Esperimenti incantesimi per una spiegazione vecchia di decenni della stranezza quantistica

In che modo la realtà oggettiva emerge dalla tavolozza delle possibilità fornite dalla meccanica quantistica? Quella domanda — la questione più profonda e più irritata posta dalla teoria — è ancora oggetto di argomentazioni vecchie di un secolo. Le possibili spiegazioni di come le osservazioni del mondo producano risultati definiti e "classici", attingendo a diverse interpretazioni di ciò che significa la meccanica quantistica, si sono solo moltiplicate in quel centinaio di anni circa.

Ma ora potremmo essere pronti ad eliminare almeno una serie di proposte. Recenti esperimenti hanno mobilitato l'estrema sensibilità degli strumenti della fisica delle particelle per testare l'idea che il "collasso" delle possibilità quantistiche in un'unica realtà classica non è solo una convenienza matematica ma un vero processo fisico, un'idea chiamata "collasso fisico". Gli esperimenti non trovano prove degli effetti previsti almeno dalle varietà più semplici di questi modelli di collasso.

È ancora troppo presto per dire definitivamente che il collasso fisico non si verifica. Alcuni ricercatori ritengono che i modelli potrebbero ancora essere modificati per sfuggire ai vincoli imposti loro dai risultati nulli degli esperimenti. Ma mentre "è sempre possibile salvare qualsiasi modello", ha detto Sandro Donadi, fisico teorico presso l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) di Trieste, in Italia, che ha condotto uno degli esperimenti, dubita che "la comunità continuerà a modificare i modelli [indefinitamente], poiché non ci sarà troppo da imparare così facendo”. Il cappio sembra stringersi su questo tentativo di risolvere il più grande mistero della teoria quantistica.

Quali sono le cause del collasso?

I modelli di collasso fisico mirano a risolvere un dilemma centrale della teoria quantistica convenzionale. Nel 1926 Erwin Schrödinger asserito che un oggetto quantistico è descritto da un'entità matematica chiamata funzione d'onda, che racchiude tutto ciò che si può dire sull'oggetto e le sue proprietà. Come suggerisce il nome, una funzione d'onda descrive un tipo di onda, ma non fisica. Piuttosto, è un'"onda di probabilità", che ci consente di prevedere i vari possibili risultati delle misurazioni effettuate sull'oggetto e la possibilità di osservarne uno qualsiasi in un determinato esperimento.

Se vengono effettuate molte misurazioni su tali oggetti quando sono preparati in modo identico, la funzione d'onda prevede sempre correttamente la distribuzione statistica dei risultati. Ma non c'è modo di sapere quale sarà il risultato di ogni singola misurazione: la meccanica quantistica offre solo probabilità. Cosa determina un'osservazione specifica? Nel 1932, il fisico matematico John von Neumann propose che, quando viene effettuata una misurazione, la funzione d'onda viene "collassata" in uno dei possibili risultati. Il processo è essenzialmente casuale ma influenzato dalle probabilità che codifica. La meccanica quantistica di per sé non sembra prevedere il collasso, che deve essere aggiunto manualmente ai calcoli.

Come trucco matematico ad hoc, funziona abbastanza bene. Ma ad alcuni ricercatori è sembrato (e continua a sembrare) un gioco di prestigio insoddisfacente. Einstein lo paragonò notoriamente a Dio che gioca a dadi per decidere cosa diventa "reale" - cosa osserviamo effettivamente nel nostro mondo classico. Il fisico danese Niels Bohr, nella sua cosiddetta interpretazione di Copenaghen, ha semplicemente pronunciato la questione fuori dai limiti, dicendo che i fisici dovevano semplicemente accettare una distinzione fondamentale tra il regime quantistico e quello classico. Al contrario, nel 1957 il fisico Hugh Everett affermò che il collasso della funzione d'onda è solo un'illusione e che in realtà tutti i risultati si realizzano in un numero quasi infinito di universi ramificati - ciò che i fisici ora chiamano "molti mondi. "

La verità è che "la causa fondamentale del collasso della funzione d'onda è ancora sconosciuta", ha affermato Kim Inwook, fisico presso il Lawrence Livermore National Laboratory in California. "Perché e come si verifica?"

