La parola incertezza è usata molto nella meccanica quantistica. Una scuola di pensiero è che questo significa che c’è qualcosa là fuori nel mondo di cui siamo incerti. Ma la maggior parte dei fisici crede che la natura stessa sia incerta.

L’incertezza intrinseca era fondamentale per il modo in cui il fisico tedesco Werner Heisenberg, uno dei creatori della moderna meccanica quantistica, presentò la teoria.

avanti il Principio di indeterminazione che ha mostrato che non possiamo mai conoscere tutte le proprietà di una particella contemporaneamente.

Ad esempio, misurare la posizione della particella ci permetterebbe di conoscere la sua posizione. Ma questa misurazione disturberebbe necessariamente la sua velocità, di una quantità inversamente proporzionale alla precisione della misurazione della posizione.

Heisenberg era sbagliato?

Heisenberg ha usato il Principio di incertezza per spiegare come sarebbe stata la misurazione distruggere quella caratteristica classica della meccanica quantistica, il modello di interferenza a due fenditure (più su questo sotto).

Ma negli anni ’90, alcuni eminenti fisici quantistici sostenevano di aver dimostrato che è possibile determinare quale dei due fenditure attraversate da una particella, senza disturbare in modo significativo la sua velocità.

Significa che la spiegazione di Heisenberg deve essere sbagliata? Nel lavoro appena pubblicato su Science Advances, i miei colleghi sperimentali ed io abbiamo dimostrato che non sarebbe saggio saltare a quella conclusione.

Mostriamo che un disturbo della velocità – delle dimensioni previste dal Principio di incertezza – esiste sempre , in un certo senso.

Ma prima di entrare nei dettagli dobbiamo spiegare brevemente l’esperimento a due fenditure.

L’esperimento a due fenditure

In questo tipo di esperimento ci è una barriera con due fori o fessure. Abbiamo anche una particella quantistica con un’incertezza di posizione abbastanza grande da coprire entrambe le fenditure se viene sparata contro la barriera.

Poiché non possiamo sapere quale fenditura attraversa la particella, si comporta come se andasse attraverso entrambe le fessure. La firma di questo è il cosiddetto “pattern di interferenza”: increspature nella distribuzione del punto in cui è probabile che la particella si trovi su uno schermo nel campo lontano oltre le fenditure, il che significa una lunga strada (spesso diversi metri) oltre le fessure .

Ma cosa succede se mettiamo una misurazione dispositivo vicino alla barriera per scoprire quale fenditura attraversa la particella? Vedremo ancora lo schema di interferenza?

Sappiamo che la risposta è no, e la spiegazione di Heisenberg era che se la misurazione della posizione è abbastanza precisa da dire quale fenditura attraversa la particella, darà un disturbo casuale alla sua velocità abbastanza grande da influenzare dove finisce è nel campo più lontano, e quindi lava via le increspature dell’interferenza.

Ciò che gli eminenti fisici quantistici hanno capito è che scoprire quale fenditura attraversa la particella non richiede una misurazione della posizione in quanto tale. Va bene qualsiasi misura che dia risultati diversi a seconda della fenditura attraversata dalla particella.

E hanno escogitato un dispositivo il cui effetto sulla particella non è quello di un calcio di velocità casuale durante il suo passaggio. Quindi, hanno sostenuto, non è il Principio di indeterminazione di Heisenberg che spiega la perdita di interferenza, ma qualche altro meccanismo.

Come aveva predetto Heisenberg

Non dobbiamo entrare in ciò che loro affermato era il meccanismo per distruggere l’interferenza, perché il nostro esperimento ha dimostrato che c’è un effetto sulla velocità della particella, proprio della dimensione prevista da Heisenberg.

Abbiamo visto quello che altri hanno perso perché questo disturbo della velocità non si verifica quando la particella passa attraverso il dispositivo di misurazione. Piuttosto viene ritardato fino a quando la particella è ben oltre le fenditure, sulla strada verso il campo lontano.

Com’è possibile? Bene, perché le particelle quantistiche non sono in realtà solo particelle. Sono anche onde.

In effetti, la teoria alla base del nostro esperimento era quella in cui si manifestano sia la natura ondulatoria che particellare: l’onda guida il moto della particella secondo l’interpretazione introdotta dal fisico teorico David Bohm , una generazione dopo Heisenberg.

Facciamo esperimenti

Nel nostro ultimo esperimento, gli scienziati in Cina hanno seguito una tecnica suggerita da me nel 2007 per ricostruire il moto ipotizzato delle particelle quantistiche, da molti diversi possibili punti di partenza attraverso entrambi fenditure e per entrambi i risultati della misurazione.

Hanno confrontato le velocità nel tempo quando non era presente alcun dispositivo di misurazione con quelle presenti, e così hanno determinato la variazione delle velocità come risultato della misurazione.

L’esperimento ha mostrato che l’effetto della misurazione sulla velocità delle particelle è continuato a lungo dopo che le particelle avevano liberato il dispositivo di misurazione stesso, fino a 5 metri di distanza da esso.

A quel punto, nel campo lontano, la variazione cumulativa della velocità era in media abbastanza grande da eliminare le increspature nello schema di interferenza.

Quindi, alla fine, il Principio di incertezza di Heisenberg emerge trionfante.

Il messaggio da portare a casa? Non fare affermazioni di vasta portata su quale principio può o non può spiegare un fenomeno finché non hai considerato tutte le formulazioni teoriche del principio.

Sì, è un messaggio un po ‘astratto, ma è un consiglio che potrebbe essere applicato in campi lontani dalla fisica.