I ricercatori del MIT espandono la gamma di comportamenti quantistici replicabili in sistemi fluidi, offrendo una prospettiva sulla dualità onda-particella
di Larry Hardesty, MIT News Office http://web.mit.edu/newsoffice/2013/when-fluid-dynamics-mimic-quantum-mechanics-0729.html
Nei primi giorni della fisica quantistica, nel tentativo di spiegare il comportamento ondulatorio delle particelle quantistiche, il fisico francese Louis de Broglie propose la teoria che chiamò dell'”onda pilota”. Secondo de Broglie, le particelle in movimento, come elettroni o i fotoni in un fascio di luce, nascono lungo onde di qualche tipo, come legni su una marea. L'incapacità dei fisici di rilevare le onde ipotizzate da de Broglie, li ha portati ad abbandonare, in gran parte, la teoria dell'onda-pilota. Recentemente è stato scoperto un vero sistema d'onda-pilota, in cui una goccia di fluido rimbalza lungo un bagno di fluido vibrante, spinta da onde prodotte dalle sue stesse collisioni. Nel 2006, Yves Couder ed Emmanuel Fort, fisici dell'Université Paris Diderot, hanno usato questo sistema per riprodurre uno dei più famosi esperimenti nella fisica quantistica: il cosiddetto esperimento della “doppia fenditura”, in cui vengono sparate delle particelle su uno schermo, attraverso una barriera con due fori. Nell'ultimo numero del journal Physical Review E (PRE), un team di ricercatori del MIT, in collaborazione con Couder e colleghi, ha riportato di aver prodotto l'analogo di un altro classico esperimento quantistico, in cui gli elettroni sono confinati in un “recinto” circolare da un anello di ioni. Nei nuovi esperimenti, le gocce di fluido hanno mimato il comportamento statistico degli elettroni, con accuratezza notevole. “Questo sistema idrodinamico è sottile e straordinariamente ricco in termini di modellazione matematica”, dice John Bush, professore di matematica applicata al MIT e autore del nuovo documento. “E' il primo sistema ad onda pilota scoperto e fornisce informazioni su come possano funzionare le dinamiche quantistiche razionali, se una tal cosa esiste”.
Assieme a Bush sul PRE paper, ha lavorato il principale autore Daniel Harris, studente laureato in matematica al MIT, poi Couder e Fort e Julien Moukhtar, sempre dell'Université Paris Diderot. In un paio di documenti separati, apparsi questo mese nel Journal of Fluid Mechanics, Bush e Jan Molacek, altro studente di matematica laureato al MIT, spiega la meccanica dei fluidi sottostante al comportamento del sistema.
Interferenza Inferenza
L'esperimento della doppia fenditura è fondamentale, perchè offre la dimostrazione più chiara della dualità onda-particella: come disse una volta il fisico teorico Richard Feynman, “ogni altra situazione in meccanica quantistica, può sempre essere spiegata dicendo, “Ricordi il caso dell'esperimento con due fori? E' la stessa cosa”.”
Se un'onda che viaggia sulla superficie dell'acqua, colpisce una barriera con due fessure, emergeranno due onde dall'altra parte. Dove le creste di queste onde si intersecano, si forma un'onda più grande e dove le onde si intersecano con una depressione, il fluido è fermo. Un banco di sensori di pressione colpiti da onde, registrerebbe uno “schema di interferenza”, una serie di bande luminose e scure alternate, che indicano dove le onde si sono rinforzate o annullate. I fotoni sparati attraverso uno schermo con due fori, producono un simile schema di interferenza, persino se sparati uno per volta. Questa è la dualità onda-particella: la matematica della meccanica ondulatoria spiega il comportamento statistico delle particelle in movimento. Negli esperimenti riportati sul PRE, i ricercatori hanno montato un vassoio poco profondo con una depressione circolare su un supporto vibrante. Hanno riempito il vassoio con un olio di silicone e hanno iniziato a farlo vibrare ad una frequenza appena inferiore a quella necessaria per produrre onde di superficie. Quindi hanno rilasciato una singola goccia dello stesso olio sul bagno e questa ha rimbalzato, producendo onde che l'hanno spinta sulla superficie.
Le onde generate dalla goccia si sono riflesse sulle pareti, confinandola entro il cerchio e interferendo fra loro creando intrecci complicati. Il movimento della goccia è sembrato casuale, ma nel tempo si è visto che ha favorito certe regioni rispetto ad altre. Si è verificato con più frequenza vicino al centro, poi con minore frequenza, in anelli concentrici la cui distanza fra loro è stata determinata dalla lunghezza d'onda dell'onda pilota. La descrizione statistica della posizione della goccia è analoga a quella di un elettrone confinato in un recinto quantistico circolare e mostra una simile forma ondulatoria. “E' un grande risultato”, dice Paul Milewski, professore di matematica all'University of Bath, in Inghilterra, specializzato in meccanica dei fluidi. “Dato il numero di analoghi quanto-meccanici già mostrati da questo sistema meccanico, non è una sorpresa enorme che l'esperimento del recinto si colleghi alla meccanica quantistica. Hanno però fatto un lavoro estremamente preciso, perchè servono misurazioni molto accurate in un lungo periodo di rimbalzi della goccia, per ottenere questa distribuzione di probabilità”.
“Se avete un sistema deterministico ed è quello che noi chiamiamo “caotico” o sensibile alle condizioni iniziali, alle perturbazioni, allora può comportarsi in modo probabilistico”, continua Milewski. “Esperimenti come questo non erano disponibili ai giganti della meccanica quantistica. Loro inoltre non sapevano nulla del chaos. Supponiamo che questi ragazzi, perplessi da questo comportamento probabilistico del mondo, avessero potuto fare esperimenti come questo e avessero conosciuto la teoria del chaos, avrebbero elaborato una teoria deterministica della meccanica quantistica, che non è quella odierna? Ecco perchè lo trovo emozionante dalla prospettiva quantistica”.
Tradotto da Richard per Altrogiornale.org
Fonte: http://web.mit.edu/newsoffice/2013/when-fluid-dynamics-mimic-quantum-mechanics-0729.html
Vedi: https://www.altrogiornale.org/news.php?extend.6604
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