Nel 1986 i fisici italiani Giancarlo Ghirardi, Alberto Rimini e Tullio Weber suggerimenti una domanda. E se, dissero, l'equazione d'onda di Schrödinger non fosse l'intera storia? Hanno ipotizzato che un sistema quantistico sia costantemente spinto da un'influenza sconosciuta che può indurlo a saltare spontaneamente in uno dei possibili stati osservabili del sistema, su una scala temporale che dipende da quanto è grande il sistema. Un piccolo sistema isolato, come un atomo in una sovrapposizione quantistica (uno stato in cui sono possibili diversi risultati di misurazione), rimarrà tale per molto tempo. Ma oggetti più grandi - un gatto, per esempio, o un atomo quando interagisce con un dispositivo di misurazione macroscopico - collassano in uno stato classico ben definito quasi istantaneamente. Questo cosiddetto modello GRW (dalle iniziali del trio) è stato il primo modello di collasso fisico; un dopo raffinatezza noto come modello di localizzazione spontanea continua (CSL) prevedeva un collasso graduale e continuo piuttosto che un salto improvviso. Questi modelli non sono tanto interpretazioni della meccanica quantistica quanto aggiunte ad essa, ha affermato il fisico Maddalena Zych dell'Università del Queensland in Australia.

Cos'è che causa questa localizzazione spontanea tramite il collasso della funzione d'onda? I modelli GRW e CSL non dicono; suggeriscono semplicemente di aggiungere un termine matematico all'equazione di Schrödinger per descriverla. Ma negli anni '1980 e '90 i fisici matematici Roger Penrose dell'Università di Oxford e Lajos Diósi dell'Università Eötvös Loránd di Budapest hanno proposto indipendentemente una possibile causa del crollo: la gravità. In parole povere, la loro idea era che se un oggetto quantistico si trova in una sovrapposizione di posizioni, ogni stato di posizione "sentirà" gli altri attraverso la loro interazione gravitazionale. È come se questa attrazione inducesse l'oggetto a misurarsi, costringendolo a un collasso. O se la si guarda dalla prospettiva della relatività generale, che descrive la gravità, una sovrapposizione di località deforma il tessuto dello spazio-tempo in due modi diversi contemporaneamente, una circostanza che la relatività generale non può accogliere. Come ha detto Penrose, in una situazione di stallo tra la meccanica quantistica e la relatività generale, il quantistico si spezzerà per primo.

La prova della verità

Queste idee sono sempre state altamente speculative. Ma, contrariamente alle spiegazioni della meccanica quantistica come le interpretazioni di Copenhagen ed Everett, i modelli di collasso fisico hanno il pregio di fare previsioni osservabili, e quindi di essere verificabili e falsificabili.

Se c'è davvero una perturbazione di fondo che provoca il collasso quantistico, sia che provenga da effetti gravitazionali o da qualcos'altro, tutte le particelle interagiranno continuamente con questa perturbazione, indipendentemente dal fatto che si trovino in una sovrapposizione o meno. In linea di principio, le conseguenze dovrebbero essere rilevabili. L'interazione dovrebbe creare uno "zigzag permanente di particelle nello spazio" paragonabile al moto browniano, ha affermato Catalina Curceanu, fisica dell'INFN.

Gli attuali modelli di collasso fisico suggeriscono che questo movimento diffusivo è solo molto lieve. Tuttavia, se la particella è carica elettricamente, il movimento genererà radiazione elettromagnetica in un processo chiamato bremsstrahlung. Un grumo di materia dovrebbe quindi emettere continuamente un flusso molto debole di fotoni, che le versioni tipiche dei modelli prevedono essere nella gamma dei raggi X. Donadi e il suo collega Angelo Bassi avere mostrato che l'emissione di tale radiazione è prevista da qualsiasi modello di collasso spontaneo dinamico, incluso il modello Diósi-Penrose.

Eppure "sebbene l'idea sia semplice, in pratica il test non è così facile", ha affermato Kim. Il segnale previsto è estremamente debole, il che significa che un esperimento deve coinvolgere un numero enorme di particelle cariche per ottenere un segnale rilevabile. E il rumore di fondo, che proviene da sorgenti come i raggi cosmici e le radiazioni nell'ambiente, deve essere mantenuto basso. Tali condizioni possono essere soddisfatte solo dagli esperimenti più sensibili, come quelli progettati per rilevare i segnali di materia oscura o le particelle sfuggenti chiamate neutrini.

Nel 1996, Qijia Fu dell'Hamilton College di New York - allora solo uno studente universitario - proposto utilizzando esperimenti di neutrini a base di germanio per rilevare una firma CSL dell'emissione di raggi X. (Settimane dopo aver presentato il suo documento, lo era colpito da un fulmine durante un'escursione nello Utah e ucciso.) L'idea era che i protoni e gli elettroni nel germanio dovessero emettere la radiazione spontanea, che i rivelatori ultrasensibili avrebbero captato. Eppure solo di recente sono entrati in linea strumenti con la sensibilità richiesta.

