Fino
a poco tempo fa lo strano mondo dei quanti e la complessità
sfuggente della vita sembravano due domini distanti, senza alcun
punto di contatto. Ma la «biologia quantistica» – questa
nuovissima scienza – inizia a intrecciare le cose, svelando antichi
misteri.
Sulla
base di recentissimi esperimenti, rigorosi e ripetibili, si stano
forse cominciando a capire cosa
succede nel profondo delle cellule vivente, e finalmente
avviando la
comprensione
di
fenomeni che per secoli erano parsi inspiegabili, proprio
attingendo al bizzarro e contro-intuitivo mondo dei quanti.
L’incredibile
forza della fotosintesi, ad esempio, sembra dovere la sua
inarrivabile efficienza al fatto che, a un certo punto del processo,
le particelle subatomiche coinvolte si trovano contemporaneamente in
due punti distinti grazie ai fenomeni quantistici.
Anche
il funzionamento degli enzimi, la base stessa del nostro essere in
vita, deve la sua perfezione quasi miracolosa al fatto che nel corso
della reazione chimica alcune particelle sembrano «svanire» da un
punto per «materializzarsi» istantaneamente da un’altra parte.
Le
strane proprietà del mondo quantistico su esseri viventi
Una
nuova analisi di un recente esperimento su batteri fotosintetici
suggerisce che i ricercatori potrebbero essere riusciti a porne
alcuni in uno stato di entanglement,
mostrando per la prima volta l'effetto delle strane proprietà del
mondo quantistico su esseri viventi e
segnando il passaggio della biologia quantistica da ipotesi teorica a
realtà tangibile.
Il
mondo quantistico è strano. In teoria, e in una certa misura in
pratica, i suoi principi richiedono che una particella possa apparire
in due luoghi contemporaneamente - un fenomeno paradossale noto come
sovrapposizione - e che due particelle possano diventare "entangled",
condividendo informazioni su distanze arbitrariamente grandi
attraverso un meccanismo ancora sconosciuto.
L'esempio forse più famoso di stranezza quantistica è il gatto di Schrödinger, un esperimento ideale proposto da Erwin Schrödinger nel 1935. Il fisico austriaco immaginava che un gatto posto in una scatola insieme a una sostanza radioattiva potenzialmente letale potesse, per le strane leggi della meccanica quantistica, esistere in uno stato di sovrapposizione ed essere sia morto che vivo, almeno fino all’apertura della scatola e all’osservazione del suo contenuto.
Questo concetto è stato convalidato sperimentalmente innumerevoli volte su scale quantistiche. Alla scala del nostro mondo macroscopico apparentemente più semplice e di sicuro più intuitivo, tuttavia, le cose cambiano. Nessuno ha mai visto una stella, un pianeta o un gatto in uno stato di sovrapposizione o di entanglement quantistico. Ma fin dalla formulazione iniziale della teoria quantistica, all'inizio del XX secolo, gli scienziati si sono chiesti dove si incrociano esattamente i mondi microscopici e macroscopici. Quanto può essere grande il regno quantistico? E potrebbe essere abbastanza grande perché i suoi aspetti più strani influenzino profondamente e chiaramente gli esseri viventi?
Effetti quantistici nel processo di fotosintesi
L'esempio forse più famoso di stranezza quantistica è il gatto di Schrödinger, un esperimento ideale proposto da Erwin Schrödinger nel 1935. Il fisico austriaco immaginava che un gatto posto in una scatola insieme a una sostanza radioattiva potenzialmente letale potesse, per le strane leggi della meccanica quantistica, esistere in uno stato di sovrapposizione ed essere sia morto che vivo, almeno fino all’apertura della scatola e all’osservazione del suo contenuto.
Questo concetto è stato convalidato sperimentalmente innumerevoli volte su scale quantistiche. Alla scala del nostro mondo macroscopico apparentemente più semplice e di sicuro più intuitivo, tuttavia, le cose cambiano. Nessuno ha mai visto una stella, un pianeta o un gatto in uno stato di sovrapposizione o di entanglement quantistico. Ma fin dalla formulazione iniziale della teoria quantistica, all'inizio del XX secolo, gli scienziati si sono chiesti dove si incrociano esattamente i mondi microscopici e macroscopici. Quanto può essere grande il regno quantistico? E potrebbe essere abbastanza grande perché i suoi aspetti più strani influenzino profondamente e chiaramente gli esseri viventi?
