La meccanica quantistica, con la sua miriade di fenomeni strani e controintuitivi, si scontra con una sfida fondamentale: come può il mondo microscopico, dominato da leggi probabilistiche e comportamenti bizzarri, dare origine al mondo macroscopico osservabile e concreto che speriamo di comprendere nella vita quotidiana? Questo enigma ha affascinato i fisici per decenni e continua a sfidare le nostre intuizioni più profonde sulla natura della realtà. Un gruppo di ricercatori presso il dipartimento di Quantum Information & Thermodynamics (QuIT) dell’Università di Vienna si è immerso in questo enigma, guidato da Tom Rivlin, un esperto nel campo della fisica teorica e della divulgazione scientifica. Il loro viaggio intellettuale li ha portati a esplorare le profondità della meccanica quantistica e della termodinamica, cercando di trovare una connessione tra i due mondi apparentemente disparati.
Alla ricerca della connessione tra il microscopico e il macroscopico
Il viaggio di esplorazione di Rivlin inizia in un luogo insolito: il cimitero più grande di Vienna, di fronte alla tomba di Ludwig Boltzmann. Questo non è un caso, poiché Boltzmann è stato uno dei pionieri della termodinamica, la branca della fisica che si occupa del calore, dell’energia e delle loro trasformazioni.
Fondamenti della termodinamica
La termodinamica è un ramo della fisica che studia le relazioni tra le grandezze macroscopiche, come temperatura, pressione e volume, e le proprietà microscopiche dei sistemi, come la velocità delle particelle che li compongono. Uno dei concetti chiave della termodinamica è l’entropia, che misura il grado di disordine di un sistema. Questo concetto è stato introdotto da Ludwig Boltzmann, che ha formulato l’equazione S = k log W, dove S rappresenta l’entropia, k è la costante di Boltzmann e W è il numero di microstati possibili che corrispondono a uno stato macroscopico specifico del sistema.
L’entropia è una quantità fondamentale perché ci fornisce informazioni sul disordine di un sistema e sulle trasformazioni energetiche che avvengono al suo interno. Ad esempio, consideriamo un cubetto di ghiaccio che si scioglie in un bicchiere d’acqua. Inizialmente, il ghiaccio è in uno stato di bassa entropia, con le molecole d’acqua disposte in modo ordinato nel reticolo cristallino del ghiaccio. Man mano che il ghiaccio si scioglie, le molecole d’acqua si disperdono e si mescolano uniformemente nell’acqua, aumentando l’entropia complessiva del sistema. Questo aumento dell’entropia è dovuto al fatto che il processo di fusione porta a una maggiore casualità e disordine nell’arrangiamento delle molecole d’acqua, rispetto alla loro disposizione ordinata nel ghiaccio.
I principi della termodinamica
Per comprendere appieno come il mondo microscopico quantistico influenzi il mondo macroscopico osservabile, è importante avere una solida comprensione dei principi fondamentali della termodinamica. Il primo principio della termodinamica afferma che l’energia totale di un sistema isolato è costante nel tempo, il che implica che l’energia può essere trasformata da una forma all’altra, ma la sua quantità totale rimane invariata. Questo principio sottolinea il concetto di conservazione dell’energia, una delle leggi più fondamentali della fisica.
Il secondo principio, invece, introduce il concetto di entropia e afferma che l’entropia di un sistema isolato tende sempre ad aumentare nel corso del tempo, o al massimo rimane costante durante i processi reversibili. In altre parole, il disordine di un sistema, misurato dall’entropia, tende a crescere nel tempo. Questo fenomeno è comunemente conosciuto come “freccia del tempo” e indica la direzione unidirezionale del tempo verso uno stato di massimo disordine.
Sfide della meccanica quantistica
Tuttavia, la meccanica quantistica presenta sfide significative a questi principi termodinamici ben stabiliti. La sovrapposizione degli stati è uno dei fenomeni più noti della meccanica quantistica, in cui una particella può esistere in più posizioni o stati simultaneamente. Questo concetto è stato ben illustrato dal famoso paradosso del gatto di Schrödinger, in cui un gatto può essere contemporaneamente vivo e morto. Inoltre, il processo di misurazione quantistica sembra “inchiodare” la particella in una posizione definita, eliminando tutte le altre possibilità. Questo fenomeno è noto come collasso della funzione d’onda. Queste stranezze della meccanica quantistica rappresentano una sfida alla nostra comprensione della natura del mondo macroscopico.
Decoerenza e De-Decoerenza
Per anni, la decoerenza è stata la spiegazione predominante per questo fenomeno apparentemente paradossale. Tuttavia, il team di Rivlin ha abbracciato una prospettiva alternativa, guardando alla termodinamica per una nuova comprensione. La decoerenza è un processo che porta alla perdita di coerenza tra le particelle quantistiche e si pensava che fosse responsabile della transizione tra il mondo quantistico e quello classico. Tuttavia, recenti scoperte hanno suggerito la possibilità di un fenomeno chiamato “de-decorenza“, in cui un sistema quantistico può temporaneamente ritornare a uno stato di coerenza. Questo suggerisce che le informazioni quantistiche non vengono completamente distrutte, ma possono essere nascoste e recuperate.
Verso una nuova comprensione
I lavori del team di Rivlin si concentrano su come l’equilibrio tra un sistema quantistico e un apparato di misura potrebbe “nascondere” il comportamento quantistico anziché eliminarlo del tutto. Inoltre, stanno sviluppando un esperimento per verificare questa ipotesi e comprendere come e se sia possibile estrarre informazioni quantistiche da questi sistemi. Questo potrebbe portare a una nuova comprensione della natura della realtà e della connessione tra il mondo microscopico e il macroscopico.
Attraverso un approccio innovativo e interdisciplinare, questi ricercatori si avventurano in territori ancora inesplorati della fisica, portando luce su uno degli enigmi più affascinanti della natura. La risposta potrebbe trovarsi proprio nelle profondità della termodinamica, pronta a svelare i segreti più intimi della natura stessa. Come Rivlin stesso osserva, “Chissà cosa ne avrebbe pensato Boltzmann“.
