LA RISPOSTA DALLA FISICA DEI QUANTI

È nato prima l’uovo o la gallina?

Se uovo e gallina sono eventi quantistici, possono essere nati per primi entrambi. La più recente dimostrazione sperimentale del bizzarro fenomeno è stata pubblicata su Phisical Review Letter, e Media Inaf ha intervistato uno degli autori dell'esperimento, il fisico milanese Fabio Costa, oggi ricercatore postdoc all'Università del Queensland

Fabio Costa, ricercatore associato presso l’Università del Qeensland, Australia

L’argomento non è esattamente di quelli di quelli stretta attualità, visto che il paradosso “uovo o gallina” fu proposto per la prima volta – per descrivere il problema nella determinazione della relazione causa-effetto – dai filosofi dell’antica Grecia. Ma la risposta è fresca di giornata: un team di fisici dell’Università del Queensland e del Neel Institute ha mostrato che, per quanto riguarda la fisica quantistica, sia la l’uovo che la gallina possono venire per primi. I risultati di questo nuovo studio sono stati pubblicati su Physical Review Letter.

«La stranezza della fisica quantistica sta nel fatto che gli eventi possono accadere senza un ordine stabilito», dice Jacqui Romero dell’Equs, il centro di ricerca australiano per i sistemi quantistici ingegnerizzati. Detto altrimenti, la relazione causa-effetto non è sempre così univoca. «È ciò che chiamiamo “ordine causale indefinito”, e non è qualcosa che possiamo osservare nella nostra vita quotidiana», continua la ricercatrice. Nella vita quotidiana niente da fare, dunque, ma tramite a un particolare setup –  chiamato switch quantico fotonico – i ricercatori sono riusciti a osservare con successo questo strano fenomeno in laboratorio.

Si tratta di un dispositivo, spiega il fisico milanese Fabio Costa, ricercatore postdoc all’Università del Queensland e fra i coautori dello studio, in grado di far dipendere l’ordine degli eventi – nel caso specifico, trasformazioni sulla forma della luce – dalla polarizzazione. Per saperne di più sull’esperimento condotto dal team australiano, e per capire perché il mondo dei quanti calzi a pennello con questo paradosso, Media Inaf ha raggiunto il ricercatore italiano nella terra dei canguri.

Dottor Costa, che c’entra il mondo dei quanti con quello dei pollai?

«Le particelle quantistiche sono un po’ come polli: si fa fatica a tenerle a bada e non si può mai dire con certezza dove possano andare a razzolare».

E nel vostro esperimento, chi fa la parte dell’uovo e chi quella della gallina?

«In realtà non si tratta di oggetti o particelle, ma di eventi. Nel nostro esperimento un fascio di luce, composto da fotoni, passa attraverso delle lenti particolari che ne possono cambiare la forma. Per esempio, il fascio può entrare con la forma di un disco e uscire con la forma di una ciambella. L’evento che ci interessa è il passaggio di un fotone attraverso una lente, che ne modifica la forma. Nell’esperimento abbiamo due lenti: “l’uovo” è quando il fotone passa attraverso una lente, “la gallina” quando passa attraverso l’altra».

In “ordine causale indefinito”, scrivete. Di che si tratta?

«Normalmente, ci aspetteremmo che il fotone debba passare prima attraverso una lente, poi attraverso l’altra. In questo caso diremmo che l’ordine dei due eventi è ben definito: o viene prima l’uovo, o prima la gallina. Tuttavia, la meccanica quantistica propone un’altra possibilità, che in termini tecnici si chiama “sovrapposizione”. Vuol dire che il fotone non deve scegliere da quale lente passare prima: in un certo senso le usa “insieme”. Visto che non possiamo dire quale evento avvenga prima e quale dopo, diciamo che l’ordine causale non è definito».

Mi può fare un esempio? Possibilmente dalla vita quotidiana?

«Pensiamo a un viale dove passa una linea del tram. Da un lato del viale abbiamo una fermata, diciamo del tram 29, e dall’altro lato c’è la fermata del 30. Stando all’orario, a entrambe le fermate dovrebbe passare un tram alle 7:30. Tuttavia, in genere, i due tram non arriveranno esattamente insieme. In particolare in ora di punta, il traffico farà si che l’uno o l’atro tram arrivi un po’ prima. Qualche giorno arriverà prima il 29, qualche giorno il 30. In questo caso possiamo dire che l’ordine dei due eventi non è fissato, se consideriamo la loro ripetizione per diversi giorni. Tuttavia, l’ordine è comunque definito, perché ogni giorno possiamo osservare quale tram passi per primo dalla fermata.

Il caso dei fotoni è in parte simile, ma si allontana in modo netto da qualunque esperienza di vita quotidiana. Se dovessimo misurare quando ogni fotone passa da ognuna delle due lenti, vedremmo che passa a volte prima da una e a volte prima dall’altra, come nel caso dei tram. La meccanica quantistica ci permette però di fare un altro tipo di domanda al fotone, che non ha analoghi nella nostra esperienza comune: possiamo chiedergli se è effettivamente passato “in sovrapposizione” tra le due lenti. Una volta fatta questa domanda, che nell’esperimento corrisponde a un’appropriata misura della polarizzazione, il fotone risponde che sì, era in sovrapposizione, ma non è più in grado di dire quale lente abbia incontrato per prima. L’ordine dei due eventi è “indefinito”».

Ma allora, se non c’è un prima e un dopo, il tempo esiste o non esiste?

«Il tempo esiste, e purtroppo non è mai abbastanza. Però l’esperimento ci mostra che il tempo esiste in modo diverso per particelle quantistiche, come i fotoni. È un po’ come un fiume: innegabilmente esiste e scorre, ma se guardiamo da vicino possiamo vedere gorghi e spruzzi, per i quali una concezione lineare non è del tutto appropriata».

In definitiva, prima uovo o gallina?

«Uovo. Le uova di dinosauro esistevano ben prima delle galline».

A proposito di uova, un’ultima domanda: lì in Australia, dove si trova ora, che frittate si mangiano? Di gallina o di struzzo?

«Se mai di Emù. Abbiamo anche animali che fanno sia latte che uova, ci si potrebbe sbizzarrire! Per loro fortuna, le specie autoctone sono protette, quindi ci accontentiamo anche qui di uova di gallina».


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