Torniamo a cos'è la meccanica quantistica e come possiamo usarla.

Uno spettacolo invisibile

Ok, quindi senti odore di caffè, sei quasi sveglio. I tuoi occhi sono pronti per la routine quotidiana, sbattono le palpebre e lasciano entrare un po 'di luce. Quando ci pensi, le particelle di luce che entrano nel tuo viso e negli occhi si sono formate un milione di anni fa al centro del sole, in un momento in cui i nostri antenati hanno iniziato a usare il fuoco. Il sole non invierebbe nemmeno particelle chiamate fotoni se non fossero necessarie per lo stesso fenomeno che potrebbe essere alla base del nostro senso dell'olfatto, il tunneling quantistico.

Circa 150 milioni di chilometri separano il Sole e la Terra, i fotoni impiegano solo otto minuti per coprire quella distanza. Tuttavia, la maggior parte del loro viaggio si svolge all'interno del sole, dove un tipico fotone trascorre un milione di anni cercando di scappare. La materia viene così immagazzinata al centro della nostra stella, dove l'idrogeno è circa 13 volte più denso del piombo, ei fotoni possono viaggiare per una frazione infinitesimale di secondo prima di essere assorbiti dagli ioni idrogeno, che poi sparano un fotone per viaggiare dal Sole, ecc. di tali interazioni, finalmente un fotone appare sulla superficie del Sole, che splende qui da milioni di anni.

Meccanica quantistica (© Jay Smith)

I fotoni non si sarebbero mai formati e il Sole non avrebbe brillato senza il tunneling quantistico. Il sole e tutte le altre stelle creano luce per fusione nucleare, scindono gli ioni idrogeno e creano elio in un processo che rilascia energia. Ogni secondo, il sole converte circa 4 milioni di tonnellate di materia in energia. Solo gli ioni idrogeno, come i singoli protoni, hanno cariche elettriche positive e si respingono a vicenda. Quindi come possono fondersi l'uno con l'altro?
Nel tunneling quantistico, la natura ondulatoria dei protoni a volte consente loro di sovrapporsi facilmente come le onde che si fondono sulla superficie di uno stagno. Il fatto che si sovrappongano porta le onde protoniche abbastanza vicine che un'altra forza, come una forte forza nucleare che agisce solo a distanze molto brevi, può superare la repulsione elettrica delle particelle. I protoni poi decadono per rilasciare un fotone.

I nostri occhi sono molto sensibili ai fotoni

I nostri occhi si sono evoluti per essere molto sensibili a questi fotoni. Alcuni esperimenti recenti hanno dimostrato che possiamo persino rilevare singoli fotoni, il che solleva una possibilità interessante: gli esseri umani potrebbero rilevare alcuni casi speciali di meccanica quantistica? Questo significa che una persona, come un fotone o un elettrone o lo sfortunato gatto di Schrödinger, è morta e viva allo stesso tempo se è direttamente coinvolta nel mondo quantistico? Come potrebbe essere una simile esperienza?

Occhio umano

"Non lo sappiamo perché nessuno ci ha provato", ha detto Rebecca Holmes, fisica del Los Alamos National Laboratory nel New Mexico. Tre anni fa, quando si è laureata presso l'Università dell'Illinois a Urbane-Champaign, Holmes faceva parte di un team guidato da Paul Kwiat, che ha dimostrato che le persone possono rilevare brevi lampi di luce costituiti da tre fotoni. Nel 2016, ha scoperto che un gruppo di scienziati in competizione, guidato dal fisico Alipaša Vaziri della Rockefeller University di New York, ha scoperto che le persone vedevano effettivamente i singoli fotoni. Tuttavia, vediamo che l'esperienza potrebbe non essere descritta con precisione. Vaziri, ha cercato di vedere i lampi di fotone lei stessa, ha detto alla rivista Nature: "Non è come vedere la luce. È quasi una sensazione sulla soglia della fantasia ".

Meccanica quantistica - esperimenti

Nel prossimo futuro, Holmes e Vaziri si aspettano di sperimentare ciò che le persone percepiscono quando i fotoni vengono inseriti in speciali stati quantistici. Ad esempio, i fisici possono collegare un singolo fotone a quella che chiamano una sovrapposizione, dove i fotoni esistono simultaneamente in due luoghi diversi. Holmes e i suoi colleghi hanno progettato un esperimento che coinvolge due scenari per verificare se gli esseri umani possono percepire direttamente la sovrapposizione di fotoni. Nel primo scenario, un fotone entrerebbe nel lato sinistro o destro della retina umana e si noterebbe su quale lato della retina ha sentito il fotone. Nel secondo scenario, il fotone sarebbe posto in una sovrapposizione quantistica che gli consentirebbe di fare ciò che apparentemente impossibile: volare verso il lato destro e sinistro della retina allo stesso tempo.

Si rileverà la luce su entrambi i lati della retina? Oppure l'interazione di un fotone nell'occhio farebbe "collassare" la sovrapposizione? In tal caso, accadrebbe tutte le volte che la teoria suggerisce?

Rebecca Holmes ha detto:

"Sulla base della meccanica quantistica standard, un fotone in sovrapposizione probabilmente non sarebbe diverso da un fotone effettivamente trasmesso in modo casuale a sinistra oa destra."

Se si scopre che alcuni partecipanti all'esperimento hanno effettivamente percepito il fotone in entrambi i luoghi contemporaneamente, significa che la persona stessa era in uno stato quantico?

