Nobel per la fisica 2022 spiegato bene

Ecco di cosa si sono occupati Alain Aspect, John F. Clauser e Anton Zeilinger, i tre vincitori del prestigioso premio.

 

Un francese, un americano e un austriaco. Sono tre gli scienziati che quest’anno si dividono il premio Nobel per la fisica, assegnato per “gli esperimenti con gli intrecci di fotoni che stabiliscono la violazione del teorema delle disuguaglianze di Bell e aprono la strada alla scienza dell’informazione quantistica”.

Tutto molto bello, ma che significa? Traduciamo. Alain Aspect, John F. Clauser e Anton Zeilinger, i tre vincitori del prestigioso premio, hanno condotto esperimenti nell’ambito della meccanica quantistica, che potranno essere utili per sviluppare un nuovo tipo di informatica, più veloce (il famoso computer quantistico) e con applicazioni in svariati campi, quali la crittografia (l’invio di informazioni criptate in forma indecifrabile per gli hacker).

Certo, si parla di teorema di Bell e di fotoni che si intrecciano: chiariamo ulteriormente. Per prima cosa spieghiamo di che si occupa la fisica quantistica: fondamentalmente, di particelle. E i fotoni sono le particelle elementari della radiazione elettromagnetica, alias onde radio, luce, raggi X, gamma, infrarosso e via dicendo.

Nel mondo microscopico delle particelle succedono cose strane. O meglio, quello che accade è la vera fisica fondamentale, ma noi che viviamo nella realtà macroscopica non possiamo “vederla” direttamente e i fenomeni fisici che osserviamo, come una pallina che rimbalza sul pavimento o qualsiasi altra cosa alla portata dei nostri occhi, sono, in un certo senso, eccezioni, perché abbiamo a che fare, nel nostro mondo, con aggregati di triliardi di triliardi di particelle, vale a dire gli oggetti che ci circondano.

Ma per noi questo è normale e ciò che accade alle particelle, come vedremo tra un attimo, estremamente bizzarro.

Per esempio, possiamo in qualsiasi momento calcolare dove si troverà la Luna o un pianeta in un dato giorno (o dove era in ogni data del passato), oppure la traiettoria di due palle da biliardo che si scontrano o la velocità di un treno, aereo, auto.

Con le particelle non è possibile farlo. La loro posizione può essere espressa solo in termini di probabilità: un elettrone si può trovare in un certo punto, o in un altro, con differenti probabilità. Quindi, a volte, è come se fosse dappertutto e da nessuna parte allo stesso tempo.

Questo fa si che non si può nemmeno conoscere la sua posizione e la sua velocità con esattezza contemporaneamente.

Se la vostra auto viene sfortunatamente immortalata dall’autovelox, la foto vi dirà esattamente dove eravate (e a che ora) e a che velocità stavate percorrendo quella strada. Con le particelle (che, tra l’altro, sfrecciano tutte a velocità prossime a quella della luce) non può succedere.

Questo perché, semplicemente parlando, quando si va a determinare queste grandezze, gli “strumenti” utilizzati per  misurarle non possone essere che altre particelle (esiste qualcos’altro di più piccolo?), che interagiscono con loro “perturbandole”, cioè cambiando la loro posizione e velocità.

E ancora più strano è ciò che riguarda le coppie di particelle in un sistema: se si allontano, anche a distanze siderali, quello che accade a una influenza istantaneamente l’altra, come fossero legate indissolubilmente e lo spazio e il tempo non esistessero.

A Einstein questo non andava proprio giù. Per lui era impossibile che una informazione si propagasse più velocemente della velocità della luce (che è il limite massimo di velocità per ogni cosa, come dimostrato dalla sua teoria).

E se due particelle interagiscono simultaneamente, anche se lontane anni luce tra loro, significa che l’informazione ha viaggiato a velocità infinita: se si cambia qualcosa in una, l’altra ne risente subito, all’istante.

Questa proprietà è stata chiamata entanglement (in italiano intreccio) e per Einstein era qualcosa di “inquetante” e “spettrale”. Con altri due colleghi, nel 1935, propose una teoria che cercava di aggiustare questo paradosso, considerando la meccanica quantistica inesatta.

Oggi sappiamo che non lo è. Lo vediamo tutti i giorni: computer e cellulari, primo esempio banale, funzionano proprio seguendo le leggi della fisica quantistica. Se fossero inesatte, non stareste leggendo questo testo.

La proposta di Einstein e colleghi fu in realtà confutata molto prima – e qui arriviamo a Bell – quando nel 1964 formulò un teorema che prevedeva delle diseguaglianze tra la teoria della meccanica quantistica e quella “riparatoria” di Einstein. In altre parole, ciascuna avrebbe dato risultati diversi (diseguaglianze) a seconda dell’approccio adottato.

Ecco quindi che si spiega il lavoro dei neo vincitori del Nobel. In sostanza, tramite esperimenti su fotoni “intrecciati”, hanno dimostrato che Eistein aveva torto e che la meccanica quastistica funziona.

E che, per quanto paradossale o assurdo possa sembrare, l’azione istantanea a distanza tra le particelle è un fenomeno reale. Che si può sfruttare, come accennato, in ambito tecnologico, per dispositivi quantistici di elaborazione dell’informazione.

Soprattutto, infine, per trasmettere le suddette informazioni in modo rapidissimo, proprio utilizzando il principio appena descritto. E in modo sicuro e inviolabile da hacker.

Ne abbiamo parlato qui:

Realizzato teletrasporto quantistico di bit tra nodi non connessi