La meccanica quantistica è passata dall’essere un rompicapo che faceva sudare freddo i più grandi fisici del Novecento a diventare la spina dorsale di tecnologie che usiamo tutti i giorni, spesso senza nemmeno rendercene conto. Laser, microchip, comunicazioni protette, computer di nuova generazione. Tutto parte da lì. E il bello è che, a un secolo di distanza dalle prime intuizioni, le sorprese più grandi potrebbero ancora arrivare.
A ripercorrere questo viaggio è il professor Marlan Scully della Texas A&M University, in un articolo pubblicato sulla rivista Science. Scully racconta come una teoria nata per spiegare il comportamento delle particelle più minuscole si sia trasformata in uno strumento capace di affrontare alcune tra le domande più difficili della scienza. Parole sue: la meccanica quantistica è partita cercando di capire come si muovono particelle infinitesimali, e adesso spinge innovazioni che una generazione fa sembravano pura fantascienza.
Meccanica quantistica: dal gatto di Schrödinger alle tecnologie di oggi
Chi non ha mai sentito parlare del gatto di Schrödinger. Nel 1935 il fisico immaginò un felino che poteva trovarsi contemporaneamente vivo e morto, almeno finché qualcuno non avesse aperto la scatola per guardare. Era un modo provocatorio per mostrare quanto la teoria quantistica apparisse strana, quasi assurda. Oggi però quella stranezza ha smesso di essere solo materia da dibattito filosofico. Come dice Scully, la cosiddetta stranezza quantistica è diventata la base del quantum computing, della crittografia quantistica e persino della rilevazione delle onde gravitazionali.
Le fondamenta di tutto questo le hanno gettate menti come lo stesso Schrödinger e Werner Heisenberg, che svilupparono due approcci matematici diversi, la meccanica ondulatoria e quella delle matrici, poi uniti in un unico quadro. Da lì è nata la teoria quantistica dei campi, che spiega come le particelle interagiscono attraverso le forze elettromagnetiche e nucleari. Un lavoro che affondava le radici nel modello atomico di Niels Bohr, quello con gli elettroni che ruotano attorno al nucleo un po’ come i pianeti attorno al Sole.
Coerenza, laser e motori che sfidano le regole
Uno dei concetti chiave è la coerenza quantistica, che permette a particelle come atomi e fotoni di restare collegate in uno stato coordinato anche a grande distanza. È proprio grazie a questo fenomeno che è nato il laser, una tecnologia che in tanti ritenevano impossibile da realizzare. Oggi i laser stanno ovunque, dagli scanner dei codici a barre al supermercato agli interventi per correggere la vista.
Strettamente legato alla coerenza c’è poi l’entanglement quantistico, quello che Einstein liquidò con la celebre frase spettrale azione a distanza. L’entanglement consente alle particelle di condividere informazioni sfruttando proprietà tipicamente quantistiche. Su questo si basano i sistemi di crittografia quantistica e la sensibilità di strumenti avanzatissimi come LIGO, l’osservatorio che riesce a captare le minuscole increspature dello spaziotempo.
C’è anche un capitolo curioso, quello dei motori termici quantistici. La termodinamica classica fissa un tetto massimo di efficienza, il cosiddetto limite di Carnot. Ebbene, sfruttando la coerenza quantistica alcuni ricercatori pensano di poter costruire motori capaci di superare quel limite. Un esempio lampante, dice Scully, di come i principi quantistici possano riscrivere le regole della fisica classica.
Biologia, gravità e turbolenze
L’influenza della meccanica quantistica ormai va ben oltre la fisica pura. In biologia, tecniche come la spettroscopia Raman coerente permettono di studiare virus e altre strutture su scala nanometrica. Sul fronte cosmico, chi lavora su teoria delle stringhe e gravità quantistica prova a mettere d’accordo il mondo quantistico con la relatività di Einstein, uno dei problemi irrisolti più grossi della fisica moderna.
E poi c’è la turbolenza, quel movimento caotico di aria e fluidi che condiziona meteo, clima e volo degli aerei. Studiando l’elio superfluido, una sostanza dal comportamento quantistico bizzarro, gli scienziati stanno scoprendo schemi che potrebbero migliorare i modelli climatici, la previsione delle tempeste e la sicurezza in aviazione.
Restano domande enormi. La gravità può essere quantizzata. I computer quantistici rivoluzioneranno medicina e scienza dei materiali. All’inizio del Novecento in molti credevano che la fisica fosse ormai una scienza completa. Adesso, sottolinea Scully, sappiamo che l’avventura è appena cominciata.