Uno dei concetti più difficili da comprendere e da accettare della Meccanica Quantistica è la dualità onda-particella. La meccanica quantistica, infatti, sostiene che ogni particella, pur essendo corpuscolare, e quindi seguendo le leggi della meccanica newtoniana, è allo stesso tempo anche un’onda, e quindi segue le proprietà della fisica ondulatoria. È un concetto molto strano, come fa una cosa ad essere sia un’onda che una particella allo stesso tempo? Se dal punto di vista teorico quest’idea è molto complessa, il metodo per vederlo coi propri occhi è di semplicissima realizzazione, e lo può fare chiunque a casa propria. Anzi, al giorno d’oggi chiunque lo può fare con risultati molto più soddisfacenti di Young, che dà il nome al relativo esperimento. Si può anche vedere il risultato con una piccola applet java dimostrativa. L’idea è che se prendiamo un pannello con due fenditure, una sorgente luminosa da una parte e una lastra fotografica (o ancora meglio, un sensore digitale) dall’altra possiamo verificare questa dualità.
Chiudendo una delle due fenditure, la luce la attraverserà, andando ad incidere sulla lastra fotografica lasciando un’immagine unica. In questo senso la luce si è comportata seguendo la meccanica newtoniana, come se fosse composta da palline che attraversano una porta aperta. Dopo questa osservazione, aprendo entrambe le fenditure, uno si aspettarebbe di vedere la luce distribuita uniformemente attorno a due zone più luminose di fronte alle fenditure. Invece non si osserva niente di tutto ciò. Quello che si vede è ciò che viene chiamato “pattern di interferenza” con delle strisce più luminose alternate a strisce buie (a seconda che l’interferenza sia costruttiva o distruttiva). Questo comportamento è tipico di un’onda (pensate per esempio a cosa vedreste lanciando due sassi nello stesso momento in un lago) e dimostra come la luce sia effettivamente anche un’onda.
Questo esperimento può essere condotto anche con gli elettroni, al posto della sorgente luminosa. Se mettiamo una sorgente di elettroni da un lato, il solito pannello a due fessure in mezzo e un pannello rivelatore dall’altra, posssiamo osservare come, con l’aumentare del flusso di elettroni, si osservi un pattern di interferenza. Le immagini a fianco sono prese dopo l’invio di 10 (a), 200 (b), 6000 (c), 40000 (d), 140000 (e) elettroni. È facile osservare come gli elettroni comincino a mostrare un comportamento via via sempre più ondulatorio. La capacità di interferire con le altre particelle come delle onde, in meccania quantistica, viene identificata con il nome di “quantum coherence” o coerenza quantistica.
L’idea di base di questo concetto è che, nell’esempio delle due fenditure, l’elettrone può passare per entrambe le fessure contemporaneamente, proprio come se fosse un’onda. In pratica una particella, quando viaggia, prende contemporaneamente tutte le strade possibili, riuscendo così a minimizzare lo sforzo necessario per arrivare a destinazione. È un po’ come se noi potessimo, per andare da casa al posto di lavoro, prendere tutte le strade contemporaneamente, in modo da evitare i semafori, le code, le deviazioni istante per istante.
In un articolo comparso sulla rivista Nature dello scorso 4 Febbraio, alcuni fisici-chimici dimostrano come alcune piante siano in grado di sfruttare questa proprietà quantistica della luce, per ottenere la massima energia dalla fotosintesi.
L’autore, Greg Scholes, con i suoi colleghi, sono riusciti ad isolare in laboratorio la proteina che alcune alghe sensibili alla luce, chiamate Rhodomonas CS24 e Chroomonas CCMP270, utilizzano per raccogliere la luce. Queste alghe fanno parte della famiglia delle Cryptophytes e hanno una caratteristica che le contraddistingue dalle altre piante. Non utilizzano un’unica proteina come recettore della luce (come la clorofilla nelle piante verdi), ma “personalizzano” le loro proteina in base alla luce che raccolgono, con diversi colori.
Questa particolarità ha aiutato molto i ricercatori a seguire la luce nel suo percorso verso le proteine che la sintetizzano in energia utilizzabile per la vita. Scholes ha utilizzato dei raggi laser monocromatici molto brevi e intensi per illuminare queste alghe. Poi, attraverso una tecnica già sperimentata nel campo della cristallografia, il team di scienziati ha “seguito” il percorso dell’energia, osservando dove si trovava in ciascun istante. Avere una luce monocromatica e quasi istantanea (il flash laser ha una durata dell’ordine del femtosecondo, un quadrimilionesimo di secondo) ha permesso di tracciare la luce e misurare il tempo di sopravvivenza della stessa in ciascun stato. Quello che si è osservato è decisamente sorprendente. Questa alghe riescono a mantenere l’energia “attiva” per un periodo 400 volte superiore al tempo di esposizione alla luce (quindi circa 400 femtosecondi) e in diverse zone della struttura stessa. In pratica utilizzano pienamente il concetto di coerenza quantistica, facendo fare alla luce più percorsi contemporaneamente, in una sovrapposizione di stati quantistici.
Questa osservazione non è del tutto nuova, nel senso che si erano già visti comportamenti simili in particolari batteri viola, e altri batteri che hanno dimostrato di utilizzare questa tecnica in condizioni di freddo estremo, 77 gradi kelvin (-196 celsius).
Queste alghe, però, sono le prime a mostrare come effetti quantistici possano diventare più importanti della meccanica newtoniana anche in condizioni “standard”, a temperatura ambiente e all’interno di strutture macroscopiche come delle alghe complesse.
L’utilizzo del laser intenso e monocromatico è stato un “trucco” per osservare il fenomeno, non per crearlo. È quindi possibile estendere quasta osservazione anche in strutture più complesse ed aspettarsi che tutte le piante sfruttino la coerenza quantistica per ottimizzare l’assunzione di energia per effetto della fotosintesi.
Perché questa osservazione è così importante? Beh, a parte l’amore della conoscenza che ci porta ad esultare per ogni passo verso la comprensione della natura, possiamo cercare di imparare da essa, e dalle tecniche che essa ha sviluppato dopo milioni di anni di evoluzione.
A chi vengono in mente, per esempio, le celle fotovoltaiche?
