Intervista

Cosa ci insegna la luce sullo spazio e sul tempo, spiegato dal Nobel che l'ha intrappolata

Cosa ci insegna la luce sullo spazio e sul tempo, spiegato dal Nobel che l'ha intrappolata
Serge Haroche, Nobel per la Fisica del 2012, ha tenuto 15 lezioni sulla luce per la cattedra Fermi alla Sapienza: un percorso divulgativo, rivolto a un pubblico vasto, che inizia con Galileo e finisce con lo sviluppo dei computer quantistici
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Segre Haroche, a 77 anni, dice che alla fine della sua carriera ha sentito la necessità di guardarsi indietro. Ha guidato il team dei fisici che a Parigi sono stati in grado misurare la luce, letteralmente, intrappolandola in una scatola, questo gli è valso il Nobel per la Fisica nel 2012. La Sapienza lo ha scelto per tenere il ciclo di lezioni della cattedra Enrico Fermi, affidata ogni anno a uno dei massimi studiosi internazionali che hanno contribuito in modo significativo a specifici campi di ricerca. Per raccontare la luce, lui che si pone un po’ alla fine della storia, ha ricominciato dall’inizio, partendo proprio dall’Italia e da Galileo, per arrivare ai computer quantistici. Nelle sue lectures, 15 in tutto, dal 27 gennaio al 12 maggio, anche online su Zoom, ha spiegato a tutti, non solo a studenti e colleghi, le meraviglie della ricerca che hanno portato alle rivoluzioni tecnologiche degli ultimi decenni.

È arrivato a Roma pochi mesi dopo il Nobel per la Fisica a Giorgio Parisi. Cosa ne pensa?
"Sono stato molto contento. Penso sia un bel riconoscimento per quello che La Sapienza e l’Italia hanno fatto per la scienza in generale nei tempi moderni. Nell’aula delle mie lezioni ci sono grandi fotografie di Amaldi, Fermi, e anche Galileo. Ma penso che Paesi come Italia e Francia non stiano investendo abbastanza nella ricerca e nella scienza di base e sono sicuro che Giorgio Parisi lo abbia evidenziato".

Da dove si comincia a raccontare la scienza della luce?
"Quando le persone hanno cominciato a porsi domande profonde riguardo alla natura della luce, è il periodo in cui nacque la scienza moderna. Il diciassettesimo secolo è stato il secolo di Galileo e di Newton. Hanno portato al metodo scientifico moderno, osservazione, esperimenti, teoria e previsione di nuovi effetti. È il circolo virtuoso tra esperimenti e teoria che da quella volta sono andati avanti insieme. Nel diciannovesimo secolo nuove domande hanno portato alla teoria della Relatività e alla fisica quantistica. Le domande profonde sulla luce sono state il punto di partenza delle teorie che hanno rivoluzionato le nostre vite, non solo perché hanno portato a una migliore comprensione, ma anche perché hanno portato a nuovi strumenti, nuovi dispositivi, come i laser. Ho iniziato la mia carriera quando erano stati appena inventati 60 anni fa. Una tecnologia straordinaria".

Cosa rappresentano luce e gravità per la scienza moderna?
"Luce e gravità sono le prime cose di cui un bambino si accorge, la gravità perché le cose cadono, e la luce perché è grazie a essa che ci rapportiamo col mondo. Ciò che è incredibile è che ancora non li comprendiamo completamente, ci sono ancora gap tra i livelli profondi della fisica quantistica e della relatività generale. La ricerca moderna sta andando in direzione di unire questi due aspetti".

Cosa ci ha insegnato la luce, nella comprensione del mondo?
"A un livello profondo ci ha insegnato che lo spazio e il tempo sono mischiati insieme, è impossibile considerare le tre dimensioni dello spazio separate dal tempo, quindi che viviamo in uno spazio quadridimensionale. E che quando aggiungi la gravità al problema, lo spazio diventa curvo e la luce quindi si propaga lungo linee curve. Ma questo si capì solo un secolo fa. Prima c’erano altre domande. La luce ci ha insegnato che l’elettricità e il magnetismo sono legati strettamente e che la luce è un’onda elettromagnetica. Questo portò alla loro unificazione, 150 anni fa, con Maxwell. Usando la luce, una volta compreso che la sua velocità è finita, è stato possibile misurare le dimensioni dell’Universo".

Quali sono, secondo lei, le grandi intuizioni nella storia della scienza della luce?
"Penso che una delle grandi intuizioni sia stata quella di Pierre de Fermat, uno scienziato del XVII secolo, al tempo di Cartesio e Pascal. Disse che la luce si propaga su una linea che impiega il tempo minore da un punto all’altro, quindi in linea retta. Ma se passa da aria ad acqua, si piega perché “preferisce” passare attraverso l’aria, dove è più veloce. Fu una grande intuizione: assumere che la luce viaggia più lenta nell’acqua che nell’aria. Un altro signore che ebbe un'intuizione fantastica naturalmente è stato Einstein che basò tutta la teoria della Relatività sul fatto che la velocità della luce è la stessa per tutti quanti. Ma a dire il vero l’intuizione della relatività deriva da Galileo, che la ebbe non per la luce ma per la meccanica dei corpi. Se sei su una nave (che viaggia a velocità costante ndr) non hai modo di sapere se sei tu che ti muovi, perché gli esperimenti non te lo dicono".

