Secondo la meccanica quantistica, il vuoto non è solo spazio vuoto. In effetti, è pieno di energia e particelle quantistiche, minuscole particelle che continuano ad apparire e scomparire proprio così, lasciandosi dietro una scia sotto forma di segnali che chiamiamo fluttuazioni quantistiche. Per decenni queste fluttuazioni sono esistite solo nelle nostre teorie quantistiche, fino a quando nel 2015 i ricercatori hanno annunciato di averle rilevate e determinate direttamente. E ora lo stesso team di scienziati afferma di essere progredito molto più avanti nella ricerca: sono stati in grado di manipolare il vuoto stesso e determinare i cambiamenti in questi misteriosi segnali dal vuoto.
Qui entriamo nel territorio della fisica di alto livello, ma ancora più importante, se i risultati dell'esperimento di cui parleremo oggi saranno confermati, allora è del tutto possibile che questo significherà che gli scienziati hanno scoperto un nuovo modo di osservare, interagire e test pratici della realtà quantistica senza interferire con sua. Quest'ultimo è particolarmente importante perché uno dei maggiori problemi nella meccanica quantistica - e la nostra comprensione di essa - è che ogni volta che proviamo a misurare o anche semplicemente osservare un sistema quantistico, lo distruggeremo con questa influenza. Come puoi immaginare, questo non si adatta davvero al nostro desiderio di scoprire cosa sta realmente accadendo in questo mondo quantistico.
Ed è da questo momento che il vuoto quantistico viene in soccorso. Ma prima di proseguire, ricordiamo brevemente cos'è un vuoto dal punto di vista della fisica classica. Qui rappresenta uno spazio completamente privo di qualsiasi materia e contenente energie di magnitudini più basse. Non ci sono particelle qui, il che significa che niente può interferire o distorcere la fisica pura.
Una delle conclusioni di uno dei principi più fondamentali della meccanica quantistica - il principio di indeterminazione di Heisenberg - stabilisce un limite all'accuratezza dell'osservazione delle particelle quantistiche. Inoltre, secondo questo principio, il vuoto non è uno spazio vuoto. È pieno di energia, così come di coppie di particelle di antiparticelle che appaiono e scompaiono a caso. Queste particelle sono "virtuali" piuttosto che fisicamente materiali, motivo per cui non è possibile rilevarle. Ma anche se rimangono invisibili, come la maggior parte degli oggetti nel mondo quantistico, influenzano anche il mondo reale.
Queste fluttuazioni quantistiche creano campi elettrici fluttuanti casualmente che possono agire sugli elettroni. Ed è grazie a questo effetto che gli scienziati hanno dimostrato per la prima volta indirettamente la loro esistenza negli anni Quaranta.
Nei decenni successivi, questa è rimasta l'unica cosa che sapevamo di queste fluttuazioni. Tuttavia, nel 2015, un gruppo di fisici guidati da Alfred Leitenstorfer dell'Università di Costanza in Germania ha affermato di poter determinare direttamente queste fluttuazioni osservando il loro effetto su un'onda luminosa. I risultati del lavoro degli scienziati sono stati pubblicati sulla rivista Science.
Nel loro lavoro, gli scienziati hanno utilizzato impulsi laser a onde corte della durata di pochi femtosecondi, che hanno inviato nel vuoto. I ricercatori hanno iniziato a notare sottili cambiamenti nella polarizzazione della luce. Secondo i ricercatori, questi cambiamenti sono stati causati direttamente dalle fluttuazioni quantistiche. Il risultato delle osservazioni causerà sicuramente più controversie, ma gli scienziati hanno deciso di portare il loro esperimento a un nuovo livello "comprimendo" il vuoto. Ma anche questa volta hanno iniziato a osservare strani cambiamenti nelle fluttuazioni quantistiche. Si scopre che questo esperimento non solo si è rivelato un'altra conferma dell'esistenza di queste fluttuazioni quantistiche - qui possiamo già parlare del fatto che gli scienziati hanno scoperto un modo per osservare il corso di un esperimento nel mondo quantistico senza influenzare il risultato finale.che in ogni altro caso distruggerebbe lo stato quantistico dell'oggetto osservato.