Effetti quantistici nel processo di fotosintesi
Negli
ultimi due decenni il campo emergente della biologia quantistica ha
cercato di rispondere a queste domande, proponendo ed effettuando su
organismi viventi esperimenti che potrebbero essere in grado di
sondare i limiti della teoria quantistica. Questi esperimenti hanno
già dato risultati allettanti ma non conclusivi.
Alcuni ricercatori hanno mostrato che il processo di fotosintesi - in cui gli organismi producono sostanze nutritizie usando la luce - può comportare alcuni effetti quantistici. Il modo in cui gli uccelli navigano o fiutano gli odori suggerisce che gli effetti quantistici possano verificarsi in modi insoliti all'interno degli esseri viventi. Ma questi studi toccano solo la superficie del mondo quantistico. Finora, nessuno è mai riuscito a indurre un intero organismo vivente - nemmeno un batterio unicellulare - a mostrare effetti quantistici come l'entanglement o la sovrapposizione.
Di conseguenza, un nuovo articolo di un gruppo di ricercatori dell'Università di Oxford sta facendo aggrottare parecchie fronti per le sue affermazioni sulla riuscita di un esperimento di entanglement fra batteri e fotoni, particelle di luce.
Il 'batterio di Schrödinger'
Alcuni ricercatori hanno mostrato che il processo di fotosintesi - in cui gli organismi producono sostanze nutritizie usando la luce - può comportare alcuni effetti quantistici. Il modo in cui gli uccelli navigano o fiutano gli odori suggerisce che gli effetti quantistici possano verificarsi in modi insoliti all'interno degli esseri viventi. Ma questi studi toccano solo la superficie del mondo quantistico. Finora, nessuno è mai riuscito a indurre un intero organismo vivente - nemmeno un batterio unicellulare - a mostrare effetti quantistici come l'entanglement o la sovrapposizione.
Di conseguenza, un nuovo articolo di un gruppo di ricercatori dell'Università di Oxford sta facendo aggrottare parecchie fronti per le sue affermazioni sulla riuscita di un esperimento di entanglement fra batteri e fotoni, particelle di luce.
Il 'batterio di Schrödinger'
In
un
esperimento condotto nel 2016 da David Coles e
colleghi
dell'Università di Sheffield, avevano sequestrato, tra due specchi
diverse, centinaia di batteri verdi sulfurei, che sono fotosintetici,
per poi ridurre via via la distanza tra gli specchi fino a poche
centinaia di nanometri, molto meno della larghezza di un capello
umano. Facendo rimbalzare della luce bianca tra gli specchi, i
ricercatori speravano che le molecole fotosintetiche all'interno dei
batteri si accoppiassero - o interagissero - con la cavità, il che
significava essenzialmente che i batteri avrebbero continuato ad
assorbire, emettere e riassorbire i fotoni che rimbalzavano.
L'esperimento ha avuto successo: fino a sei batteri si sono
accoppiati in quel modo.
Sostengono
però che i batteri non hanno soltanto interagito con la cavità.
Nella loro analisi dimostrano che il segno energetico prodotto
nell'esperimento potrebbe essere coerente con i sistemi fotosintetici
di batteri entangled
con la luce all'interno della cavità.
In sostanza, sembra che alcuni fotoni colpissero e mancassero contemporaneamente molecole fotosintetiche all'interno dei batteri, un segno distintivo dell'entanglement. "I nostri modelli mostrano che il fenomeno registrato è la firma di un entanglement tra la luce e certi gradi di libertà all'interno dei batteri", affermano.
Secondo il coautore dello studio Tristan Farrow, anche lui di Oxford, è la prima volta che un simile effetto è stato intravisto in un organismo vivente. "È certamente la chiave per dimostrare che siamo in qualche modo vicini all'idea di 'batterio di Schrödinger'", afferma. E suggerisce un altro potenziale esempio di biologia quantistica in natura: i batteri sulfurei verdi vivono nelle profondità dell'oceano dove la scarsità di luce, fonte di vita, potrebbe addirittura stimolare adattamenti evolutivi quantomeccanici per aumentare la fotosintesi.
