Il fenomeno ondulatorio che sembra violare le leggi della fisica

Una delle leggi fondamentali della fisica è quella della conservazione dell’energia: in un sistema chiuso, la quantità totale di energia si deve infatti mantenere costante. Da decenni però i fisici si stanno confrontando con uno scenario, che coinvolge il fenomeno della superoscillazione applicato alla meccanica quantistica e che sembra violare le leggi della fisica, creando energia dal nulla. Proviamo a capire meglio la questione.

Le leggi della fisica violate da un fenomeno ondulatorio?

Il mistero parte nel 1990 quando il trio di fisici teorici Sandu Popescu, Yakir Aharonov e Daniel Rohrlich ha iniziato ragionare sul fenomeno ondulatorio della superoscillazione.

Un concetto base quando si parla onde, di qualsiasi tipo, è la possibilità di scomporre qualsiasi onda in una somma di sinusoidi, ovvero onde caratterizzate da una sola frequenza. Dalla somma di queste onde, di ampiezza e frequenza diversa, si può ottenere quindi qualsiasi onda arbitrariamente complessa. La componente sinusoidale con la frequenza più alta rappresenta in teoria la velocità massima di oscillazione dell’onda.

Grazie al fenomeno della superoscillazione, però, è possibile, da una speciale combinazione di onde sinusoidali, ottenere un’onda con un’oscillazione maggiore di quella di qualsiasi delle componenti.

In generale questo fenomeno non presenta particolari problemi di tipo fisico. In altri ambiti, come l’elaborazione di segnali, è stato dimostrato che potrebbe essere sfruttato per ottenere risultati interessanti, come ad esempio, in maniera poco pratica, ricreare la Nona di Beethovern combinando soltanto onde sonore con frequenze tutte sotto 1 Hz (quindi inudibili all’orecchio umano). Ci sono ovviamente anche applicazioni più utili sviluppate grazie a questo concetto, soprattutto in ambito di elaborazione di segnali radio.

Il problema quantistico

Il problema nasce quando si applica però questo concetto alla meccanica quantistica. Secondo questa branca della fisica, infatti, ogni particella può essere descritta da una funzione d’onda, che in quanto onda può essere scomposta, almeno a livello di analisi, sempre in una somma di onde sinusoidali.

In questo caso, però, la frequenza dell’onda ha un significato fisico preciso, in quanto è proporzionale alla sua energia. L’energia di una particella è quindi data dalla sovrapposizioni delle energie delle varie componenti, che non si sommano, ma sono semplicemente i diversi stati energetici possibili della particella. Quando la particella viene osservata, la sua funzione d’onda “collassa” su uno di questi stati energetici, che viene osservato come l’energia della particella.

Provando idealmente ad applicare la superoscillazione ad un sistema quantistico, quindi, sembra essere possibile ottenere delle onde ad alta energia dalla somma di onde a bassa energia (nell’esempio fatto dai ricercatori, un raggio gamma, ovvero fotoni ad alta energia, da un insieme di luce rossa, ovvero fotoni a bassa energia). Un fatto teoricamente impossibile, perché violerebbe il principio di conservazione dell’energia.

L’esempio della scatola

Per illustrare il paradosso, i ricercatori hanno ideato un esperimento mentale. Poniamo di avere un fotone di luce rossa intrappolato in una scatola, con una funzione d’onda che presenti una regione di superoscillazione. Ponendo per un breve periodo uno specchio sul percorso del fotone proprio nel punto in cui la funzione d’onda superoscilla, il fotone ha la possibilità di riflettersi sullo specchio e uscire fuori dalla scatola.

In questo momento la funzione d’onda non è ancora collassata su un livello di energia, perché la riflessione non è un’osservazione. Piuttosto, la funzione d’onda si dividerebbe in due, con una parte ancora nella scatola e un piccola frazione, quella che superoscilla, che invece viene riflettuta. Questa piccola frazione è di fatto la funzione d’onda di un fotone ad energia molto più elevata di qualunque delle componenti originali. Un rilevatore posto fuori dalla scatola potrebbe, con una piccola ma reale probabilità, rilevarlo come tale.

Un mistero da risolvere

I ricercatori non credono che questo esempio vada a rompere un principio importante e considerato fondamentale per la fisica moderna come la conservazione dell’energia. Una soluzione possibile vede l’energia non conservata in singole, rare osservazioni, ma piuttosto da un punto di vista statistico.

Visto che, come visto, l’osservazione nel sistema immaginato di un fotone ad alta energia è reale ma bassa, nel corso di più esperimenti, la statistica che guarda alla distribuzione delle energia prima e dopo l’osservazione, secondo il ricercatore Popescu, dovrebbe essere in equilibrio.

Rimane comunque un problema: si sta accendo che la conservazione dell’energia, anche se per esperimenti singoli e rari, può essere violata. Altri ricercatori quindi respingono questa interpretazione e vorrebbero esaminare il fenomeno in maniera più approfondita, assicurandosi di stare tenendo conto di tutte le variabili ambientali e di tutte le possibili fonti di interazione ed energia.

In ogni caso, la risoluzione di questo apparente paradosso ci permetterà di capire ancora meglio la teoria la meccanica quantistica e la tenuta di leggi fondamentali anche in casi apparentemente estremi.

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