Più certezza sull’incertezza quantitativa

Un'estensione del principio di indeterminazione di Heisenberg, che pone limiti alla precisione con cui possono essere misurate le proprietà di un oggetto, dimostra che è davvero impossibile aggirare le leggi della fisica quantistica.

La meccanica quantistica afferma che è impossibile sapere esattamente dove ci si trova e esattamente dove si sta andando allo stesso tempo. Questa idea, il Principio di Indeterminazione di Heisenberg, è nota da quasi un secolo. Ora i fisici hanno acquisito maggiore certezza riguardo a questa incertezza.

Prima dello sviluppo della fisica quantistica, i ricercatori che volevano misurare in modo più accurato cercavano semplicemente strumenti di misurazione migliori. Ma nel 1927, Werner Heisenberg scoprì che su scala quantistica esiste un limite fondamentale alla precisione con cui determinate coppie di misurazioni, come posizione e quantità di moto, possono essere misurate simultaneamente.

Collisione di marmo

Ora due fisici giapponesi, Yui Kuramochi dall'Università di Kyushu e Hiroyasu Tajima dell'Università delle Comunicazioni Elettriche di Tokyo, hanno dimostrato che una versione del principio di indeterminazione di Heisenberg si applica anche quando si misura una sola variabile. Descrivono le loro prove nella rivista scientifica Lettere di revisione fisica.

Fin dagli anni '50 i ricercatori si sono chiesti se la descrizione di Heisenberg dovesse essere adattata a sistemi come la collisione di due palline, in cui la quantità di moto combinata è conservata. Ciò significa che la somma degli impulsi delle due palline ha lo stesso valore prima e dopo la collisione. Questa condizione aggiuntiva consentirebbe di aggirare il principio di indeterminazione, in modo da poter misurare con precisione la posizione delle due sfere?

Per i sistemi semplici, in cui le misurazioni producono valori discreti come 0 o 1, la risposta sembra essere “no”. Ma quando si tratta di sistemi come le collisioni delle palle, la posizione e la quantità di moto hanno valori continui, non valori discreti. Questo rende i conti più complicati.

Un approccio completamente nuovo

I ricercatori presumono ancora che sia impossibile sfuggire al principio di indeterminazione, ma non sono ancora riusciti a dimostrarlo. “Ciò richiedeva un approccio completamente nuovo e lo abbiamo sviluppato”, afferma Kuramochi.

La difficoltà matematica era che i fisici dovevano fornire calcoli e dimostrazioni per un concetto molto generale di “posizione”: poiché può assumere un numero infinito di valori, deve essere rappresentata da una griglia di numeri infinitamente grande. Per aggirare questo problema, hanno usato un intelligente trucco matematico. Così facendo, hanno nascosto questa rete infinita in un altro oggetto matematico, una funzione. Possono utilizzare questa funzione per la maggior parte della dimostrazione, per poi tornare alla visualizzazione griglia della posizione verso la fine, solo dopo aver eseguito tutti i calcoli che altrimenti non sarebbero stati possibili.

Per sempre

Fisica teorica Leon Loveridge La conclusione raggiunta dalle nuove prove è “abbastanza generalmente applicabile, a tutti gli esperimenti, a tutte le reazioni di misurazione, per sempre”, afferma la conclusione dell'Università della Norvegia sudorientale. Dice che non c'è modo di aggirare questo problema e ottenere una misurazione più accurata della posizione di un oggetto quantistico.

Sebbene questo lavoro approfondisca la nostra comprensione della natura quantistica della realtà, al momento non è chiaro se abbia un ruolo anche in applicazioni come la tecnologia quantistica, afferma Loveridge. L’effetto della misurazione è sottile ed è difficile determinare a quali esperimenti si applica.

La fisica quantistica, dice, è piena di domande su come gli strumenti di misura influenzano le cose che misurano. Sebbene i fisici abbiano ora una maggiore certezza riguardo all’incertezza, non sono ancora sicuri di cosa significhi nella pratica.