Quest'anno il premio Nobel per la Fisica 2022 è stato assegnato ad A. Aspect, J. F. Clauser e A. Zeilinger "per gli esperimenti con i fotoni entangled, stabilendo la violazione delle disuguaglianze di Bell e aprendo la strada alla scienza dell’informazione quantistica". Lo scorso anno, nel 2021, lo stesso premio è stato insignito all'italiano Giorgio Parisi.
Ma andiamo nello specifico e scopriamo assieme chi sono i tre scienziati, in cosa consiste la loro scoperta e quali sono le potenziali applicazioni.
Chi sono i vincitori del Nobel per la Fisica 2022
Alain Aspect è un fisico francese nato ad Agen, classe 1947. Ha studiato a Parigi, ha insegnato in Camerum ed poi è tornato a Parigi per il dottorato, ottenuto nel 1983, con l'esperimento che gli è valso il premio Nobel. Lo stesso esperimento gli valse il Premio Wolf nel 2010, assieme a Clauser e Zeilinger.
John F. Clauser è un fisico americano nato a Pasadena in California, classe 1942. Ha studiato al California Institute of Technology e successivamente alla Columbia University. Ha lavorato al Lawrence Berkeley National Laboratory, al Lawrence Livermore National Laboratory e all'Università della California. Ottenne il dottorato nel 1969.
Anton Zeilinger è un fisico austriaco nato a Ried im Innkreis, a 60 km da Salisburgo, classe 1945. Ha studiato a Vienna e ottenne il dottorato nel 1971. Ha avuto incarichi in varie università, fra cui l'università di Oxford e il Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Verifica sperimentale dell'entanglement
Gli esperimenti compiuti distintamente da Aspect, Clauser e Zeilinger hanno permesso di verificare l’esistenza dell'entanglement quantistico (o correlazione quantistica), un legame che si instaura fra due o più particelle intrinsecamente connesse che hanno proprietà correlate meglio chiamate stati quantici. Lo statunitense John Francis Clauser assieme a Stuart Freedman eseguirono la prima verifica sperimentale nel 1972, seguiti dal francese Alain Aspect nel 1982 e da Gregor Weihs e Anton Zeinger nel 1998.
In particolare, a partire da atomi di calcio riscaldati, gli scienziati riuscirono a misurare l'emissione e la polarizzazione di coppie di fotoni. Il legame fra questi due fotoni generati simultaneamente persiste nel tempo e nello spazio grazie alla condivisione della stessa funzione d’onda, finché il sistema resta isolato.
Il teorema di Bell
In precedenza, John Stewart Bell con il suo teorema di Bell aveva definito una serie di diseguaglianze che pongono le condizioni sui risultati statistici sperimentali derivanti da coppie di particelle generate simultaneamente. Questo teorema vedeva scontrarsi due principali teorie. Da un lato la teoria delle variabili nascoste supportata da Einstein, Podolsky e Rosen, e dall’altra l’entanglement.
Se si presume la presenza di variabili nascoste, in cui la polarizzazione di una particella è definita a priori prima della sua osservazione – ma sconosciuta – la correlazione tra i risultati di svariate misurazioni non deve superare una certa distribuzione.
Se, invece, due particelle sono entangled (= intrecciate, aggrovigliate), la misura della polarizzazione di una particella identifica automaticamente e istantaneamente anche quello dell’altra, dando vita a una diversa curva di probabilità dei risultati che viola la precedente correlazione (violazione della disuguaglianza di Bell).
In parole povere gli scienziati sono stati in grado, grazie ai loro esperimenti, di stabilire la violazione della disuguaglianza di Bell e, dunque, confermare l'esistenza dell’entanglement quantistico. I loro esperimenti hanno avuto un enorme impatto in favore della meccanica quantistica e hanno portato all’abbandono della teoria della variabili nascoste.
Il fatto che una particella sia capace di influenzarne un'altra, istantaneamente e a distanze considerevoli (principio di non-località) resta di difficile "digestione" per la mente umana, nella vita di tutti i giorni. Grazie a questa scoperta però è probabile che in futuro la ricerca volga sempre più attenzione verso nuove applicazioni tecnologiche, una fra le più conosciute riguarda i computer quantistici.
Esistono anche altre discipline che sfruttano i comportamenti quantistici della materia e della luce. Una fra tutte è la biologia quantistica, che sfrutta il comportamento quantistico della luce per studiare processi chimici come la fotosintesi e la respirazione cellulare. La comprensione di alcuni processi biologici nei batteri, o del meccanismo di navigazione e dell'olfatto degli uccelli sembrano dipendere proprio da fenomeni quantistici.
Insomma, c'è ancora un infinito mondo da scoprire e da capire, a scala microscopica, che influenza ed influenzerà la vita attorno a noi.
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