Se sei interessato alle più piccole cose conosciute dagli scienziati, c’è qualcosa che dovresti sapere. Sono straordinariamente mal educati. Ma c’era da aspettarselo. La loro casa è il mondo quantico.

Questi bit subatomici di materia non seguono le stesse regole degli oggetti che possiamo vedere, sentire o tenere. Queste entità sono spettrali e strane. A volte, si comportano come ciuffi di materia. Pensate a loro come palle da baseball subatomiche. Possono anche diffondersi come onde, come increspature su uno stagno.,

Anche se potrebbero essere trovati ovunque, la certezza di trovare una di queste particelle in un posto particolare è zero. Gli scienziati possono prevedere dove potrebbero essere-eppure non sanno mai dove sono. (Questo è diverso da, diciamo, una palla da baseball. Se lo lasci sotto il tuo letto, sai che è lì e che rimarrà lì fino a quando non lo muoverai.,)

“La linea di fondo è che il mondo quantistico non funziona nel modo in cui funziona il mondo intorno a noi”, afferma David Lindley. ” Non abbiamo davvero i concetti per affrontarlo”, dice. Formatosi come fisico, Lindley ora scrive libri sulla scienza (compresa la scienza quantistica) dalla sua casa in Virginia.,

Ecco un assaggio di quella stranezza: se colpisci una palla da baseball su uno stagno, naviga nell’aria per atterrare sull’altra riva. Se si lascia cadere una palla da baseball in uno stagno, onde ondulano via in cerchi in crescita. Quelle onde alla fine raggiungono l’altro lato. In entrambi i casi, qualcosa viaggia da un luogo all’altro. Ma il baseball e le onde si muovono in modo diverso. Una palla da baseball non ondula o forma picchi e valli mentre viaggia da un luogo all’altro. Le onde si’.

Ma negli esperimenti, le particelle nel mondo subatomico a volte viaggiano come onde. E a volte viaggiano come particelle., Perché le più piccole leggi della natura funzionano in questo modo non è chiaro — a nessuno.

Considera i fotoni. Queste sono le particelle che compongono la luce e le radiazioni. Sono piccoli pacchetti di energia. Secoli fa, gli scienziati credevano che la luce viaggiasse come un flusso di particelle, come un flusso di minuscole palle luminose. Poi, 200 anni fa, gli esperimenti hanno dimostrato che la luce potrebbe viaggiare come onde. Cento anni dopo, esperimenti più recenti hanno mostrato che la luce a volte poteva agire come onde, e talvolta agire come particelle, chiamate fotoni. Quei risultati hanno causato molta confusione. E argomenti. E mal di testa.,

Onda o particella? Nessuno dei due o entrambi? Alcuni scienziati hanno persino offerto un compromesso, usando la parola “wavicle.”Come gli scienziati rispondono alla domanda dipenderà da come cercano di misurare i fotoni. È possibile impostare esperimenti in cui i fotoni si comportano come particelle e altri in cui si comportano come onde. Ma è impossibile misurarli come onde e particelle allo stesso tempo.

Questa è una delle idee bizzarre che salta fuori dalla teoria quantistica. I fotoni non cambiano. Quindi come gli scienziati li studiano non dovrebbe importare. Non dovrebbero vedere una particella solo quando cercano particelle, e vedere solo le onde quando cercano onde.

“Credi davvero che la luna esista solo quando la guardi?”Albert Einstein ha chiesto notoriamente. (Einstein, nato in Germania, ha svolto un ruolo importante nello sviluppo della teoria quantistica.)

Questo problema, si scopre, non è limitato ai fotoni., Si estende agli elettroni e ai protoni e ad altre particelle piccole o più piccole degli atomi. Ogni particella elementare ha proprietà sia di un’onda che di una particella. Questa idea è chiamata dualità onda-particella. È uno dei più grandi misteri nello studio delle parti più piccole dell’universo. Questo è il campo noto come fisica quantistica.

La fisica quantistica svolgerà un ruolo importante nelle tecnologie future, ad esempio nei computer. I computer ordinari eseguono calcoli utilizzando trilioni di switch integrati in microchip. Questi interruttori sono ” on ” o ” off.,”Un computer quantistico, tuttavia, utilizza atomi o particelle subatomiche per i suoi calcoli. Poiché una tale particella può essere più di una cosa allo stesso tempo — almeno fino a quando non viene misurata — può essere “on” o “off” o da qualche parte nel mezzo. Ciò significa che i computer quantistici possono eseguire molti calcoli allo stesso tempo. Hanno il potenziale per essere migliaia di volte più veloce di macchine più veloci di oggi.

