Il principio classico della minima azione ora esiste nel regno quantistico

May 18, 2023

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I ricercatori hanno dimostrato che una legge fondamentale della fisica si applica al regno quantistico.

Il principio della minima azione impone che gli oggetti (a meno che non subiscano interferenze) si sposteranno sempre lungo il percorso che richiede la minima quantità di azione.

Non tutte le regole della fisica quotidiana si applicano alle particelle quantistiche, ma secondo le misurazioni difficili da effettuare di un nuovo studio, questa regola certamente sì.

La distanza più breve tra due punti è una linea retta, ma la distanza più breve non significa sempre meno lavoro. Cosa succede se la distanza è in salita o su terreno difficile? Se vuoi fare il minor lavoro possibile, una linea retta potrebbe non essere sempre la soluzione migliore.

Gli esseri umani potrebbero non cercare sempre la strada più semplice. Ma quando si tratta di movimenti naturali nei sistemi, una delle leggi fondamentali della fisica dice che gli oggetti viaggeranno sempre lungo il percorso che richiede la minima azione. In fisica, "l'azione" ha a che fare con cose come energia, quantità di moto, distanza e tempo.

Fondamentalmente, senza intervento esterno, gli oggetti viaggiano lungo il percorso di minor resistenza e minor cambiamento. Questo è chiamato principio di minima azione. Sappiamo che si applica nel nostro mondo quotidiano e ora, grazie a un nuovo studio, sappiamo che si applica anche al mondo quantistico.

"Il sogno ultimo di un fisico è scrivere i segreti dell'intero universo su un piccolo pezzo di carta e il principio di minima azione deve essere sulla lista", ha detto Shi-Liang, uno dei ricercatori del progetto, in un articolo per Nuovo scienziato. "La nostra ambizione era quella di 'vedere' [il principio] in un esperimento quantistico."

Più facile a dirsi che a farsi. Il gruppo di ricerca della South China Normal University ha dovuto fare i conti con il fatto che non solo tutto nel regno quantistico è piccolo e difficile da vedere, ma che i movimenti delle particelle quantistiche sono complicati, davvero complicati. Per prima cosa, gli stati quantistici cambiano quando vengono misurati. E in secondo luogo, possono essere mappati solo utilizzando calcoli molto complicati.

Per descrivere al meglio il loro comportamento, gli scienziati usano una combinazione di due cose: una funzione d'onda e un propagatore. Le funzioni d'onda descrivono lo stato della particella e i propagatori descrivono come tale stato cambia nel corso del movimento di una particella in un sistema. Il problema è che le funzioni d'onda e i propagatori sono puramente matematici e, sebbene siano bravissimi a descrivere il comportamento delle particelle quantistiche, spesso lo fanno utilizzando numeri immaginari. I numeri immaginari vanno bene in matematica, ma sono, per definizione, impossibili da misurare.

Per aggirare questo problema, il team ha utilizzato una tecnica messa a punto alcuni anni prima. In questa tecnica, sostanzialmente fai rimbalzare e filtrare singole particelle di luce quantistica chiamate fotoni attraverso un labirinto di specchi, cristalli e lenti. Alla fine, le parti del comportamento del fotone descritte dai numeri immaginari corrisponderanno alle effettive proprietà misurabili. Anche le parti originariamente descritte da normali numeri reali saranno misurabili e i ricercatori potranno ricostruire le forme d'onda e i propagatori dai dati misurati effettivi.

Una volta costruito il labirinto, i ricercatori hanno combinato quella tecnica con una nuova che hanno sviluppato per evitare il problema del “cambiamento di stato quantico quando osservato”. Quindi, hanno inviato singoli fotoni attraverso il labirinto e hanno confrontato il loro comportamento con quello previsto dal principio di minima azione e hanno scoperto che la realtà concordava con la teoria, dimostrando che le particelle quantistiche in effetti seguono quel principio.

"Le misurazioni effettuate in questo esperimento sono piuttosto incredibili e non mettono in discussione la nostra attuale comprensione della fisica quantistica", ha affermato Jonathan Leach, un ricercatore di scienze quantistiche non coinvolto nello studio, in un articolo del New Scientist. "È bello vedere questa teoria trasformata in realtà in un esperimento."

Ci sono moltissimi posti in cui il mondo quantistico e il mondo quotidiano non si intrecciano. Fa parte del motivo per cui i ricercatori stanno ancora cercando di migliorare l'attuale modello standard della fisica. Ma nel loro desiderio di evitare il più possibile l’azione, il quantistico e il quotidiano sono perfettamente sincronizzati.