Il ritorno a casa di un'idea dimenticata

Confesso: la fisica quantistica mi mette sempre in crisi. E questa storia non aiuta.

Quella volta che qualcuno ha indovinato il futuro

Siamo nel 1931. Hans Bethe — che poi vincerà il Nobel, per capirci — scrive delle equazioni piuttosto strane. Parlano di particelle intrappolate in spazi talmente stretti che possono muoversi solo avanti e indietro, come treni su un binario.

Bethe dice: secondo i calcoli, queste particelle potrebbero fare qualcosa di bizzarro. Invece di girare ognuna per conto proprio, potrebbero legarsi insieme. Non con una colla, non con un legame chimico. Solo perché interagiscono tra loro nel modo giusto. Le chiama "stringhe di Bethe".

Per quasi cent'anni, restano lì. Nel cassetto della matematica. Un'idea elegante, teoricamente plausibile, mai vista.

Fino ad ora.

Un gruppo dell'Università di Innsbruck, insieme a colleghi di Amsterdam e Monaco, ha appena pubblicato risultati che fanno girare la testa. Hanno creato stringhe di Bethe. Le hanno osservate. Le hanno fatte scontrare. Come incontrare finalmente qualcuno di cui hai solo sentito parlare.

Come si costruisce una stringa quantistica

Il procedimento è affascinante.

I ricercatori partono da atomi di cesio — sì, quelli degli orologi atomici — e li raffreddano fino a pochi miliardesimi di grado sopra lo zero assoluto. Per chi non mastica criogenia: fa freddo. Così freddo che gli atomi smettono quasi di agitarsi.

A questo punto entra in gioco un trucchetto laser. I scienziati affettano questa nuvola atomica gelida in migliaia di tubicini sottilissimi. Dentro ogni tubicino, gli atomi possono muoversi solo in una direzione: avanti o indietro. Una linea, nient'altro.

Ecco il punto: le stringhe di Bethe possono esistere solo in queste condizioni. Spazi unidimensionali.

Regolando le interazioni tra gli atomi — trasformandole da repulsive ad attrattive — le stringhe iniziano a formarsi. Qualcuna a coppie, qualcuna a tre, qualcuna con sei o più particelle che ballano insieme.

La prova degli scontri

C'è un momento in cui questa ricerca diventa davvero interessante.

Il team voleva dimostrare che le particelle fossero realmente legate. Non semplicemente vicine per caso.

Cosa hanno fatto? Hanno lasciato espandere le stringhe e le hanno fatte scontrare.

Mi piace immaginare la scena. Migliaia di stringhe quantistiche minuscole che si tamponano nei loro corridoi monodimensionali. Ecco cosa è successo:

Hanno retto. Le strutture legate sono rimaste integre anche dopo gli urti. È una cosa notevole, se ci pensate. Non sono oggetti rigidi tenuti insieme da legami chimici. Sono stati quantistici collettivi, eppure mantengono la loro coerenza attraverso le collisioni.

Poi il colpo finale. I ricercatori hanno rimosso il confinamento, lasciando che gli atomi si espandessero in tre dimensioni. Le stringhe di Bethe possono esistere solo in una dimensione. Quindi si sono dissolte. L'energia che le teneva insieme si è trasformata in movimento, e le particelle sono volate via con un surplus di velocità. Confrontando questa espansione con quella confinata, la prova era schiacciante: le stringhe erano davvero lì.

Perché dovrebbe interessarvi?

Forse pensate: ok, esperimento figo, ma qual è il punto?

Il punto è questo. Le stringhe di Bethe erano già state osservate in materiali magnetici solidi, ma quei sistemi sono caotici. Difficili da controllare, difficili da manipolare.

Il nuovo approccio con atomi ultra-freddi cambia tutto. I ricercatori possono controllare ogni singolo parametro: la geometria, la densità delle particelle, quanto intensamente interagiscono gli atomi.

Le stringhe di Bethe diventano un vero e proprio parco giochi sperimentale. Ora possiamo studiare come si formano questi oggetti quantistici collettivi, come interagiscono, cosa succede quando li tocchi in modi diversi. È un nuovo laboratorio per la fisica quantistica dei molti corpi.

Come ha detto il ricercatore principale Sudipta Dhar, ora possono "crearle in laboratorio, manipolarle, farle scontrare e verificare la loro notevole stabilità alle collisioni."

Il quadro più ampio

C'è qualcosa di poeticamente soddisfacente in questa storia.

Hans Bethe, con la sua penna, i suoi fogli, e un'intuizione straordinaria sulla meccanica quantistica, ha previsto qualcosa nel 1931 che la tecnologia del suo tempo non poteva assolutamente verificare. Novantatré anni dopo, usando laser, magneti superconduttori e la materia più precisamente controllata che esista, i fisici hanno portato le sue creature matematiche nella realtà fisica.

Mi ricorda che la fisica funziona spesso così: prima sogniamo, poi costruiamo gli strumenti per acchiappare i nostri sogni.

Non so voi, ma io trovo questo piuttosto ispirante. L'universo è più strano e meraviglioso di quanto possiamo inizialmente immaginare. E lentamente, con cura, impariamo a vedere ciò che era sempre lì.