Queste controverse affermazioni, tuttavia, vanno prese con molta cautela. In primo luogo, in questo esperimento la prova a favore dell’entanglement è circostanziale, e dipende da come si sceglie di interpretare la luce che attraversa ed esce dai batteri confinati nella cavità.
Gli scienziati riconoscono che i risultati dell'esperimento potrebbero essere spiegati anche da un modello classico privo di effetti quantistici. Peraltro, i fotoni non sono affatto classici: sono quantistici. Eppure, un modello "semi-classico" più realistico che usi le leggi di Newton per i batteri e quelle quantistiche per i fotoni, non riesce a riprodurre il risultato reale che Coles e colleghi hanno osservato nel loro laboratorio, il che suggerisce che gli effetti quantistici fossero in atto sia nella luce che nei batteri. La prova è un po' indiretta, ma penso che sia così solo perché stanno cercando di essere rigorosi ed escludere cose e rivendicare troppo, dice James Wootton, che si occupa di informatica quantistica all'IBM Zurich Research Laboratory.
In sostanza, sembra che alcuni fotoni colpissero e mancassero contemporaneamente molecole fotosintetiche all'interno dei batteri, un segno distintivo dell'entanglement. "I nostri modelli mostrano che il fenomeno registrato è la firma di un entanglement tra la luce e certi gradi di libertà all'interno dei batteri", affermano.
Secondo il coautore dello studio Tristan Farrow, anche lui di Oxford, è la prima volta che un simile effetto è stato intravisto in un organismo vivente. "È certamente la chiave per dimostrare che siamo in qualche modo vicini all'idea di 'batterio di Schrödinger'", afferma. E suggerisce un altro potenziale esempio di biologia quantistica in natura: i batteri sulfurei verdi vivono nelle profondità dell'oceano dove la scarsità di luce, fonte di vita, potrebbe addirittura stimolare adattamenti evolutivi quantomeccanici per aumentare la fotosintesi.
Queste controverse affermazioni, tuttavia, vanno prese con molta cautela. In primo luogo, in questo esperimento la prova a favore dell’entanglement è circostanziale, e dipende da come si sceglie di interpretare la luce che attraversa ed esce dai batteri confinati nella cavità.
Gli scienziati riconoscono che i risultati dell'esperimento potrebbero essere spiegati anche da un modello classico privo di effetti quantistici. Peraltro, i fotoni non sono affatto classici: sono quantistici. Eppure, un modello "semi-classico" più realistico che usi le leggi di Newton per i batteri e quelle quantistiche per i fotoni, non riesce a riprodurre il risultato reale che Coles e colleghi hanno osservato nel loro laboratorio, il che suggerisce che gli effetti quantistici fossero in atto sia nella luce che nei batteri. La prova è un po' indiretta, ma penso che sia così solo perché stanno cercando di essere rigorosi ed escludere cose e rivendicare troppo, dice James Wootton, che si occupa di informatica quantistica all'IBM Zurich Research Laboratory.
L'altro
caveat:
le energie dei batteri e del fotone sono state misurate
collettivamente, non in modo indipendente. Questo - secondo Simon
Gröblacher
della Delft
University of Technology,
nei Paesi Bassi, che non ha preso parte a questa ricerca - è in
qualche modo un limite. "Sembra che stia accadendo qualcosa di
quantistico", dice. "Ma… di solito, se si dimostra
l'entanglement,
bisogna misurare i due sistemi in modo indipendente" per
confermare che qualsiasi correlazione quantistica tra essi sia
autentica.
Nonostante queste incertezze, per molti esperti il passaggio della biologia quantistica da sogno teorico a realtà tangibile è una questione di “quando”, non di “se”.
Al di fuori dei sistemi biologici, le molecole, considerate in isolamento e collettivamente, hanno già mostrato effetti quantistici in decenni di esperimenti in laboratorio, quindi la ricerca di questi effetti per molecole simili all'interno di un batterio o addirittura del nostro stesso corpo sembrerebbe abbastanza sensata.
