Nel mondo delle distanze e delle energie atomiche e subatomiche, ovvero nel mondo delle molecole, degli atomi, dei nuclei, degli elettroni e delle particelle subnucleari in generale, laddove non sono verificate le leggi della meccanica classica e dell’elettromagnetismo, la meccanica quantistica è la teoria fisica che descrive il comportamento della materia, della radiazione e delle reciproche interazioni in termini di probabilità statistica. Il primo postulato di tale teoria è denominato “principio di sovrapposizione”, e descrive come due o più stati quantistici possono essere sommati, alias sovrapposti, generando un terzo stato valido e viceversa. Ebbene l’entanglement quantistico (letteralmente groviglio) deriva appunto da tale principio, per cui due particelle possono tipicamente costituire un sistema più esteso, il cui stato quantico è rappresentato dalla sovrapposizione dei due stati quantici relativi alle particelle medesime. Per questo si parla di entanglement o di correlazione quantistica, e dal momento che la sovrapposizione è assolutamente indipendente dalla posizione occupata nello spazio dal singolo sistema, in maniera del tutto controintuitiva, l’entanglement quantistico implica la presenza tra i diversi sistemi di una correlazione a distanza, ovvero un carattere non locale della realtà fisica, concetto lungamente avversato da Albert Einstein.
È invece del fisico britannico Paul Dirac, Premio Nobel insieme a Erwin Schrödinger nel 1933, la celebre affermazione “se due sistemi interagiscono tra loro per un certo periodo di tempo e poi vengono separati, non possiamo più descriverli come due sistemi distinti, ma in qualche modo diventano un unico sistema. Quello che accade all’uno continua a influenzare l’altro, anche se distanti anni luce”.
Questa indubbiamente affascinante affermazione descrive con chiarezza il fenomeno dell’entanglement quantistico, che Dirac tradusse nella famosa equazione:
(δ + m) ψ = 0
impropriamente nota come “equazione dell’amore”. Non vi è infatti nulla di più lontano dal reale, e di seguito spiegherò il perché. Guardando l’equazione di Dirac, qualunque fisico o matematico non può evitare di soffermarsi sulla bellezza della sua formulazione, perché lineare per l’energia, indipendentemente dal significato del simbolismo che la descrive e che non sarebbe appropriato spiegare in questa sede. Dal punto di vista squisitamente matematico, l’equazione di Dirac è un’equazione differenziale alle derivate parziali, con incognita la funzione d’onda, ovvero una funzione complessa con variabili reali le coordinate spaziali e il tempo che rappresenta un’ampiezza di probabilità, per cui il suo modulo quadro rappresenta la densità di probabilità dello stato sulle posizioni in un certo intervallo temporale.
Si tratta di un’equazione che dal punto di vista fisico descrive in modo relativisticamente invariante il moto dei fermioni, ovvero di quelle particelle subatomiche che hanno spin semintero, ed è stata il tassello principale nello sviluppo della teoria che unifica i principi della meccanica quantistica e della relatività ristretta (la cosiddetta meccanica quantistica relativistica). Nel risolvere l’equazione, Dirac notò altresì che non si riescono ad annullare le energie negative e dunque ipotizzò che esistesse un mare di fermioni a un livello eccitato, e dunque ad energia positiva, e in mezzo a loro delle lacune ad energia negativa. La diseccitazione delle particelle positive avviene quando incontrano le lacune ed emettono radiazioni elettromagnetiche. Ammettendo soluzioni a energia negativa, l’equazione di Dirac apre la strada all’esistenza delle antiparticelle, ovvero particelle che occupano stati a energia appunto negativa.
Facendo un salto avanti nel tempo, nel 2022 il Premio Nobel per la fisica fu assegnato a tre scienziati, Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger, per gli esperimenti con fotoni correlati (entangled), che hanno dimostrato che la meccanica quantistica è una teoria completa e fondato la scienza dell’informazione quantistica.
Come confermato dal Presidente dell’INFN Antonio Zoccoli, gli esperimenti premiati con il Nobel stanno portando allo sviluppo delle tecnologie quantistiche, dalla crittografia quantistica al teletrasporto basato sul concetto di entanglement fino ai computer quantistici. In sostanza si è alimentata la ricerca nel campo dell’informazione quantistica, poiché è proprio controllando e manipolando gli stati quantistici di particelle entangled che abbiamo la possibilità di trasferire e memorizzare informazioni a velocità elevatissime, migliorando inoltre sicurezza ed efficienza.
È dunque evidente che l’interpretazione vagamente shakespeariana dell’entanglement quantistico associata all’equazione di Dirac e che sembra alludere ad un intruglio di sentimenti melensi, è completamente fuorviante: invero si tratta sempre e solamente di interpretare fenomeni fisici per spiegare la realtà che ci circonda.
Resta tuttavia la magia di due che diventano uno, e Dirac era scienziato, ma anche uomo, sempre in bilico tra l’infinitamente bello e la ricerca di esso.
