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Spazio e Scienze

Il gatto di Schrödinger pizzicato dai paparazzi (sì e no)

I ricercatori di Standford hanno realizzato il primo video in stop-motion della storia dello "stato atomico del gatto", traendo ispirazione dal celebre gatto di Schrödinger.

Il paradosso del gatto di Schrödinger in cui il celebre micio quantistico è allo stesso tempo vivo e morto fino a quando non apriamo la scatola per vedere in quale stato è, è probabilmente il più famoso esempio della natura bizzarra e contro-intuitiva del mondo quantistico. I fisici di Stanford hanno sfruttato questa caratteristica per realizzare il primo video in stop-motion della storia dello "stato atomico del gatto".

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In un nuovo documento accettato per la pubblicazione su Physical Review Letters, i fisici riferiscono di avere usato un laser a raggi X per catturare dettagli delle dimensioni di 0.3 Ångström – meno della larghezza di un atomo – per soli 30 milionesimi di miliardesimo di secondo.

Per decenni da quando fu proposto per la prima volta il gatto di Schrödinger è stato solo un esperimento mentale, progettato dall'omonimo fisico con l'obiettivo di illustrare le implicazioni della meccanica quantistica. Lo stato di un atomo corrisponde a un elenco di valori associati alle sue proprietà quantistiche e la difficoltà di "osservare" tali proprietà risiede nel processo di misura. Questo perché il procedimento con cui si effettua la misura modifica lo stato dell'atomo o del generico oggetto quantistico. 

Il problema di osservare lo stato del gatto è strettamente legato all'impossibilità di "guardare" nel senso comune del termine questo fenomeno, perché per farlo occorrerebbe in principio "visualizzare" la probabilità. Prima di aprire la scatola, il gatto non è morto "o" vivo, ma è contemporaneamente morto "e" vivo: questo è un esempio di sovrapposizione di stati.

Però nel 2005 i fisici del National Institute of Standards and Technology crearono con successo un vero e proprio "stato del gatto" in laboratorio, usando sei atomi che erano tutti simultaneamente negli stati "spin up" e "spin down" (lo spin è una proprietà quantistica delle particelle). Per avere un'idea vaga di quello che significa, pensate a un orologio con le lancette che ruotano contemporaneamente in senso orario e antiorario. Da allora altri fisici hanno cercato di ricreare con successo lo stato del gatto con i fotoni, (http://arxiv.org/pdf/0809.4277.pdf) che esibiscono una proprietà simile allo spin chiamata "polarizzazione" e usati nella ricerca per l'informazione quantistica. 

Nel caso dell'esperimento oggetto di questa notizia, gli scienziati di Stanford hanno colpito una molecola con due atomi di iodio con un laser a raggi X. Quando una molecola è colpita da un raggio a così alta energia "rivela" la sua struttura più interna.

L'improvvisa esplosione di energia in eccesso ha fatto sì che la molecola si dividesse in due versioni di sé stessa, di cui una in stato eccitato (il gatto vivo), l'altra no (il gatto morto). Lo stato della molecola è contemporaneamente eccitato e non eccitato: lo "stato del gatto" è formato.

Se si prende un qualsiasi gruppo di molecole e le si colpisce con un laser a così alta energia, si produrrà lo stesso fenomeno. Ma non si sarà in grado di vedere chiaramente che cosa sta succedendo.

Il problema ora è osservare questo stato. Per farlo, i ricercatori di Stanford hanno applicato una seconda esplosione di luce a raggi X, con lo scopo di produrre un'immagine di tale stato, come se fosse un'istantanea della molecola. I dati sono stati raccolti a formare un'immagine tridimensionale, un ologramma a raggi X.

Il team ha eseguito questo esperimento più e più volte, e a seguito di un complesso lavoro di elaborazione i ricercatori hanno ottenuto una serie di istantanee della molecola in vari momenti nel tempo. È proprio usando questa successione di immagini che hanno creato un video in stop-motion. Proprio grazie all'esperimento ripetuto un numero strabiliante di volte si riesce ad avere una rappresentazione della duplice versione della molecola.

Stiamo parlando di milioni di singole immagini, grazie alle quali nel filmato finale si vedono tutti i modi possibili in cui una molecola di iodio si comporta quando viene colpita con un laser a raggi X.

"Vediamo che inizia a vibrare, con i due atomi che si allontanano gli uni dagli altri, come se fossero stati spinti da una molla" ha spigato il co-autore della ricerca Phil Bucksbaum della Stanford University. "Vediamo che si rompe il legame tra gli atomi, e che questi ultimi volano nel vuoto. Ma allo stesso tempo li vediamo ancora collegati, che si distribuiscono per un certo tempo a una certa distanza l'uno dall'altro prima di tornare uniti". Alla fine le vibrazioni smettono. Il tutto dura pochi istanti.

Uno degli sviluppi più interessanti di questo esperimento è che secondo i ricercatori la stessa tecnica potrebbe essere applicata retroattivamente, sui dati raccolti da esperimenti precedenti nel campo della biologia quantistica, per esempio per individuare gli effetti quantistici in sistemi viventi, come le piccole molecole coinvolte nella fotosintesi, nella visione, e altre importanti funzioni degli esseri viventi. Il team adesso intende provare lo stesso metodo sperimentale su altri sistemi molecolari di piccole dimensioni.

Vi lasciamo con il video realizzato dal team, che è imperdibile:

Marta Dell'Atti è laureata in fisica teorica e delle interazioni fondamentali presso l'Università del Salento. L'ambito dei suoi studi di ricerca riguarda i modelli teorici che spiegano e prevedono l'esistenza delle particelle elementari e il modo in cui tali particelle interagiscono. Si interessa di relatività generale e meccanica quantistica e si è occupata di divulgazione scientifica. È coautrice di una pubblicazione su JHEP (Journal of High Energy Physics).