Negli esseri umani e in altri grandi organismi multicellulari, tuttavia, simili effetti quantistici molecolari in genere dovrebbero essere insignificanti, ma una loro manifestazione significativa all'interno di batteri, molto più piccoli, non sarebbe una sorpresa troppo sconvolgente. Sono un po' stupito per la sorpresa suscitata da questa scoperta, dice Gröblacher.. Ma è ovviamente eccitante se lo si può dimostrare in un sistema biologico reale.
Gröblacher ha progettato un esperimento che potrebbe mettere in uno stato di sovrapposizione un minuscolo animale acquatico, un tardigrado, cosa molto più difficile che creare un entanglement fra i batteri e la luce, dato che i tardigradi hanno dimensioni centinaia di volte maggiori.
Nonostante queste incertezze, per molti esperti il passaggio della biologia quantistica da sogno teorico a realtà tangibile è una questione di “quando”, non di “se”.
Al di fuori dei sistemi biologici, le molecole, considerate in isolamento e collettivamente, hanno già mostrato effetti quantistici in decenni di esperimenti in laboratorio, quindi la ricerca di questi effetti per molecole simili all'interno di un batterio o addirittura del nostro stesso corpo sembrerebbe abbastanza sensata.
Negli esseri umani e in altri grandi organismi multicellulari, tuttavia, simili effetti quantistici molecolari in genere dovrebbero essere insignificanti, ma una loro manifestazione significativa all'interno di batteri, molto più piccoli, non sarebbe una sorpresa troppo sconvolgente. Sono un po' stupito per la sorpresa suscitata da questa scoperta, dice Gröblacher.. Ma è ovviamente eccitante se lo si può dimostrare in un sistema biologico reale.
Gröblacher ha progettato un esperimento che potrebbe mettere in uno stato di sovrapposizione un minuscolo animale acquatico, un tardigrado, cosa molto più difficile che creare un entanglement fra i batteri e la luce, dato che i tardigradi hanno dimensioni centinaia di volte maggiori.
Farrow
sta
cercando modi per migliorare l'esperimento sui batteri; lui e i suoi
colleghi sperano di mettere in entanglement
due batteri, e non con la luce in modo indipendente. Gli
obiettivi a lungo termine sono fondazionali e fondamentali,
dice Farrow. Si
tratta di capire la natura della realtà e se gli effetti quantistici
siano utili alle funzioni biologiche. Alla radice delle cose, tutto è
quantistico,
aggiunge, alludendo alla questione se gli effetti quantistici abbiano
un ruolo nel funzionamento degli esseri viventi.
Potrebbe essere, per esempio, che la selezione naturale abbia trovato il modo di sfruttare naturalmente i fenomeni quantistici, come nel già citato esempio della fotosintesi in batteri delle profondità marine povere di luce. Ma per arrivare a fondo di tutto ciò è necessario cominciare dalle piccole dimensioni.
Le ricerche si sono costantemente orientate verso esperimenti a macrolivello, con un recente esperimento che ha coinvolto, con successo, milioni di atomi. Provare che le molecole che compongono gli esseri viventi mostrano effetti quantistici significativi - anche se per scopi banali - sarebbe un passo successivo fondamentale. Esplorando questo confine fra mondo quantistico e classico, gli scienziati potrebbero avvicinarsi a capire che cosa significa essere macroscopicamente quantistici, se una tale idea fosse vera.
Potrebbe essere, per esempio, che la selezione naturale abbia trovato il modo di sfruttare naturalmente i fenomeni quantistici, come nel già citato esempio della fotosintesi in batteri delle profondità marine povere di luce. Ma per arrivare a fondo di tutto ciò è necessario cominciare dalle piccole dimensioni.
Le ricerche si sono costantemente orientate verso esperimenti a macrolivello, con un recente esperimento che ha coinvolto, con successo, milioni di atomi. Provare che le molecole che compongono gli esseri viventi mostrano effetti quantistici significativi - anche se per scopi banali - sarebbe un passo successivo fondamentale. Esplorando questo confine fra mondo quantistico e classico, gli scienziati potrebbero avvicinarsi a capire che cosa significa essere macroscopicamente quantistici, se una tale idea fosse vera.
Fonte:
Jonathan O'Callaghan / Scientific American
http://www.lescienze.it/news/2018/11/01/news/batterio_schro_dinger_effetti_quantistici_organismi-4172300/
https://www.bollatiboringhieri.it/libri
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