"Possiamo analizzare gli stati quantistici senza modificarli alla prima osservazione", commenta Leitenstorfer.
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In genere, quando si desidera tracciare l'effetto delle fluttuazioni quantistiche su una particolare particella di luce, è prima necessario rilevare e isolare queste particelle. Questo, a sua volta, rimuoverà la "firma quantistica" di questi fotoni. Un esperimento simile è stato condotto da un team di scienziati nel 2015.
Come parte del nuovo esperimento, invece di osservare i cambiamenti nelle fluttuazioni quantistiche assorbendo o amplificando i fotoni di luce, i ricercatori hanno osservato la luce stessa in termini di tempo. Può sembrare strano, ma nel vuoto, lo spazio e il tempo funzionano in modo tale che osservarne uno immediatamente ti permetta di imparare di più sull'altro. Facendo un'osservazione del genere, gli scienziati hanno scoperto che quando il vuoto era "compresso", questa "compressione" si verificava esattamente come accade quando viene compresso un palloncino, accompagnata solo da fluttuazioni quantistiche.
Ad un certo punto, queste fluttuazioni sono diventate più forti del rumore di fondo del vuoto non compresso e in alcuni punti, al contrario, sono state più deboli. Leitenstorfer fornisce un'analogia con un ingorgo che si muove attraverso uno spazio ristretto della strada: nel tempo, le auto nelle loro corsie occupano la stessa corsia per infilarsi nello spazio stretto e poi tornare alle loro corsie. In una certa misura, secondo le osservazioni degli scienziati, lo stesso accade nel vuoto: la compressione di un vuoto in un punto porta a una distribuzione dei cambiamenti nelle fluttuazioni quantistiche in altri luoghi. E questi cambiamenti possono accelerare o rallentare.
Questo effetto può essere misurato nello spazio-tempo, come mostrato nel grafico sottostante. La parabola al centro dell'immagine rappresenta il punto di "compressione" nel vuoto:
Il risultato di questa compressione, come si può vedere nella stessa immagine, è un certo "cedimento" nelle fluttuazioni. Non meno sorprendente per gli scienziati è stata l'osservazione che il livello di potenza delle fluttuazioni in alcuni punti era inferiore al livello di rumore di fondo, che, a sua volta, è inferiore a quello dello stato fondamentale dello spazio vuoto.
"Poiché il nuovo metodo di misurazione non prevede la cattura o l'amplificazione dei fotoni, esiste la possibilità di rilevare e osservare direttamente il rumore di fondo elettromagnetico nel vuoto, così come le deviazioni controllate degli stati creati dai ricercatori", ha detto lo studio.
I ricercatori stanno attualmente testando l'accuratezza del loro metodo di misurazione e stanno cercando di capire cosa può effettivamente fare. Nonostante i risultati già più che impressionanti di questo lavoro, c'è ancora la possibilità che gli scienziati abbiano escogitato un cosiddetto "metodo di misurazione non convincente", che, forse, è in grado di non violare gli stati quantistici degli oggetti, ma allo stesso tempo non è in grado di dire agli scienziati di più sull'uno o l'altro sistema quantistico.
Se il metodo funziona, gli scienziati vogliono usarlo per misurare lo "stato quantico della luce" - il comportamento invisibile della luce a livello quantistico che stiamo appena iniziando a capire. Tuttavia, ulteriore lavoro richiede una verifica aggiuntiva: la replica dei risultati della scoperta di un team di ricercatori dell'Università di Costanza e quindi la dimostrazione dell'idoneità del metodo di misurazione proposto.
NIKOLAY KHIZHNYAK
