Sull'eterno squilibrio

Se si mette una bottiglia di birra in una grande vasca da bagno piena di acqua ghiacciata, presto si potrà gustare una birra fredda. La fisica ha scoperto come funziona Chi siamo cento anni fa. Il calore viene scambiato attraverso la bottiglia di vetro fino a raggiungere l'equilibrio.

Esistono però altri sistemi, soprattutto quelli quantistici, che non raggiungono l'equilibrio. Assomigliano a un'ipotetica bottiglia di birra che non si raffredda sempre e inevitabilmente alla temperatura dell'acqua del bagno in acqua ghiacciata, ma raggiunge invece stati diversi a seconda della sua temperatura iniziale. Finora questi sistemi hanno lasciato perplessa la fisica. Tuttavia, Nicolò Defenu, PostDoc presso l'Istituto di Fisica Teorica, ha ora trovato un modo per spiegare elegantemente il loro comportamento.

Influenze più lontane

In particolare, parliamo di sistemi in cui i singoli elementi costitutivi influenzano non solo i loro vicini diretti, ma anche oggetti più distanti. Un esempio potrebbe essere una galassia: la forza gravitazionale delle sue singole stelle e dei suoi sistemi planetari non agisce solo sui corpi celesti vicini, ma anche, sebbene più debolmente, sugli altri componenti della galassia molto più in là.

L'approccio di Defenu inizia semplificando il problema a un mondo con una sola dimensione. In esso, c'è una singola particella quantistica che può stare solo in punti molto specifici lungo una linea. Questo mondo assomiglia a un gioco da tavolo come Affrettati e aspetta, in cui un pezzo salta da una casella all'altra. Supponiamo che ci sia un dado con "uno" o "meno uno" su tutti i lati e che il giocatore che possiede la figura lanci il dado ripetutamente uno dopo l'altro. La figura salterà quindi in una casella vicina e da lì tornerà indietro o alla casella successiva. E così via.

La domanda ora è: cosa succede se il giocatore lancia i dadi all'infinito? Se le caselle sono poche, il pezzo tornerà sempre al punto di partenza. Tuttavia, non è possibile prevedere con esattezza dove si troverà in un determinato momento, perché non si sa dove verranno lanciati i dadi.

Ritorno al punto di partenza

Allo stesso modo, non è possibile sapere esattamente dove si trova una particella soggetta alle leggi della meccanica quantistica. Tuttavia, la sua posizione può essere determinata utilizzando le distribuzioni di probabilità. Ogni distribuzione risulta da una diversa sovrapposizione delle probabilità per le singole posizioni e corrisponde a uno specifico stato energetico della particella. Si scopre che il numero di stati energetici stabili corrisponde al numero di gradi di libertà del sistema e quindi corrisponde esattamente al numero di luoghi consentiti. Il punto cruciale è che tutte le distribuzioni di probabilità stabili non sono nulle nel punto di partenza. Il pezzo del gioco, quindi, a un certo punto ritorna al suo campo di partenza.

Tuttavia, più campi ci sono, meno spesso il pezzo del gioco tornerà al punto di partenza e, con un numero infinito di campi possibili, alla fine non tornerà più. Per la particella quantistica esistono poi un numero infinito di modi in cui le probabilità delle singole posizioni possono essere combinate per formare delle distribuzioni. Ciò significa che non può più assumere solo alcuni stati energetici discreti, ma tutti quelli possibili in uno spettro continuo.

Fin qui è tutto familiare. Tuttavia, esistono varianti di gioco o sistemi fisici in cui i numeri sui dadi sono più grandi di uno e più piccoli di meno uno, il che significa che i passi consentiti per ogni mossa possono essere più grandi - anche infinitamente grandi, per essere precisi. Questo cambia radicalmente la situazione, come ha dimostrato Nicolò Defenu: In questi sistemi, lo spettro energetico rimane sempre discreto, anche con un numero infinito di campi. Ciò significa che la particella tornerà sempre al punto di partenza.

Strani fenomeni

Questa teoria può ora essere utilizzata per spiegare ciò che è già stato osservato molte volte negli esperimenti: i sistemi in cui avvengono interazioni a lungo raggio non raggiungono un equilibrio stabile, ma piuttosto uno stato meta-stabile in cui ritornano sempre alla posizione iniziale. Nel caso delle galassie, questo è uno dei motivi per cui si sviluppano bracci a spirale anziché nubi uniformi. La densità di stelle all'interno di questi bracci è maggiore rispetto a quella esterna.

Un esempio di sistemi quantistici che possono essere descritti utilizzando la teoria di Defenu sono gli ioni, cioè atomi carichi che vengono intrappolati in campi elettrici. Umwelt und Geomatik è uno dei più grandi progetti di ricerca al mondo per la costruzione di computer quantistici con trappole per ioni. Tuttavia, per far sì che questi computer entrino effettivamente in nuovi regni in termini di potenza di calcolo, è necessario un numero molto elevato di ioni intrappolati simultaneamente - proprio il punto in cui la nuova teoria diventa interessante. "In sistemi con un centinaio o più di ioni, si vedrebbero strani effetti che ora possiamo spiegare", spiega il ricercatore del gruppo del Fare all'ETH Gian Michele Graf. I colleghi della fisica sperimentale si avvicinano ogni giorno di più all'obiettivo di poter realizzare tali formazioni. E quando ci arriveranno, potrebbe valere la pena di andare a bere una birra fresca con Nicolò Defenu.