IBM e Google, due importanti aziende tecnologiche, stanno già sviluppando computer quantistici superveloci. IBM consente anche a persone esterne all’azienda di eseguire esperimenti sul suo computer quantistico.,

Gli esperimenti basati sulla conoscenza quantistica hanno prodotto risultati sorprendenti. Ad esempio, nel 2001, i fisici dell’Università di Harvard, a Cambridge, Mass., ha mostrato come fermare la luce nelle sue tracce. E dalla metà degli anni 1990, i fisici hanno trovato bizzarri nuovi stati della materia che sono stati predetti dalla teoria quantistica. Uno di questi-chiamato condensato di Bose — Einstein-si forma solo vicino allo zero assoluto. (Che è equivalente a -273.15 ° Celsius, o -459.67 ° Fahrenheit.) In questo stato, gli atomi perdono la loro individualità. Improvvisamente, il gruppo agisce come un grande mega-atomo.,

La fisica quantistica non è solo una scoperta interessante e bizzarra, però. È un corpo di conoscenza che cambierà in modi inaspettati il modo in cui vediamo il nostro universo e interagiamo con esso.

Una ricetta quantistica

La teoria quantistica descrive il comportamento delle cose — particelle o energia — sulla scala più piccola. Oltre alle onde, prevede che una particella possa essere trovata in molti luoghi contemporaneamente. O può tunnel attraverso i muri. (Immagina se potessi farlo!) Se si misura la posizione di un fotone, si potrebbe trovare in un posto — e si potrebbe trovare da qualche altra parte., Non si può mai sapere con certezza dove si trova.

Anche strano: grazie alla teoria quantistica, gli scienziati hanno mostrato come coppie di particelle possono essere collegate, anche se si trovano su lati diversi della stanza o lati opposti dell’universo. Si dice che le particelle collegate in questo modo siano impigliate. Finora, gli scienziati sono stati in grado di intrappolare fotoni che erano 1.200 chilometri (750 miglia) di distanza. Ora vogliono allungare ancora di più il limite di entanglement provato.

La teoria quantistica entusiasma gli scienziati, anche se li frustra.

Li eccita perché funziona., Gli esperimenti verificano l’accuratezza delle previsioni quantistiche. Inoltre è stato importante per la tecnologia per più di un secolo. Gli ingegneri hanno usato le loro scoperte sul comportamento dei fotoni per costruire laser. E la conoscenza del comportamento quantistico degli elettroni ha portato all’invenzione dei transistor. Ciò ha reso possibili dispositivi moderni come laptop e smartphone.

Ma quando gli ingegneri costruiscono questi dispositivi, lo fanno seguendo regole che non comprendono appieno. La teoria quantistica è come una ricetta. Se hai gli ingredienti e segui i passaggi, finisci con un pasto., Ma usare la teoria quantistica per costruire la tecnologia è come seguire una ricetta senza sapere come cambia il cibo mentre cuoce. Certo, si può mettere insieme un buon pasto. Ma non si poteva spiegare esattamente cosa è successo a tutti gli ingredienti per rendere quel cibo così grande.

Gli scienziati usano queste idee “senza alcuna idea del perché dovrebbero essere lì”, osserva il fisico Alessandro Fedrizzi. Progetta esperimenti per testare la teoria quantistica alla Heriot-Watt University di Edimburgo, in Scozia. Spera che quegli esperimenti aiuteranno i fisici a capire perché le particelle agiscono in modo così strano sulle scale più piccole.,

Il gatto sta bene?

Se la teoria quantistica ti sembra strana, non preoccuparti. Sei in buona compagnia. Anche famosi fisici si grattano la testa sopra di esso.

Ricordate Einstein, il genio tedesco? Ha aiutato a descrivere la teoria quantistica., E spesso diceva che non gli piaceva. Ne ha discusso con altri scienziati per decenni.

