Crediti immagine: Brendan McKay / Wikimedia
C’è posto per tutti, nelle piccionaie del mondo dei quanti. Dopo il gatto di Schrödinger dall’ineffabile stato vitale, dopo lo Stregatto dal sorriso che più autonomo non si potrebbe, fra i bizzarri abitanti dello zoo quantistico è ora il turno del piccione che non c’è. O meglio, che c’è ma non occupa posti: in una piccionaia con due nicchie, per dire, se ne possono ospitare tre o più senza che mai due di loro si vengano a trovare insieme nella stessa nicchia. A descriverlo, un articolo che esplora alcuni paradossi derivanti dalla manifestazione quantistica di concetti come quelli di separabilità e correlazione.
Uno fra gli aspetti più esotici della meccanica quantistica, rispetto alla realtà così come la percepiamo, è il venir meno del principio di località. Una violazione del senso comune che può dar luogo a vari fenomeni, uno meno intuitivo dell’altro. Per esempio, la separazione spaziale fra una particella e le sue proprietà, o effetto Aharonov–Bohm – dove lo “Aharonov” che dà il nome all’effetto è il professor Yakir Aharonov, della Tel Aviv University, primo autore dell’articolo del quale stiamo parlando. Altro fenomeno di non-località è l’arcinoto entanglement: un’influenza reciproca fra due particelle – confermata da abbondanti verifiche sperimentali – che si mantiene istantanea indipendentemente dalla distanza spaziale.
La correlazione quantistica illustrata ora da Aharonov e colleghi è, se possibile, ancora più singolare. A firmare insieme ad Aharonov l’articolo, ancora non pubblicato, un team di scienziati appartenenti o affiliati all’Istituto di studi quantistici della Chapman University (USA). Fra loro, tre italiani: Daniele Struppa, alla Chapman University dal 2006, Fabrizio Colombo e Irene Sabadini, entrambi professori al Dipartimento di Matematica del Politecnico di Milano. Ed è proprio a Colombo e Struppa che Media INAF ha chiesto in cosa consista il paradosso descritto nell’articolo.
«Il paradosso si può spiegare in modo molto semplice. Nel mondo in cui viviamo tutti i giorni, se ci sono tre oggetti – ad esempio tre piccioni – e due scatole, non è possibile mettere i tre oggetti nelle due scatole senza averne almeno due nella stessa scatola. In fisica quantistica, invece, si può mostrare (e questo è l’oggetto del nostro lavoro) che si può mettere un numero qualsiasi di particelle in due scatole, senza che ce ne siano mai due nella stessa scatola. Il motivo per cui questo è possibile dipende dal fatto che le particelle non sono oggetti nel senso classico, e il loro comportamento non può essere assimilato a quello degli oggetti classici».
Ma perché avete scelto proprio i piccioni, per esemplificarlo?
«Per via del famoso pigeonhole principle [in italiano, principio dei cassetti, ndr], che afferma che se n+k piccioni sono messi in n scatole, allora almeno una scatola deve contenere più di un piccione».
E come s’inserisce, questo fenomeno, nel contesto delle altre “non-località” della meccanica quantistica? Ha per esempio qualche legame con l’entanglement?
«La parola entanglement si riferisce al fatto che è possibile preparare due particelle in modo tale che, una volta che le si allontana l’una dall’altra, esse rimangono in qualche modo collegate. Per esempio, se una delle due cambia spin, pure l’altra pure cambia il suo spin istantaneamente. Nel caso di cui si parla nel nostro articolo, succede una cosa ancora più sorprendente, perché noi possiamo scegliere due particelle completamente a caso, e prendendo poi una terza particella si scopre che le particelle “comunicano” in maniera da non trovarne due nella stessa scatola».
Il paradosso dello Cheshire cat, del quale abbiamo parlato su Media INAF proprio pochi giorni fa, è stato verificato sperimentalmente. Per questo del “piccione” ci sono esperimenti analoghi?
«L’articolo è molto recente e non è ancora stato fatto nessun esperimento, ma nell’articolo si propongono modelli da cui si possono trarre esperimenti».
Ma questi paradossi, verifiche sperimentali a parte, si presentano anche nella realtà? Attorno a noi, al di fuori dei laboratori, nella vita quotidiana?
«Si tratta di fenomeni quantistici che si verificano solo con oggetti quantistici. Tuttavia non si può escludere che si possano trovare applicazioni macroscopiche di questi effetti. Come accade nel caso di altri effetti quantistici che spiegano, per fare un esempio, il fenomeno della superconduttività».
Per saperne di più:
- Leggi l’articolo “The quantum pigeonhole principle and the nature of quantum correlations“, di Y. Aharonov, F. Colombo, S. Popescu, I. Sabadini, D.C.Struppa e J. Tollaksen