Nel 2020, un team in Italia, tra cui Donadi, Bassi e Curceanu, insieme a Diósi in Ungheria, ha utilizzato un rilevatore di germanio di questo tipo per testare il modello Diósi-Penrose. I rivelatori, creati per un esperimento sui neutrini chiamato IGEX, sono schermati dalle radiazioni in virtù della loro posizione sotto il Gran Sasso, una montagna dell'Appennino italiano.

Dopo aver sottratto con attenzione il segnale di fondo rimanente - per lo più radioattività naturale dalla roccia - i fisici non ha visto alcuna emissione a un livello di sensibilità che escludeva la forma più semplice del modello Diósi-Penrose. Essi anche posto forti limiti sui parametri entro i quali i vari modelli CSL potrebbero ancora funzionare. Il modello originale GRW si trova proprio all'interno di questa finestra stretta: è sopravvissuto per un soffio.

In un documento pubblicato questo agosto, il risultato del 2020 è stato confermato e rafforzato da un esperimento chiamato Majorana Demonstrator, nato principalmente per ricercare ipotetiche particelle denominate neutrini Majorana (che hanno la curiosa proprietà di essere antiparticelle di se stesse). L'esperimento è ospitato nel Sanford Underground Research Facility, che si trova a quasi 5,000 piedi sottoterra in un'ex miniera d'oro nel South Dakota. Ha una gamma più ampia di rivelatori di germanio ad alta purezza rispetto a IGEX e possono rilevare raggi X fino a basse energie. "Il nostro limite è molto più rigoroso rispetto al lavoro precedente", ha affermato Kim, un membro del team.

Una fine disordinata

Sebbene i modelli di collasso fisico siano gravemente malati, non sono del tutto morti. "I vari modelli fanno ipotesi molto diverse sulla natura e le proprietà del crollo", ha affermato Kim. I test sperimentali hanno ora escluso le possibilità più plausibili per questi valori, ma c'è ancora una piccola isola di speranza.

I modelli di localizzazione spontanea continua propongono che l'entità fisica che perturba la funzione d'onda sia una sorta di "campo di rumore", che i test attuali presuppongono sia rumore bianco: uniforme a tutte le frequenze. Questa è l'ipotesi più semplice. Ma è possibile che il rumore possa essere "colorato", ad esempio avendo un taglio delle alte frequenze. Curceanu ha affermato che testare questi modelli più complicati richiederà la misurazione dello spettro di emissione a energie più elevate di quanto sia stato possibile finora.

L'esperimento Majorana Demonstrator è ormai agli sgoccioli, ma il team sta formando una nuova collaborazione con un esperimento chiamato Gerda, con sede al Gran Sasso, per creare un altro esperimento per sondare la massa dei neutrini. Chiamato Leggenda, avrà array di rivelatori al germanio più massicci e quindi più sensibili. "Legend potrebbe essere in grado di spingere ulteriormente i limiti dei modelli CSL", ha affermato Kim. Ci sono anche proposte per analisi questi modelli in esperimenti spaziali, che non risentiranno del rumore prodotto dalle vibrazioni ambientali.

La falsificazione è un duro lavoro e raramente raggiunge un punto finale ordinato. Anche ora, secondo Curceanu, Roger Penrose, a cui è stato assegnato il Premio Nobel per la fisica 2020 per il suo lavoro sulla relatività generale, sta lavorando a una versione del modello Diósi-Penrose in cui non c'è alcuna radiazione spontanea.

Tuttavia, alcuni sospettano che per questa visione della meccanica quantistica, la scritta sia sul muro. "Quello che dobbiamo fare è ripensare a cosa stanno cercando di ottenere questi modelli", ha affermato Zych, "e vedere se i problemi motivanti potrebbero non avere una risposta migliore attraverso un approccio diverso". Mentre pochi sosterrebbero che il problema della misurazione non è più un problema, abbiamo anche imparato molto, negli anni trascorsi da quando sono stati proposti i primi modelli di collasso, su cosa comporti la misurazione quantistica. "Penso che dobbiamo tornare alla domanda su cosa siano stati creati questi modelli decenni fa", ha detto, "e prendere sul serio ciò che abbiamo imparato nel frattempo".