“Se riesci a pensare alla teoria quantistica senza avere le vertigini, non lo capisci”, scrisse una volta il fisico danese Niels Bohr. Bohr fu un altro pioniere nel campo. Aveva argomenti famosi con Einstein su come capire la teoria quantistica. Bohr fu una delle prime persone a descrivere le cose strane che saltano fuori dalla teoria quantistica.

“Penso di poter tranquillamente dire che nessuno capisce quantum”, ha detto una volta il fisico americano Richard Feynman., Eppure il suo lavoro negli anni ‘ 60 ha contribuito a dimostrare che i comportamenti quantistici non sono fantascienza. Accadono davvero. Gli esperimenti possono dimostrarlo.

La teoria quantistica è una teoria, che in questo caso significa che rappresenta la migliore idea degli scienziati su come funziona il mondo subatomico. Non è un’intuizione, o un’ipotesi. In realtà, si basa su buone prove. Gli scienziati hanno studiato e utilizzato la teoria quantistica per un secolo. Per aiutare a descriverlo, a volte usano esperimenti di pensiero. (Tale ricerca è conosciuta come teorica.,)

Nel 1935, il fisico austriaco Erwin Schrödinger descrisse un simile esperimento mentale su un gatto. In primo luogo, ha immaginato una scatola sigillata con un gatto dentro. Immaginava che la scatola contenesse anche un dispositivo che poteva rilasciare un gas velenoso. Se rilasciato, quel gas ucciderebbe il gatto. E la probabilità che il dispositivo abbia rilasciato il gas era del 50%. (Questo è lo stesso come la possibilità che una moneta capovolta sarebbe alzare la testa.)

Per controllare lo stato del gatto, apri la casella.

Il gatto è vivo o morto. Ma se i gatti si comportassero come particelle quantistiche, la storia sarebbe più strana. Un fotone, per esempio, può essere una particella e un’onda. Allo stesso modo, il gatto di Schrödinger può essere vivo e morto allo stesso tempo in questo esperimento mentale. I fisici chiamano questa ” sovrapposizione.,”Qui, il gatto non sarà l’uno o l’altro, vivo o morto, finché qualcuno non aprirà la scatola e non darà un’occhiata. Il destino del gatto, quindi, dipenderà dall’atto di fare l’esperimento.

Schrödinger ha usato quell’esperimento mentale per illustrare un problema enorme. Perché il modo in cui si comporta il mondo quantistico dovrebbe dipendere dal fatto che qualcuno stia guardando?

Benvenuti nel multiverso

Anthony Leggett ha pensato a questo problema per 50 anni. È un fisico all’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign., Nel 2003, ha vinto un premio Nobel per la fisica, il premio più prestigioso nel suo campo. Leggett ha contribuito a sviluppare modi per testare la teoria quantistica. Vuole sapere perché il mondo più piccolo non corrisponde a quello ordinario che vediamo. Gli piace chiamare il suo lavoro ” costruire il gatto di Schrödinger in laboratorio.”

Leggett vede due modi per spiegare il problema del gatto. Un modo è supporre che la teoria quantistica alla fine fallirà in alcuni esperimenti. ” Succederà qualcosa che non è descritto nei libri di testo standard”, dice. (Non ha idea di cosa possa essere quel qualcosa.,)

L’altra possibilità, dice, è più interessante. Mentre gli scienziati conducono esperimenti quantistici su gruppi più grandi di particelle, la teoria reggerà. E quegli esperimenti sveleranno nuovi aspetti della teoria quantistica. Gli scienziati impareranno come le loro equazioni descrivono la realtà e saranno in grado di riempire i pezzi mancanti. Alla fine, saranno in grado di vedere di più dell’intero quadro.

In poche parole, Leggett spera: “Le cose che in questo momento sembrano fantastiche saranno possibili.”

Alcuni fisici hanno proposto soluzioni ancora più selvagge al problema” cat”. Ad esempio: forse il nostro mondo è uno dei tanti. È possibile che esistano infiniti mondi. Se fosse vero, allora nell’esperimento mentale, il gatto di Schrödinger sarebbe vivo in metà dei mondi-e morto nel resto.

La teoria quantistica descrive particelle come quel gatto., Possono essere una cosa o un’altra allo stesso tempo. E diventa più strano: la teoria quantistica prevede anche che le particelle possano essere trovate in più di un luogo alla volta. Se l’idea dei molti mondi è vera, allora una particella potrebbe trovarsi in un posto in questo mondo e da qualche altra parte in altri mondi.

