La meccanica quantistica, da idea bizzarra e controversa, è diventata il fondamento di alcune delle tecnologie più avanzate dell’umanità

In un nuovo articolo di approfondimento pubblicato su Science , il dottor Marlan Scully della Texas A&M University riflette sulla straordinaria evoluzione della meccanica quantistica, da teoria astratta su particelle minuscole a potente strumento che aiuta i ricercatori ad affrontare alcune delle questioni più complesse della scienza.

“La meccanica quantistica è nata come un modo per spiegare il comportamento di particelle minuscole”, ha affermato Scully, che è anche affiliato all’Università di Princeton. “Ora sta guidando innovazioni che erano inimmaginabili solo una generazione fa.”

Scully ha svolto un ruolo fondamentale nel progresso del settore. È coautore dell’influente manuale “Quantum Optics” , una risorsa che ha formato generazioni di fisici. La sua ricerca nella spettroscopia laser coerente su scala nanometrica ha contribuito a rendere possibile lo studio delle molecole con precisione atomica. Ha inoltre sviluppato concetti innovativi riguardanti i motori termici quantistici, che mettono in discussione le ipotesi tradizionali sull’efficienza termodinamica e potrebbero un giorno portare a nuove tecnologie energetiche.

Dal gatto di Schrödinger alla tecnologia quantistica.

Uno degli esempi più famosi di meccanica quantistica risale al 1935, quando Erwin Schrödinger propose il paradosso del gatto. L’esperimento mentale suggeriva che un gatto potesse esistere in uno stato di vita e morte simultanei finché non veniva osservato. Schrödinger introdusse l’idea per evidenziare quanto strana potesse apparire la teoria quantistica.

Oggi, quei concetti un tempo bizzarri si sono spinti ben oltre i dibattiti filosofici.

“Quella ‘stranezza quantistica’ non è più solo un enigma filosofico”, ha affermato Scully. “È il fondamento dell’informatica quantistica, della crittografia quantistica e persino della rilevazione delle onde gravitazionali.”

Le basi della meccanica quantistica furono gettate da pionieri come Schrödinger e Werner Heisenberg. Essi svilupparono due diversi approcci matematici, la meccanica ondulatoria e la meccanica matriciale, per descrivere i sistemi quantistici. Nel tempo, questi approcci furono unificati e contribuirono allo sviluppo della teoria quantistica dei campi, che spiega come le particelle interagiscono attraverso forze elettromagnetiche e nucleari.

Il loro lavoro ha ampliato il modello atomico iniziale di Niels Bohr, che raffigurava gli elettroni in orbita attorno al nucleo in modo simile a come i pianeti orbitano attorno al sole. Sebbene scoperte successive abbiano affinato tale modello, quello di Bohr ha contribuito ad aprire la strada alla moderna teoria quantistica.

Coerenza quantistica e l’ascesa dei laser

Tra i concetti più importanti della meccanica quantistica c’è la coerenza quantistica. Questo fenomeno permette a particelle come atomi e fotoni di rimanere legate in uno stato coordinato, anche a distanze considerevoli.

La coerenza quantistica ha portato direttamente allo sviluppo del laser, una tecnologia che molti un tempo ritenevano impossibile da realizzare. Oggi i laser sono utilizzati in tutta la società moderna, dagli scanner di codici a barre dei supermercati alle procedure di correzione della vista e agli strumenti scientifici avanzati.

La coerenza è strettamente legata anche all’entanglement quantistico, il fenomeno che spinse Albert Einstein a descriverlo come “un’azione spettrale a distanza”.

L’entanglement permette alle particelle di condividere informazioni attraverso proprietà unicamente quantistiche. Questi effetti costituiscono la base dei sistemi di crittografia quantistica e migliorano la sensibilità di strumenti sofisticati come il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), che rileva minuscole increspature nello spaziotempo.

I motori termici quantistici sfidano i limiti classici

Una delle applicazioni più sorprendenti della fisica quantistica riguarda i motori termici quantistici.

I motori tradizionali sono vincolati dal limite di Carnot, che definisce l’efficienza massima consentita dalla termodinamica classica. I ricercatori hanno scoperto che, sfruttando la coerenza quantistica, potrebbe essere possibile creare motori in grado di superare tali limiti classici.

“È un esempio lampante di come i principi quantistici possano riscrivere le regole della fisica classica”, ha affermato Scully.

Biologia quantistica, gravità e turbolenza

L’influenza della meccanica quantistica si estende ormai ben oltre la fisica.

In biologia, tecniche come la spettroscopia Raman coerente consentono ai ricercatori di esaminare virus e altre strutture su scala nanometrica, fornendo preziose informazioni sul mondo microscopico.

Le idee quantistiche stanno influenzando anche gli sforzi per comprendere l’universo stesso. Gli scienziati che lavorano su concetti come la teoria delle stringhe e la gravità quantistica stanno cercando di conciliare la meccanica quantistica con la teoria della relatività di Einstein, uno dei maggiori problemi irrisolti della fisica moderna.

I ricercatori stanno persino applicando i concetti quantistici alla sfida di lunga data della comprensione della turbolenza. Il movimento caotico dell’aria e dei fluidi influenza i modelli meteorologici, i sistemi climatici e le prestazioni degli aeromobili. Studiando l’elio superfluido, una sostanza che mostra un comportamento quantistico insolito, gli scienziati stanno scoprendo modelli che potrebbero migliorare la modellazione climatica, la previsione delle tempeste e la sicurezza aerea.

Il prossimo secolo di scoperte quantistiche

Nonostante un secolo di successi, la meccanica quantistica continua a sollevare interrogativi profondi.

È possibile quantizzare la gravità (ovvero, la gravità si comporta come altre forze a livello quantistico)? I computer quantistici potrebbero rivoluzionare la medicina e la scienza dei materiali? Quali nuove scoperte sull’universo potrebbero emergere dalle future tecnologie quantistiche?

Scully crede che la ricerca di risposte sia solo all’inizio.

“All’inizio del XX secolo, molti pensavano che la fisica fosse completa”, ha affermato. “Ora, nel XXI secolo, sappiamo che l’avventura è appena iniziata.”

Cinque modi in cui la meccanica quantistica influenza la vita di tutti i giorni

1. I laser, dagli scanner dei supermercati alla chirurgia oculare, si basano su principi quantistici che amplificano la luce.
2. Comunicazione sicura La crittografia quantistica può creare codici altamente sicuri che aiutano a proteggere le informazioni sensibili.
3. Calcolo più veloce: i computer quantistici hanno il potenziale per risolvere in pochi secondi determinati problemi che ai computer classici richiederebbero migliaia di anni.
4. Misurazioni più precise Gli osservatori di onde gravitazionali utilizzano tecniche quantistiche come la “luce compressa” per rilevare minuscole distorsioni nello spaziotempo e rivelare nuovi dettagli sull’universo.
5. Progressi in campo medico: i metodi di imaging quantistico aiutano gli scienziati a studiare virus, molecole e altre strutture biologiche a livello atomico.

Marlan O. Scully, William G. Unruh. One hundred years of quantum mechanics. Science, 2025; 390 (6777): 998 DOI: 10.1126/science.ady6092