Misurata per la prima volta la natura ambigua della luce

Risolto uno dei misteri della meccanica quantistica. Nella ricerca anche uno scienziato italiano

Alberto Peruzzo

Misurata per la prima volta la «doppia» natura della luce, che secondo la meccanica quantistica è composta da fotoni, elementi che sono simultaneamente sia particelle che onde. Un team di fisici dell'università di Bristol, fra cui compare un «cervello in fuga» italiano, Alberto Peruzzo, è riuscito a inventare uno strumento in grado di misurare contemporaneamente la doppia natura dei fotoni. La ricerca è stata pubblicata il 2 novembre sulla rivista Science.

DUALITÀ - La dualità onda-particella dei fotoni è uno degli interrogativi più intriganti della fisica, tanto da esser stato definito «il vero mistero della meccanica quantistica» dal premio Nobel Richard Feynman. Il dibattito fra le teorie ondulatorie e particellari della luce accompagna la storia della scienza fin dagli albori. Isaac Newton nel XVII secolo era il principale sostenitore della teoria particellare, che poi però dovette cedere il passo alla teoria ondulatoria, dopo gli esperimenti di Thomas Young (all'inizio del XIX secolo) per arrivare fino alla teoria dell'elettromagnetismo di James Clerk Maxwell. Nel 1905 fu Albert Einstein a sparigliare le carte: dimostrò che era possibile spiegare un particolare fenomeno, l'effetto fotoelettrico, tornando all'idea che la luce fosse formata di particelle, vale a dire i fotoni. Oggi la teoria quantistica spiega che la natura del fotone dipende dal mezzo di osservazione: particolari misure sperimentali possono attribuire alla luce la natura particellare, altri apparati quella ondulatoria. Il problema è che finora non è stato possibile concepire un apparato sperimentale in grado di misurare contemporaneamente la doppia natura del fotone.

ESPERIMENTO - Proprio qui sta la novità introdotta dal team di Bristol. Peruzzo, Peter Shadbolt e Jeremy O'Brien del Centro di fotonica quantistica hanno fatto squadra con i teorici quantistici Nicola Brunner e Sandu Popescu per concepire uno strumento in grado di misurare simultaneamente sia il comportamento particellare che ondulatorio della luce. Peruzzo spiega che questo dispositivo si incardina su un noto principio, contro-intuitivo come gran parte della meccanica quantistica, vale a dire quello della «non-località». La teoria quantistica va contro il principio della «località» (ciò che accade in un luogo non può influire immediatamente su ciò che accade in un altro luogo) e presenta fenomeni come l'entanglemet, vale a dire che due particelle che nascono dallo stesso processo, ciò che accade a una particella ha effetti istantanei anche sull'altra, indipendentemente dalla distanza che le separa.

NON-LOCALITÀ - Il ricercatore italiano riporta che «l'apparato di misura ha rivelato forte non-località, certificando nel nostro esperimento che il fotone si è comportato simultaneamente sia come un'onda che come una particella. Ciò rappresenta una chiara confutazione dei modelli in cui il fotone è alternativamente o un'onda o una particella». O'Brien, direttore del Centro di fotonica quantistica, aggiunge: «Per condurre questa ricerca abbiamo usato un chip fotonico, tecnologia innovativa inventata a Bristol. Il chip, che è riconfigurabile e perciò può essere programmato e controllato per realizzare circuiti diversi, è una delle tecnologie leader per la costruzione del computer quantistico».