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Una particella su due percorsi: la fisica quantistica ha ragione

Il laboratorio dell’ILL a Grenoble Laurent Thion, ILL. Credito: Università della tecnologia di Vienna

L’esperimento della doppia fenditura è l’esperimento più famoso e probabilmente il più importante della fisica quantistica: singole particelle vengono sparate contro un muro con due aperture, dietro il quale un rivelatore misura dove arrivano le particelle. Ciò mostra che le particelle non si muovono lungo un percorso molto specifico, come è noto dagli oggetti classici, ma lungo più percorsi contemporaneamente: ogni singola particella passa sia attraverso l’apertura sinistra che quella destra.

Normalmente, tuttavia, ciò può essere dimostrato solo eseguendo ripetutamente l’esperimento e valutando alla fine i risultati di molte rilevazioni di particelle. Alla TU Wien, i ricercatori hanno sviluppato una nuova variante di un simile esperimento di interferenza a due vie in grado di correggere questo difetto: un singolo neutrone viene misurato in una posizione specifica e, grazie alla sofisticata configurazione di misurazione, questa singola misurazione dimostra già che la particella si è mossa lungo due strade diverse contemporaneamente. È anche possibile determinare il rapporto in cui il neutrone è stato distribuito tra i due percorsi. Pertanto, il fenomeno della sovrapposizione quantistica può essere dimostrato senza dover ricorrere ad argomenti statistici. I risultati sono stati ora pubblicati sulla rivista Physical Review Research .

L’esperimento della doppia fenditura

“Nell’esperimento classico della doppia fenditura , viene creato uno schema di interferenza dietro la doppia fenditura”, spiega Stephan Sponar dell’Atomic Institute della TU Wien. “Le particelle si muovono come un’onda attraverso entrambe le aperture contemporaneamente, e le due onde parziali interferiscono quindi l’una con l’altra. In alcuni punti si rafforzano a vicenda, in altri si annullano a vicenda”.

La probabilità di misurare la particella dietro la doppia fenditura in una posizione molto specifica dipende da questo schema di interferenza: dove l’onda quantistica è amplificata, la probabilità di misurare la particella è alta. Laddove l’onda quantistica viene cancellata, la probabilità è bassa. Naturalmente, questa distribuzione d’onda non può essere vista guardando una singola particella. Solo quando l’esperimento viene ripetuto molte volte, il modello d’onda diventa sempre più riconoscibile punto per punto e particella per particella.

“Quindi, il comportamento delle singole particelle viene spiegato sulla base di risultati che diventano visibili solo attraverso l’indagine statistica di molte particelle”, afferma Holger Hofmann dell’Università di Hiroshima, che ha sviluppato la teoria alla base dell’esperimento. “Naturalmente, questo non è del tutto soddisfacente. Abbiamo quindi considerato come il fenomeno dell’interferenza a due vie può essere dimostrato sulla base del rilevamento di una singola particella”.

 

Rotazione del neutrone

Ciò è stato reso possibile con l’aiuto dei neutroni alla sorgente di neutroni di ILL a Grenoble: i neutroni vengono inviati su un cristallo che divide l’onda quantistica del neutrone in due onde parziali, molto simili al classico esperimento della doppia fenditura. Le due onde di neutroni parziali si muovono lungo due percorsi differenti e si ricombinano nuovamente. Interferiscono e vengono quindi misurati.

In aggiunta, tuttavia, viene sfruttata un’altra proprietà del neutrone: il suo spin, il momento angolare della particella. Può essere influenzato da campi magnetici, il momento angolare del neutrone punta quindi in una direzione diversa. Se lo spin del neutrone viene ruotato solo su uno dei due percorsi, è possibile determinare in seguito quale percorso ha preso. Tuttavia, anche il pattern di interferenza scompare, come conseguenza della complementarità nella meccanica quantistica .

“Quindi ruotiamo un po’ lo spin del neutrone”, spiega Hartmut Lemmel, il primo autore dell’attuale pubblicazione. “Quindi il pattern di interferenza rimane, perché puoi ottenere solo pochissime informazioni sul percorso. Per ottenere comunque informazioni precise sul percorso, questa misurazione ‘debole’ viene ripetuta molte volte negli esperimenti convenzionali. Tuttavia, si ottiene quindi solo un’affermazione statistica sull’intero insieme di neutroni e posso dire poco su ogni singolo neutrone.”

Inversione della rotazione

La situazione è diversa se, dopo che le due onde parziali di neutroni si sono fuse, viene utilizzato un altro campo magnetico per riportare indietro lo spin. Per tentativi ed errori, si determina l’angolo di rotazione necessario per riportare la rotazione dello stato sovrapposto nella direzione originale. La forza di questa rotazione è una misura della forza del neutrone presente in ciascun percorso. Se avesse preso solo il percorso su cui è stata ruotata la rotazione, sarebbe necessario l’intero angolo di rotazione per ruotarla all’indietro. Se avesse preso solo l’altro percorso, non sarebbe necessaria alcuna rotazione inversa. Nell’esperimento condotto utilizzando uno speciale divisore di fascio asimmetrico, è stato dimostrato che i neutroni erano presenti per un terzo in un percorso e per due terzi nell’altro.

Attraverso calcoli dettagliati, il team è stato in grado di dimostrare: qui non si rileva semplicemente un valore medio sulla totalità di tutti i neutroni misurati, ma l’affermazione si applica a ogni singolo neutrone. Occorrono molti neutroni per determinare l’angolo di rotazione ottimale, ma non appena questo viene impostato, la presenza del percorso determinata da esso si applica a ogni singolo neutrone rilevato.

“I nostri risultati di misurazione supportano la teoria quantistica classica”, afferma Stephan Sponar. “La novità è che non è necessario ricorrere ad argomenti statistici insoddisfacenti: quando si misura una singola particella, il nostro esperimento mostra che deve aver percorso due percorsi contemporaneamente e quantifica le rispettive proporzioni in modo inequivocabile”. Ciò esclude interpretazioni alternative della meccanica quantistica che tentano di spiegare l’esperimento della doppia fenditura con particelle localizzate.

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