili solo con una fenditura aperta.

Tutte le particelle quantistiche, siano esse particelle elementari o atomi o molecole costituite da queste particelle, mostrano un comportamento ondulatorio in modo che possano interagire tra loro. In un tale stato quantistico, possono esibire tutti i tipi di strani comportamenti quantistici, come trovarsi in due posti contemporaneamente, girare in entrambe le direzioni contemporaneamente, attraversare barriere impenetrabili o connessioni bizzarramente intricate con partner distanti.

In tal caso, perché tu o io, che siamo fatti di particelle quantistiche, non possiamo essere in due posti contemporaneamente? Sarebbe molto utile nei nostri tempi frenetici. La risposta è molto semplice: più grande e massiccio è il corpo, minori sono le sue proprietà ondulatorie, e un corpo con la massa e le dimensioni di una persona o qualcos'altro abbastanza grande e visibile ad occhio nudo avrà un corpo così piccolo lunghezza d'onda quantistica che non ha alcun effetto misurabile. Ma, se guardi più in profondità, potresti pensare che ogni atomo del tuo corpo sia osservato, o misurato, dagli altri atomi che lo circondano, in modo che qualsiasi proprietà quantistica minima che potrebbe avere venga distrutta molto rapidamente.

Cosa intendiamo allora per "misurazione"? Abbiamo già risposto brevemente a questa domanda nel Capitolo 1, ma ora dobbiamo soffermarci su di essa in modo più dettagliato, poiché questo è il punto chiave nella domanda su quanto sia grande la componente quantistica nella biologia quantistica.

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