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Scientific Reports volume 12, numero articolo: 19859 (2022) Citare questo articolo

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L'articolo analizza un modello di trasmittanza ottica di gas ultra-diluito, considerando la non località delle particelle di gas e l'effetto quantistico della diffusione della loro funzione d'onda derivato dalla risoluzione dell'equazione di Schrödinger per una particella libera. L'analisi non dipende da una forma particolare della funzione d'onda, ma presuppone la realtà della funzione d'onda. Tra gli altri, mostriamo che le nubi di gas di massa conservata potrebbero diventare significativamente più trasparenti di quanto previsto dalle classiche leggi di trasmittanza. Questo fenomeno inaspettato è possibile perché la conservazione della massa è governata dalla somma delle probabilità, mentre il prodotto delle probabilità della catena di Markov controlla la trasmittanza. Inoltre, deriviamo analiticamente il limite superiore al quale la trasmittanza del sistema chiuso può crescere e dimostriamo che una trasmittanza illimitata e aperta in una nube di gas può crescere fino al 100%. Infine, mostriamo l’impatto sulle interpretazioni della meccanica quantistica. Il modello è naturalmente applicabile in condizioni di spazio profondo, dove l’ambiente è scarso. Inoltre, il modello risponde ai requisiti della materia oscura.

La legge di trasmissione esponenziale di Beer-Lambert1,2 che descrive l'attenuazione della luce monocromatica da parte del mezzo omogeneo e non molto denso è ben nota da quasi tre secoli. Nonostante lo sviluppo di modelli di trasmittanza più nuovi e avanzati, si applica ancora alla spettroscopia quantitativa3, ai gas rarefatti e alle misurazioni astrofisiche. Tutti questi modelli si basano sull'ipotesi di attenuazione della località delle particelle. Tuttavia, un numero crescente di esperimenti4,5 ci convince che la teoria alla base della meccanica quantistica non è una teoria realistica locale6,7. C'è un ulteriore presupposto nella maggior parte dei modelli di trasmittanza "classici": un rilevatore di luce è un apparato macroscopico. La meccanica quantistica è una delle teorie fondamentali, quindi è necessario verificare se queste due ipotesi limitano l’ambito di applicabilità dei modelli classici di trasmittanza.

La diffusione quantistica è un effetto che comporta una distorsione spaziale spontanea della funzione d'onda \(\Psi\) nel tempo. Porta alla diffusione della densità di probabilità \(|\Psi |^2\) di qualsiasi reazione di un oggetto fisico descritto da tale funzione. Deriva direttamente dalla soluzione dell'equazione di Schrödinger delle particelle libere8. Assumendo la realtà della funzione d'onda9,10 applichiamo questa soluzione a ciascuna particella di gas indipendentemente durante il suo tempo libero tra collisioni successive. Abbiamo proposto una sorta di modello del "gas spalmato". Ciò porta, insieme all'ipotesi di non località, a un nuovo modello di trasmittanza elettromagnetica dei gas sottili. Una delle previsioni di questo modello è che la trasmittanza ottica misurata dipende, tra le altre cose, i) dalla dimensione del rivelatore utilizzato e ii) dalla durata del tempo libero medio delle particelle. Il classico approccio "locale" alla trasmittanza, ad esempio la legge di Beer-Lambert, non prevede tali dipendenze.

Questo articolo presenta un'analisi più approfondita del modello di trasmittanza del gas spalmato11. Analizziamo sistemi aperti e chiusi. Mostriamo che la trasmittanza può aumentare, grazie alla diffusione spontanea delle particelle, anche nel sistema chiuso ma solo fino ad un certo limite. Deriviamo analiticamente questo limite. Mostriamo che lo spostamento dell'asse di misurazione rispetto al centro di massa della nuvola può influenzare la misurazione della trasmittanza. Il parametro G11 del modello di trasmittanza del gas spalmato viene analizzato in modo più approfondito. Alla fine, affronteremo brevemente la possibilità di distinguere le interpretazioni della meccanica quantistica utilizzando il risultato del modello.

Ci sono solo alcune ipotesi per il modello. Le particelle di gas sono indipendenti le une dalle altre e sono funzioni d'onda non locali (non necessarie) dello stesso tipo. Il gas non è relativistico, quindi si applica l'equazione di Schrödinger. La distribuzione delle particelle è omogenea e le funzioni d'onda differiscono solo per la posizione. Il rilevatore di luce ha una dimensione finita. Il documento11 descrive tali ipotesi in dettaglio.