Anton Zeilinger - La danza dei fotoni

La danza dei fotoni: un estratto dal libro

Vi regaliamo un estratto dal libro di Anton Zeilinger, La danza dei fotoni. Da Einstein al teletrasporto quantistico.

 

Anton Zeilinger - La danza dei fotoni

 

«Ogni primo gennaio il concerto di Capodanno della Filarmonica di Vienna inaugura l’inizio dell’anno nuovo. Dalla splendida Sala d’Oro del Musikverein, sede della tradizionale società musicale viennese, il concerto viene trasmesso in tutto il mondo, dove milioni di persone attendono impazienti di ascoltare i meravigliosi valzer, le polke, le ouverture e gli altri brani composti dalla famiglia degli Strauss e dai loro contemporanei. Terminata la scaletta ufficiale ci uniamo agli applausi del pubblico, tutti in attesa dei brani fuori programma. Ed ecco che parte il suono profondo degli archi e, riconoscendo il pezzo che aspettavano, tutti ricominciano ad applaudire. Poi l’orchestra si ferma, e il direttore augura un felice anno nuovo a tutto il pubblico in sala e in ogni parte del mondo. A quel punto, gli strumenti riprendono a vibrare e la sala risuona delle note del famoso valzer Sul bel Danubio blu, composto da Johann Strauss figlio e spesso definito l’inno non ufficiale dell’Austria. Non esistono al mondo molti altri brani musicali capaci di comunicare sia il piacere, sia l’innata melanconia dell’esistenza umana; composto per i grandi balli di corte nelle sale della Vienna imperiale, ancora oggi questo valzer viene suonato ogni anno durante la stagione dei balli. Molti tra i presenti e tra chi segue l’evento alla televisione non sanno che, poco lontano dalla Sala d’Oro, entro i confini della città di Vienna, alcuni scienziati stanno conducendo un esperimento all’avanguardia della tecnologia moderna, un esperimento che, studiando le conseguenze delle teorie che spiegano come funziona il mondo che ci circonda, sfida l’immaginazione ed esplora idee che prima d’ora avevano trovato spazio solo nella fantascienza.
L’ultimo bis, la Marcia di Radetzky di Johann Strauss padre, uno dei brani più vibranti e allegri mai scritti, segna la fine del concerto, e noi lasciamo la sala, diretti verso le sponde del Danubio. È una bellissima giornata d’inverno: il primo gennaio è festa nazionale e non ci sono molte persone in giro. Attraverso Vienna, il Danubio si ramifica e forma nel mezzo un’isola lunga e sottile, che raggiungiamo da una delle sponde del fiume passando su un ponte non aperto al pubblico e sconosciuto addirittura al nostro navigatore gps. Esclusi i mezzi in missione ufficiale, l’isola è interdetta al traffico automobilistico. Superato il ponte, ci dirigiamo verso un edificio che, nascosto dietro una serie di alberi, ospita il sistema di pompe che regolano la rete fognaria della città. Sotto il fiume passa un canale fognario enorme che collega le due parti della città e che trasporta gli scarichi raccolti a est del fiume, in quella zona che i viennesi chiamano amorevolmente “Transdanubien”, la città oltre il Danubio, verso un enorme impianto di smaltimento dei rifiuti dall’altro lato. In tal modo i viennesi, sensibili alle tematiche ambientali, sono sicuri che gli scarichi non vengano riversati direttamente nel fiume. Entriamo nell’edificio, prendiamo l’ascensore e scendiamo di due piani, fin sotto il livello del fiume. In pochi passi ci troviamo a destra e a sinistra i due imbocchi di un grosso tunnel che collega le due sponde del fiume, Transdanubien e la Vienna propriamente detta. L’enorme tunnel è percorso da tubi che trasportano liquami e che corrono paralleli a una moltitudine di cavi. Adiacente a uno dei due ingressi e un po’ nascosto, ci accoglie uno scenario completamente diverso. In un angolo, lontana da noi, scorgiamo una piccola stanza dalle pareti di vetro. Avvicinandoci notiamo che all’interno ci sono laser e altri strumenti tecnologici d’avanguardia, come moderni apparati elettronici, computer e cose simili, e incontriamo Rupert, uno studente di dottorato dell’università di Vienna. Rupert sta lavorando alla sua tesi, che, ci confida, spera di finire presto per ottenere così il titolo di Ph.D. Il suo progetto di ricerca è intitolato “Teletrasporto quantistico a lunga distanza”. Chiediamo dunque a Rupert se ci può spiegare in poche parole che cosa siano tutti i macchinari intorno a noi, e lui ci racconta che lo scopo dell’esperimento su cui sta lavorando è di teletrasportare una particella di luce, un fotone, dalla rivadell’Isola del Danubio all’altra sponda del fiume, dal lato di Vienna.