Concetti difficili, controintuitivi, dalla Relatività alla fisica quantistica, come si raccontano a un pubblico non specialistico?
"Bisogna usare metafore, similitudini con fenomeni più noti, che la gente potrebbe conoscere. Per capire la Relatività devi descrivere esperimenti semplici, che danno risultati controintuitivi ma devi dimostrare che sono veri. Per esempio quello che viene chiamato il “paradosso dei gemelli”, un gemello che parte e torna più giovane di quello che è rimasto a Terra. Ai tempi di Einstein era difficile farlo comprendere. Ora facciamo esperimenti ogni giorno che dimostrano che è vero. Gli orologi atomici dei sistemi Gps attorno alla Terra vanno più lenti per questo effetto. E se non si tenesse conto di questo, il Gps non funzionerebbe".

Arriviamo agli studi che le sono valsi il Nobel. Avete ‘toccato’ la luce?
"Il paradosso della luce è che, quando la vedi, quella luce è morta perché i fotoni vengono distrutti quando ricevi l’informazione, trasformati nella reazione chimica nei tuoi occhi. Quello che siamo riusciti a fare a Parigi col mio team è stato rilevare la luce senza distruggerla, misurando ancora e ancora lo stesso fotone e questo potrebbe avere applicazioni interessanti per l’informazione quantistica".

Si è molto parlato delle applicazioni su supercomputer quantistici in base alla vostra ricerca, vede dei passi avanti a dieci anni dal Nobel?
"Il fatto che un sistema quantistico può essere in diversi stati contemporaneamente, in una superposizione, significa differenti realtà, il che ci porta alla famosa metafora del gatto di Schrödinger. Quello che abbiamo realizzato in laboratorio sono piccole versioni di questo sistema. Se fossimo capaci di usare questo fenomeno su larga scala saremmo in grado di ottenere calcoli molto più veloci di un computer ordinario. Ma le difficoltà sono molte, una di queste è la decoerenza, il fatto che questi sistemi quantistici sono molto fragili e perdono queste proprietà molto velocemente. Si è continuato a lavorare su questo per dieci anni, non sono molto sicuro del fatto che si possa costruire un computer quantistico dall’uso pratico nel prossimo futuro. Anzi, non ne sono sicuro affatto.

D’altra parte ci sono altri sistemi come i simulatori quantistici, fatti di poche decine di atomi o particelle, che possono essere utili per esempio per ottenere la superconduttività ad alte temperature, o per sintetizzare nuove molecole per produrre nuovi farmaci. E usare queste proprietà controintuitive per le comunicazioni criptate, la crittografia quantistica. Puoi anche realizzare sistemi sensibili a piccolissime perturbazioni, sonde che possono misurare campi magnetici o gravità con maggiore sensibilità. Questa è la new quantum technology, la nostra ricerca è stato uno dei punti di partenza".

Per quali applicazioni?
"Se cento anni fa avesse chiesto ad Einstein quali sarebbero state le applicazioni della Relatività non avrebbe mai saputo prevedere il Gps. Oppure il laser. Le persone che hanno fatto le più grandi scoperte erano inconsapevoli delle applicazioni, e non hanno mai esagerato con le previsioni. Penso che seguirò il loro esempio".

Eppure i quantum computer sembrano essere a un passo. Non è così?
"Forse un giorno ci sarà uno di questi computer ma dovrà essere tenuto protetto in una struttura, possibile solo in alcuni posti nel mondo. Non sarà mai un laptop, ma forse mi sbaglio. Si racconta la storia del direttore dell’Ibm che negli anni ‘40 sosteneva che ci sarebbe stato spazio per al massimo cinque computer in tutto il mondo".

La cattedra alla Sapienza per la quale terrà le sue lezioni è intitolata a Enrico Fermi. Le scoperte scientifiche sulla luce hanno portato a grandi tecnologie ma anche alla costruzione di armi, le più potenti, come la atomica. Pensa che l’umanità sia più matura adesso rispetto a qualche decennio fa?
"Non penso che l’umanità sia più matura. Quando hai il potere, quello può essere usato per costruire armi. Einstein era un pacifista, ciononostante firmò la lettera per Roosevelt che diede inizio al Manhattan project perché era importante al tempo che le forze alleate fossero più forti dei nazisti. Ma la scienza non è buona o cattiva, è ciò che ne fai che è buono o cattivo. Per esempio chi rifiuta la ricerca su organismi geneticamente modificati o i vaccini a mRna, perché “non sono naturali”, si sbaglia. Devi acquisire conoscenza e poi decidere in che modo usarla. Non potrai mai impedire all’umanità di essere curiosa e di conoscere. Fermi, Curie, i fisici del secolo scorso erano curiosi di capire la natura e lo hanno fatto, aprirono una specie di vaso di Pandora. Quello che abbiamo detto delle armi può essere vero anche per la Rivoluzione industriale. Abbiamo usato petrolio e gas per più di un decennio e ora siamo in pericolo a causa del clima ed è anche questo un effetto della scienza".

Non sembra ottimista
"Penso che dobbiamo capire quale sia il vero progresso e dobbiamo orientare la scienza nella direzione dei problemi che dobbiamo risolvere. E quindi abbiamo bisogno di più ricerca e risorse. Dobbiamo trovare un sostituto per i combustibili fossili. Penso che abbiamo bisogno del nucleare, perché non avremo mai abbastanza elettricità per sostituire le auto a carburante con quelle elettriche. Il sole non c’è sempre e il vento non soffia sempre. Ma per discutere tutto questo, noto che si fa non in base alla scienza ma in base alle ideologie. Non sono ottimista perché vedo che in molti non guardano i problemi in modo razionale, lo sviluppo delle fake news e teorie cospirazioniste vanno nella direzione opposta".