Scienziati del Max Planck Institute of Quantum Optics, investigando il comportamento caotico del mondo quantistico, sono stati capaci di dare la prima dimostrazione di caos quantistico durante la ionizzazione dell'atomo. Usando il laser, hanno rilasciato elettroni dal rubidium in un forte campo elettromagnetico misurando le tipiche fluttuazioni della corrente elettronica causate dal movimento caotico degli elettroni. L'esperimento si è basato su un più vecchio esperimento risalente ai primi giorni della meccanica quantistica che dimostrò l'effetto fotoelettrico.

Nel mondo macroscopico di tutti i giorni abbiamo spesso a che fare con il “caos deterministico”: eventi climatici, le correnti oceaniche, il movimento dei corpi celesti, la crescita della popolazione, sono tutti fenomeni che possono essere descritti con delle formule più o meno esatte e per questo sono chiamati “deterministici”. Ma il modo in cui procedono nella realtà è altamente sensibile alle variazioni dei valori iniziali che, se non vengono determinate, rendono impossibile fare delle predizioni a lungo termine. Per questo i fisici chiamano questi sistemi naturali “caotici” (in realtà, l'intero sistema Natura è di tipo caotico e indeterministico, ndr).

I processi micro-quantistici sono altrettanto complessi, regolati da dinamiche del tutto non-deterministiche a partire da molti stati iniziali simultaneamente. Indagando il “caos quantistico”, i fisici da tempo si sforzano di cercare delle similarità con il “caos deterministico” del macrocosmo. Gernot Stania e Herbert Walther del Max Planck Institute per la prima volta sono riusciti approvare sperimentalmente l'evidenza che il caos di tipo quantistico che regna a livello atomico può anche essere deterministico.

L'effetto fotoelettrico fu rivelato da Hertz nel 1887 nell'esperimento che egli fece per generare e rivelare onde elettromagnetiche; in quell'esperimento, Hertz usò uno spinterometro in un circuito accordato per generare onde e un altro circuito simile per rivelarle. Nel 1900, Philipp Lenard studiò tale effetto, trovando che la luce incidente su una superficie metallica ne fa uscire elettroni, la cui energia non dipende dall'intensità della luce ma dalla sua frequenza. Circa un secolo fa, Albert Einstein pubblicò la sua personale spiegazione di questo effetto la cui comprensione fu fondamentale per lo sviluppo della teoria quantistica. Per la misura dell'effetto fotoelettrico, Einstein e Millikan ricevettero il premio Nobel per la fisica rispettivamente nel 1921 e nel 1923.

Nell'esperimento classico di Lenard che dimostrò l'effetto fotoelettrico rilasciando elettroni mediante fasci di luce ad una certa frequenza, il voltaggio elettrico si creava lungo due barre di metallo una delle quali rivestita di metallo alcalino. Ad un certo ammontare di energia la luce libera gli elettroni dal metallo e rende osservabile la corrente elettrica. Gli scienziati del Max Planck Institute hanno riadattato quell'esperimento sostituendo la barra di metallo alcalino con un fascio di atomi di rubidium esposti sia ad un campo elettrico che ad uno, forte, magnetico. Come nell'esperimento storico, gli atomi sono stati colpiti con una luce ad una particolare frequenza in modo da rilasciare elettroni.

Tra il campo magnetico, quello elettrico e le forze elettrostatiche nell'atomo (l'attrazione tra protoni ed elettroni), tre differenti forze agiscono sugli elettroni degli atomi di rubidium, ognuna delle quali provoca diversi movimenti, dando luogo al caos quantistico, dimostrato dal fatto che il fascio di elettroni fluttua in un modo particolare a seconda dell'energia delle particelle di luce (queste fluttuazioni sono chiamate “fluttuazioni di Ericson”).

I ricercatori del Max Panck Institute non solo hanno dimostrato queste fluttuazioni, ma, aggiustando lo stato iniziale dei campi elettrico e magnetico, che il comportamento caotico del sistema si accorda alle regole della fisica macroscopica. In sintesi, sono riusciti a dimostrare le connessioni tra caos deterministico e le fluttuazioni fotoelettriche: più il sistema reagisce caoticamente, come nel mondo macroscopico, più forti risultano le fluttuazioni.

Istituzione scientifica citata nell'articolo:

Max-Planck-Institute of Quantum Optics