Rebecca Holmes aggiunge:

"Si potrebbe dire che l'osservatore era solo in una sovrapposizione quantistica in un tempo trascurabilmente breve, ma nessuno ha ancora provato, quindi davvero non lo sappiamo. Ecco perché fai un esperimento del genere ".

Lo percepisci a modo tuo

Ora torniamo alla tazza di caffè. Senti la tazza come un pezzo di materiale solido, saldamente a contatto con la pelle della tua mano. Ma è solo un'illusione. Non tocchiamo mai niente, almeno non nel senso dei due solidi pezzi di materia che si toccano. Più del 99,9999999999 percento di un atomo è costituito da spazio vuoto, con quasi tutta la materia concentrata nel nucleo.

Meccanica quantistica (© Jay Smith)

Quando tieni la tazza con le mani, sembra essere sua la forza viene dalla resistenza degli elettroni nella tazza e nella mano. Gli elettroni stessi non hanno alcun volume, sono solo le apparenti dimensioni zero del campo di carica elettrica negativa che circondano gli atomi e le molecole come una nuvola. Le leggi della meccanica quantistica li limitano a specifici livelli di energia attorno ad atomi e molecole. Quando la mano afferra la coppa, spinge gli elettroni da un livello all'altro e questo richiede energia muscolare, che il cervello interpreta come resistenza quando tocchiamo qualcosa di solido.

Il nostro senso del tatto nasce dall'interazione estremamente complessa tra gli elettroni attorno alle molecole del nostro corpo e le molecole degli oggetti che tocchiamo. Da queste informazioni, il nostro cervello crea l'illusione di avere un corpo solido che si muove in un mondo pieno di altri oggetti solidi. Il contatto con loro non ci dà un senso esatto della realtà. È possibile che nessuna delle nostre percezioni corrisponda a ciò che sta realmente accadendo. Donald Hoffman, neurologo cognitivo presso l'Università della California, a Irvine, ritiene che i nostri sensi e il nostro cervello si siano evoluti per oscurare la vera natura della realtà, non per rivelarla.

"La mia idea è che la realtà, qualunque cosa sia, è troppo complicata e ci vorrà troppo tempo ed energia per elaborarla".

Confronto dell'immagine del mondo nel cervello con l'interfaccia grafica del computer

Hoffman confronta l'immagine della costruzione del mondo nel nostro cervello con l'interfaccia grafica sullo schermo di un computer. Tutte le icone colorate sullo schermo, come il Cestino, il puntatore del mouse e le cartelle dei file, non hanno nulla a che fare con ciò che sta realmente accadendo all'interno del computer. Sono solo astrazioni, semplificazioni che ci permettono di comunicare con l'elettronica complessa.

Dal punto di vista di Hoffman, l'evoluzione ha cambiato il nostro cervello per funzionare proprio come un'interfaccia grafica che non riproduce fedelmente il mondo. L'evoluzione non supporta lo sviluppo di una percezione accurata, utilizza solo ciò che consente la sopravvivenza.

Come dice Hoffman:

"La forma governa la realtà".

Hoffman e i suoi studenti laureati hanno testato centinaia di migliaia di modelli di computer negli ultimi anni per testare le loro idee in simulazioni di forme di vita artificiale in competizione per risorse limitate. In ogni caso, gli organismi sono programmati per dare la priorità all'idoneità fisica quando i fatti non corrispondono a quelli fatti per una percezione accurata.

Ad esempio, se un organismo è progettato per percepire con precisione, ad esempio, la quantità totale di acqua presente nell'ambiente e incontra un organismo che è sintonizzato per percepire qualcosa di più semplice, ad esempio la quantità ottimale di acqua necessaria per rimanere in vita. Quindi, sebbene un organismo possa creare una forma di realtà più accurata, questa proprietà non aumenta la sua capacità di sopravvivere. Gli studi di Hoffman lo hanno portato a una conclusione notevole:

"Nella misura in cui siamo in sintonia per sostenere la vita, non saremo in sintonia con la realtà. Non possiamo farlo. "

Teoria dei quanti

I suoi pensieri coincidono con quella che alcuni fisici considerano l'idea centrale della teoria quantistica: la percezione della realtà non è del tutto oggettiva, non possiamo essere separati dal mondo che osserviamo.

Hoffman coglie appieno questa visione:

"Lo spazio è solo una struttura di dati e gli oggetti fisici sono essi stessi strutture di dati che creiamo in volo. Quando guardo una collina, creo questa struttura dati. Poi distolgo lo sguardo e rompo questa struttura di dati perché non ne ho più bisogno ".

Come mostra il lavoro di Hoffman, non abbiamo ancora considerato il pieno significato della teoria quantistica e cosa dice sulla natura della realtà. Per la maggior parte della sua vita, Planck stesso ha cercato di capire la teoria che ha contribuito a creare, e ha sempre creduto in una percezione oggettiva dell'universo che esisteva indipendentemente da noi.

Una volta ha scritto sul motivo per cui ha scelto di perseguire la fisica, contro il consiglio del suo insegnante:

"Il mondo esterno è qualcosa di indipendente dall'uomo, è qualcosa di assoluto, e la ricerca di leggi che si applicano a questo mi è sembrata assolutamente la più nobile esperienza scientifica della vita".

Potrebbe volerci un altro secolo prima che un'altra rivoluzione in fisica provi se aveva ragione o torto, come il suo professore Philip von Jolly.