Fu a partire dagli anni ’60 che si capì che la meccanica quantistica non era solo una teoria del microscopico ma una teoria dell’universo i cui effetti potevano mostrarsi anche a livello macroscopico.
Alcuni effetti quantistici sono il motore primario di fenomeni su scala cosmica come la formazione delle galassie, le radiazioni cosmiche, le reazioni che alimentano le stelle. Il ruolo della meccanica quantistica nell’universo è dirompente. Nessuno è in grado, per esempio, di prevedere con esattezza dove si formerà una nuova galassia, così come non è prevedibile il destino esatto di una particella: la meccanica quantistica ha portato la casualità nell’universo e con le sue fluttuazioni ha dato il via alla sua nascita ed espansione.
Nel corso del tempo, oltre a rispondere al bisogno naturale di decifrare il linguaggio del cosmo sotto una nuova luce e con strumenti sempre più sofisticati, la meccanica quantistica si è rivelata una meravigliosa officina per lo sviluppo di tecnologie e nuove applicazioni, dalle nanotecnologie al quantum computing, che aprono le porte a una rivoluzione non solo nella scienza ma anche nella società.
Precursori di molte delle attuali applicazioni sono le ricerche condotte negli anni ’80 da John Clarke, Michel H. Devoret e John M. Martinis premiate con il Premio Nobel per la fisica 2025, che hanno dimostrato sperimentalmente che un circuito elettrico, in particolare un circuito superconduttivo a basse temperature, può comportarsi seguendo le leggi della meccanica quantistica, mostrando effetti come il cosiddetto “effetto tunnel”.
L’effetto tunnel è alla base di molti fenomeni, come la radioattività o la fusione termonucleare nelle stelle: una singola particella subatomica (come un elettrone) può attraversare una barriera e apparire dall’altra parte con una certa probabilità anche quando, secondo la fisica classica, non ne avrebbe l’energia sufficiente. Questo perché la meccanica quantistica prevede che la particella sia di per sé contemporaneamente, con una certa probabilità, al di qua e, con una probabilità molto più bassa, al di là della barriera. Ecco perché quando si effettua un’osservazione per misurare la posizione della particella esiste una certa probabilità di trovarla al di là della barriera.
A partire dagli anni ’60, prima con la teoria di Bardeen, Cooper e Schrieffer sulla superconduttività, poi con gli esperimenti proposti da Josephson e Leggett, fu avanzata l’ipotesi che fosse possibile osservare effetti quantistici in un sistema macroscopico come quello costituito da un circuito elettrico. Ma dalla teoria alla realizzazione sperimentale il passo è tutt’altro che breve e la sfida fu vinta negli anni ’80 da Clarke, Devoret e Martinis che dimostrarono sperimentalmente che, non solo la singola particella, ma anche una corrente elettrica, quindi un sistema macroscopico composto da miliardi di particelle, può comportarsi come un’unica entità quantistica e saltare una barriera di energia con una certa probabilità. I tre scienziati hanno anche dimostrato che il sistema così realizzato risulta comportarsi come un macroscopico “atomo artificiale” caratterizzato da livelli energetici discreti.
La scoperta sperimentale del tunneling quantistico macroscopico ha posto di fatto le basi per la realizzazione dei qubit e dei computer quantistici, e ha aperto le porte alla possibilità di realizzare dispositivi elettronici che sfruttano proprietà quantistiche avendo un impatto significativo in diversi ambiti. Ricerche come queste o quelle premiate dal Nobel per la Fisica del 2022, ad Alain Aspect, John F. Clauser e Anton Zeilinger per i loro esperimenti sull’entanglement alla base oggi della scienza dell’informazione quantistica, hanno portato allo sviluppo dell’attuale tecnologia quantistica e a una rivoluzione nel campo dell’elettronica.
Una volta comprese e accettate, infatti, sono proprio la probabilità e l’incertezza intrinseca dei fenomeni quantistici che racchiudono la ricchezza di possibilità che questa teoria ha portato e porterà nel nostro modo di comprendere l’universo e di immaginare la realtà.
Approfondimenti
- Premio Nobel per la fisica 2022 – video della diretta streaming
- Un secolo di meraviglia – articolo su Asimmetrie.it, Paola Verrucchi
Il percorso sulla Meccanica Quantistica è stato realizzato in occasione delle iniziative per il 2025 Anno Internazionale della Scienza e della Tecnologia Quantistica. “Il cosmo in un quanto” è il primo capitolo.