Rupert si accorge che non stiamo capendo un granché, e quindi ci spiega che il teletrasporto è un po’ come un’«incursione» nel campo della fantascienza «ma non più di tanto» e, con un gran sorriso, prosegue la sua spiegazione. Noi continuiamo a non capirci molto, ma lo ascoltiamo sempre più affascinati. Ci promette che più tardi ci descriverà il tutto in maniera dettagliata; per il momento, quindi, vogliamo solo acquisire familiarità con l’argomento e con i concetti che sta studiando, con il linguaggio che usa, e conoscere un po’ gli strani strumenti che ci circondano. Impariamo così che i laser nella stanza servono a produrre un tipo di luce davvero particolare. La luce è formata da particelle, i cosiddetti fotoni, e questi laser producono coppie speciali di fotoni detti entangled, ossia correlati quantisticamente l’uno con l’altro. Come impareremo meglio tra poco, questo significa che i fotoni della coppia sono strettamente legati e interconnessi tra loro e che, quando eseguiamo una misura su uno dei due fotoni, l’altro ne sarà istantaneamente influenzato, non importa quanto distante si trovi. Il concetto di entanglement, o correlazione quantistica, fu introdotto nel 1935 dal fisico austriaco Erwin Schrödinger per descrivere una situazione davvero particolare. Qualche tempo prima Albert Einstein aveva accennato a un nuovo e interessante fenomeno che appariva in meccanica quantistica, descrivendolo in un articolo che pubblicò insieme ai suoi giovani colleghi Boris Podolsky e Nathan Rosen. Per capire qualcosa sul concetto di entanglement, consideriamo due particelle che abbiano interagito in qualche modo l’una con l’altra. Supponiamo, per esempio, che si siano scontrate, come due palle da biliardo, per poi allontanarsi. Nella fisica classica (la fisica, diciamo, “tradizionale”), se una palla si muove verso destra, l’altra va a sinistra. Inoltre, se conosciamo la velocità della palla in movimento, in che modo essa ha colpito la palla a riposo, e anche la velocità e la direzione in cui si muove la palla colpita dopo l’urto, possiamo calcolare esattamente dove quest’ultima andrà a finire. In pratica, si tratta del piccolo esercizio che un buon giocatore di biliardo fa ogni volta che colpisce una palla con la stecca. Le palle da biliardo quantistiche si comportano in maniera molto più insolita; anche loro si allontanano dopo l’urto, ma con alcune strane e davvero interessanti differenze rispetto al caso classico. Anzitutto nessuna delle due palle ha una velocità ben definita, e non si muove neppure in una direzione specifica. In realtà, pur allontanandosi l’una dall’altra, dopo la collisione le due palle non hanno proprio una velocità o una direzione del moto assegnate. Il fulcro della questione è che, non appena osserviamo una delle palle da biliardo quantistiche, essa istantaneamente assume una certa velocità e si muove lungo una certa direzione, allontanandosi dal punto dell’impatto. In quel preciso istante, ma non prima, l’altra palla assume la velocità e la direzione corrispondenti; questo avviene a prescindere da quanto le due palle siano distanti in quel momento. Quindi, le palle da biliardo quantistiche sono entangled, sono gemellate quantisticamente. Ovviamente non è possibile osservare questo tipo di fenomeno usando palle da biliardo vere e proprie, tuttavia è qualcosa di perfettamente normale per le particelle elementari. Due particelle che collidono rimangono intimamente connesse anche a grandi distanze; è il vero e proprio atto di osservare una delle due particelle che influenza istantaneamente l’altra, non importa quanto lontano questa sia andata. Questo strano comportamento non piaceva ad Einstein: egli infatti lo definì una “misteriosa azione a distanza”, e sperava che i fisici potessero trovare un modo per liberarsene. Al contrario di Einstein, Schrödinger accettò questo fenomeno come qualcosa di completamente nuovo, e coniò per esso il termine entanglement. L’entanglement è la caratteristica distintiva della fisica quantistica, che ci costringe ad abbandonare tutte le nostre amate convinzioni su come funzioni il mondo».

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