E se buttassi giù un atomo che è in due posti contemporaneamente?

Avete mai provato a immaginare di tenere in mano un singolo atomo — uno microscopico, minuscolo — e di farlo esistere in due posti diversi nello stesso identico istante?

Questo si chiama sovrapposizione quantistica, e lo so, sembra una cosa da film di fantascienza. Ma la realtà è che gli atomi lo fanno continuamente, ogni volta che nessuno li osserva.

Ora la domanda interessante: cosa succede se lo lasciate cadere?

È esattamente quello che un gruppo di fisici ha appena verificato. E il risultato? È allo stesso tempo ovvio e straordinariamente affascinante.

Due giganti che non si sopportano

Devo spiegarvi perché questo esperimento è importante, perché riguarda due delle teorie più grandiose della scienza che non riescono proprio a lavorare insieme.

Da una parte c'è la meccanica quantistica: la teoria che descrive come si comportano atomi e particelle. È strana, controintuitiva, ma funziona perfettamente. Le particelle possono essere in più stati contemporaneamente. Possono attraversare muri. Possono essere connesse in modi che facevano innervosire persino Einstein, che la chiamava "un'azione spettrale a distanza".

Dall'altra parte c'è la relatività generale di Einstein: la teoria che spiega perché le cose cadono, come orbitano i pianeti, e perché il tempo scorre diversamente a seconda della velocità a cui vi muovete o di quanto siete vicini a un oggetto massiccio. È elegante, è stata confermata infinite volte, e descrive l'universo su scala cosmica.

Il problema? Queste due teorie non vanno d'accordo.

Non in senso letterale, ovviamente. Ma i fisici cercano di unificarle da quasi un secolo, e nessuno ci è mai riuscito. Funzionano perfettamente nei loro rispettivi ambiti, ma appena provi a usarle insieme, tutto si rompe.

È come avere due amici che sono fantastici separatamente, ma diventano un disastro quando li metti nella stessa stanza.

L'esperimento

Lo studio, pubblicato su Science Advances, è stato condotto da ricercatori dell'Università Ben-Gurion del Negev, dell'Università di Ulm e dell'Università di Oxford — tra cui il leggendario Roger Penrose, vincitore del Nobel per la fisica.

Hanno costruito quello che viene chiamato un Interferometro Quantistico di Galileo. So, sembra complicato, ma vi semplifico.

Hanno preso nubi di atomi di rubidio — raffreddati quasi allo zero assoluto — e hanno diviso l'onda quantistica di ogni atomo in due percorsi separati. Uno rimaneva fermo, intrappolato da campi magnetici controllati con precisione. L'altro cadeva liberamente, come una palla lanciata in aria.

Poi — ecco la parte interessante — hanno riunito i due percorsi e osservato come le onde interferivano tra loro.

Immaginate di lanciare due sassi in uno stagno in momenti leggermente diversi e di guardare come le onde si scontrano. Le differenze tra quelle onde vi dicono qualcosa su cosa è successo a ogni sasso durante il suo viaggio.

Il principio di equivalenza incontra il mondo quantistico

Ed è qui che Einstein torna in scena.

Il principio di equivalenza è uno dei pilastri della sua teoria della gravità. L'idea di base è semplice e bellissima: gravità e accelerazione sono indistinguibili. Se siete in una stanza chiusa, non potete capire se sentite il peso perché siete sulla Terra o perché la stanza sta accelerando nello spazio. Una persona in caduta libera si sente senza peso, indipendentemente dalla sua massa.

Questo principio è stato testato infinite volte con oggetti normali, e ha sempre funzionato.

Ma la domanda che si sono posta questi scienziati è: funziona ancora quando il vostro "oggetto" non è realmente in un posto solo? Quando è un'onda quantistica che esiste in sovrapposizione, che segue due percorsi diversi nello stesso tempo?

Ecco cosa rende speciale questo esperimento. Non stavano semplicemente lasciando cadere una palla. Stavano lasciando cadere qualcosa che era metafisicamente in due posti contemporaneamente, e volevano vedere se la gravità trattava entrambi i percorsi nel modo previsto da Einstein.

E la risposta? Sì.

La fase quantistica che hanno misurato — praticamente l'impronta quantistica lasciata dall'onda in caduta — corrispondeva esattamente a ciò che predireste applicando il principio di equivalenza di Einstein a un oggetto quantistico.

Perché dovrebbe interessarvi?

Va bene, alcuni scienziati hanno lasciato cadere atomi in un laboratorio elaborato e Einstein aveva di nuovo ragione. Quindi?

Ecco perché è importante.

Non abbiamo ancora una teoria che combini con successo meccanica quantistica e gravità. Ci sono candidate — teoria delle stringhe, gravità quantistica a loop — ma nessuno ha ancora trovato la soluzione. Uno dei motivi è che non abbiamo dati sperimentali buoni su cosa succede all'intersezione di questi due mondi.

Questo esperimento ci sta dando il primo vero sguardo in quel territorio. È come se stessimo finalmente riuscendo a far entrare nella stessa stanza i nostri due amici che litigano, e li stessimo osservando con attenzione.

Il professor Ron Folman, che ha guidato lo studio, l'ha detto in modo molto bello: "Questo è un articolo unico, nel senso che combina un esperimento difficile con un'interpretazione teorica ambiziosa, su una delle domande più fondamentali della fisica."

E il professor Vlatko Vedral di Oxford ha aggiunto: "Questo esperimento spinge la meccanica quantistica in uno dei suoi fronti più intriganti, la gravità, e mostra che..."

Beh, la citazione si interrompe qui, ma credo di poter immaginare come finisse. Mostra che la meccanica quantistica non si rompe quando entra in gioco la gravità. Almeno non in questo regime.

Cosa significa per il futuro

Non vi dirò che questo esperimento ha risolto tutto improvvisamente. Siamo ancora molto lontani da una teoria unificata del tutto. Ma esperimenti come questo sono le briciole che potrebbero alla fine condurci lì.

Ogni volta che spingiamo i confini tra quantistico e classico, tra minuscolo e massiccio, impariamo qualcosa di nuovo. E finora l'universo ci sta dicendo che entrambe le nostre teorie "migliori" contengono più verità di quanto a volte vogliamo ammettere — anche quando sono nella stessa stanza insieme.

Quindi la prossima volta che qualcuno vi dice che la fisica ha capito tutto, potete ricordargli che non siamo ancora riusciti a far andare d'accordo Einstein e la meccanica quantistica.

Ma hey — almeno ora sappiamo che sono disposti a stare nella stessa stanza.