Meccanica quantistica

Francesca Vidotto

Oggi nei laboratori di fisicamaneggiare elettroni è la cosa più normale del mondo: non è difficile. Gli elettroni sono piccole particelle che, quando arrivano su uno schermo opportuno, lascianocome una piccola impronta. Ma attenzione: non possiamo raffigurarci gli elettroni come delle specie di granelli di sabbia. Sono sufficientemente leggeri perché le loro proprietà quantistiche si manifestino. Sono quindi genuinamenteoggetti quantistici. E il più astruso dei comportamenti quantistici si chiama «sovrapposizione quantistica». Quello del gatto di Schrödinger, per capirci. Proviamo a capire insieme cosa sia usando gli elettroni.

«La sovrapposizione quantistica».

Immaginate di avere unelettronee unaparete, una parete bella spessa, con due fenditure, due buchi fatti in verticale. Proviamo a lanciare l’elettrone molte volte verso la parete e le fenditure. E dall’altra parte della parete mettiamo unoschermo, cosicché ogni volta che lanciamo un elettrone, vediamo poi apparire sullo schermol’impronta di dove l’elettrone è andato a finire. L'elettrone lascia come unamacchiolina. Dato che il nostro muro è bello spesso, l’elettrone non può attraversarlo: ovviamente perarrivare sullo schermo deve essere passato per l’una o l’altra delle due fenditure.

Certo, ovviamente!Ma non è quello che succede con una particella quantistica. Succede invece una cosa molto strana. 
Se ripetiamo il lancio dell’elettrone molte volte, ci accorgiamo infatti checi sono dei punti sullo schermo dove l’elettrone non arriva mai. Chiamiamo questi punti dove l’elettrone non arriva mai «P». Ora proviamo a chiudere una qualunque delle due fenditure.Sorpresa: ora l’elettrone qualche volta arriva al punto «P».

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Pensateci un momento: l’elettrone arriva al punto «P», per esempio, se apro solo la fenditura di destra. Questo vuol dire che può arrivare al punto «P»passando per la fenditura di destra. Ma se ora apro anche la fenditura di sinistra, non arriva più al punto «P». 
Come è possibile? Sembra assurdo. Se l’elettrone arriva al punto «P» passando per la fenditura di destra, come fa a sapere che non può più arrivarci se è aperta anche l’altra fenditura?

Più ci si pensa, più sembra una cosa assurda. Però questo è esattamente quello che succede quando facciamo questo esperimento.Quello che abbiamo scoperto è che possiamo impedire all’elettrone di arrivare in un punto aprendo un cammino che non fa.

«L'interferenza quantistica»

Questo effetto, cioè il fatto che l’elettrone non arriva in un punto se entrambe le fenditure sono aperte, si chiama «interferenza quantistica». I fisici dicono che l'elettrone «passa per entrambe le fenditure» oppure che quando attraversa la parete è in una «sovrapposizione quantistica» di due posizioni diverse, una corrispondente ad una fenditura e una all’altra. Oppure dicono che l’elettrone diventaun’ondache si diffonde nello spazio e in questo senso, come onda, può passare per entrambe le fenditure. E la parte dell’onda che passa da una fenditura «fa interferenza» con quella che passa per l’altra fenditura.

Queste sono delleimmagini, parlando di onde, a cui possiamo ancorare la nostra intuizione ma non dobbiamo dimenticare che, poi quando l’elettrone si fa vedere interagendo con qualcosa, per esempio arrivando sullo schermo, non è un’onda, non è diffuso nello spazio,è sempre e solo in un punto ben definito.

Questo strano comportamento delle particelle quantistiche che si manifestano sempre in unpunto definito, ma poi si comportano comediffuse nello spazio, è l’aspetto più caratteristico dei fenomeni quantistici. Le cose stanno in un modo quando le osserviamo, quando ci interagiamo, ma quando non ci interagiamosi comportano come se potessero stare in tanti modi diversi allo stesso tempo, in una «sovrapposizione quantica» di stati diversi.

Prima di lasciarci però, torniamo al nostro esperimento: supponiamo di lasciare le due fenditure della parete aperte in modo cheil nostro elettrone possa passare per entrambe. Lanciamo l’elettrone e, come abbiamo visto, l’elettrone non arriva mai al punto «P». Ma immaginiamo di poter dare una sbirciatinase l’elettrone passa per la fenditura di destra o quella di sinistra. Per esempio, possiamo provare a mettere proprio accanto a ciascuna fenditure un piccolorilevatoreche si attiva grazie alla carica dell’elettrone. Riusciamo così a «vedere» l’elettrone che effettivamente passa per entrambe le fenditure? Oppure qualcosa tipo un mezzo elettrone da una parte e un mezzo elettrone dall’altra? 
La risposta è sempre no. Ad ogni lancio, l'elettrone è rilevato a destra oppure è rilevato a sinistra. Mai in entrambe le fenditure. Decisamente l’elettrone passa per l’una o per l’altra fenditura.

Ma allora possiamo vedere per quale fenditura passa e poi anche vedere l’effetto della sovrapposizione quantistica, quella che impedisce all’elettrone di arrivare al punto P? E la risposta è sempre no. Se ci sono dei rilevatori che rilevano per quale fenditura l’elettrone è passato, l’interferenza sparisce, e l’elettrone può di nuovo arrivare al punto «P».  Sembra parecchio strano, no?Contraddice il buon senso ma il senso noi lo diamo al mondo per le scale a cui siamo abituati e la scienza meravigliosamente ci porta al di là.

20 maggio 2025 ( modifica il 20 maggio 2025 | 19:48)

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