Questa mattina, probabilmente hai scelto quale camicia indossare e cosa mangiare a colazione. Ma secondo l’idea di molti mondi, c’è un altro mondo in cui hai fatto scelte diverse.

Questa strana idea è chiamata l’interpretazione “molti-mondo” della meccanica quantistica., È eccitante pensare, ma i fisici non hanno trovato un modo per verificare se è vero.

Aggrovigliato in particelle

La teoria quantistica include altre idee fantastiche. Come quell’intreccio. Le particelle possono essere impigliate — o collegate-anche se sono separate dalla larghezza dell’universo.

Immagina, ad esempio, che tu e un amico aveste due monete con una connessione apparentemente magica. Se uno si presentava testa, l’altro sarebbe sempre croce. Ognuno di voi prendere le monete a casa e poi capovolgere allo stesso tempo., Se il tuo arriva testa, poi nello stesso esatto momento si sa moneta del tuo amico è appena venuto su code.

Le particelle impigliate funzionano come quelle monete. In laboratorio, un fisico può intrappolare due fotoni, quindi inviare uno dei due in un laboratorio in una città diversa. Se misura qualcosa sul fotone nel suo laboratorio, come la velocità con cui si muove, conosce immediatamente le stesse informazioni sull’altro fotone. Le due particelle si comportano come se inviassero segnali istantaneamente. E questo reggerà anche se quelle particelle sono ora separate da centinaia di chilometri.,

La storia continua sotto il video.

Come in altre parti della teoria quantistica, quell’idea causa un grosso problema., Se le cose impigliate si inviano segnali l’un l’altro all’istante, allora il messaggio potrebbe sembrare viaggiare più veloce della velocità della luce-che, naturalmente, è il limite di velocità dell’universo! Quindi non puo ‘ succedere.

A giugno, gli scienziati in Cina hanno riportato un nuovo record per l’entanglement. Hanno usato un satellite per intrappolare sei milioni di coppie di fotoni. Il satellite ha teletrasportato i fotoni a terra, inviando uno di ogni coppia a uno dei due laboratori. I laboratori sedevano a 1.200 chilometri (750 miglia) di distanza. E ogni coppia di particelle è rimasta impigliata, hanno mostrato i ricercatori., Quando hanno misurato uno di una coppia, l’altro è stato colpito immediatamente. Hanno pubblicato questi risultati su Science.

Scienziati e ingegneri stanno ora lavorando su modi per utilizzare l’entanglement per collegare le particelle su distanze sempre più lunghe. Ma le regole della fisica impediscono ancora loro di inviare segnali più velocemente della velocità della luce.

Perché preoccuparsi?

Se chiedi a un fisico cosa sia veramente una particella subatomica, “Non lo so che nessuno possa darti una risposta”, dice Lindley.

Molti fisici si accontentano di non sapere., Lavorano con la teoria quantistica, anche se non la capiscono. Seguono la ricetta, senza mai sapere perché funziona. Possono decidere che se funziona, perché preoccuparsi di andare oltre?

Altri, come Fedrizzi e Leggett, vogliono sapere perché le particelle sono così strane. ” È molto più importante per me scoprire cosa c’è dietro tutto questo”, dice Fedrizzi.

Quarant’anni fa, gli scienziati erano scettici sul fatto che potessero fare tali esperimenti, osserva Leggett. Molti pensavano che fare domande sul significato della teoria quantistica fosse una perdita di tempo., Avevano anche un ritornello: “Zitto e calcola!”

Leggett confronta quella situazione passata con l’esplorazione delle fogne. Andare in tunnel fognari potrebbe essere interessante, ma non vale la pena visitare più di una volta.

“Se passassi tutto il tuo tempo a rovistare nelle viscere della Terra, la gente penserebbe che tu fossi piuttosto strano”, dice. “Se passi tutto il tuo tempo sulle fondamenta di quantum , la gente penserà che sei un po’ strano.”

Ora, dice, ” il pendolo ha oscillato dall’altra parte.”Studiare la teoria quantistica è diventato di nuovo rispettabile., In effetti, per molti è diventata una ricerca permanente per capire i segreti del mondo più piccolo.

“Una volta che il soggetto ti aggancia, non ti lascerà andare”, dice Lindley. Lui, a proposito, è agganciato.