Anche il pettirosso usa la meccanica quantistica (prima parte)

L’argomento di oggi è tanto affascinante, quanto complesso (non complicato, niente paura!), quindi ho pensato di dividerlo in due parti. All’inizio della seconda farò un breve riassunto di quanto scritto qui, quindi potete tranquillamente iniziare a leggere, senza timore di dimenticare qualche passaggio.

Il pettirosso è in grado di volare dal nord della Svezia fino al sud della Spagna, senza bisogno di alcuna mappa. Come faccia è rimasto a lungo un mistero, finché una serie di esperimenti effettuati negli anni 50 e 60 del secolo scorso hanno rivelato che in realtà c’è chi gli fornisce indicazioni: il campo magnetico terrestre.

Si tratta di un fenomeno noto come magnetoricezione e riscontrato successivamente in più di 50 altre specie; ma questa scoperta, come spesso capita in ambito scientifico, portò subito i biologi a porsi un’altra domanda: come fanno gli animali a percepire il campo magnetico della Terra?

Anche la risposta a questo quesito è rimasta a lungo sconosciuta e solo negli ultimi anni si è arrivati vicino alla soluzione: il pettirosso e i suoi colleghi migratori usano la meccanica quantistica.

Campo magnetico terrestre e reazioni chimiche

Nella seconda metà degli anni 70 il biofisico tedesco Klaus Schulten avanzò l’ipotesi che il campo magnetico terrestre fosse in grado di scatenare una reazione chimica nel pettirosso, che a sua volta generava un segnale biologico che gli indicava la strada.

Di per sé l’idea era sensata: varie reazioni chimiche influenzano il nostro comportamento, come quando il nostro corpo rilascia cortisolo in situazioni di stress, scatenando la reazione di attacco o fuga. Il problema è che il campo magnetico terrestre è piuttosto debole e quindi sembrava impossibile che fosse in grado di causare reazioni chimiche.

Più precisamente, una reazione chimica non è altro che la formazione o rottura di legami tra atomi e molecole: affinché tali legami non si rompano, è necessario che essi siano più forti dell’energia termica posseduta dalle molecole, che le fa vibrare e spinge quindi nella direzione opposta.

Ora, il campo magnetico della Terra è oltre un milione di volte più debole (!) dell’energia termica posseduta dalla maggior parte delle molecole, quindi nessuno scommetterebbe sulla sua capacità di romperne i legami.

Nessuno tranne un fisico che conosca la meccanica quantistica, ovviamente.

Radicali liberi e spin quantistici

La chiave sono i radicali liberi (di cui ho parlato precedentemente a proposito dei tardigradi), cioè atomi o molecole con almeno un elettrone spaiato.

Gli elettroni hanno una proprietà quantistica chiamata spin, che fornisce loro una piccola carica magnetica: se sono accoppiati, il principio di esclusione di Pauli determina che debbano avere spin opposti e quindi le cariche si cancellano a vicenda, cosa che non avviene nei radicali liberi.

Ora immaginiamo di avere una coppia di radicali liberi, derivante dalla scissione di una molecola: in ogni radicale ci sarà un elettrone spaiato e gli spin dei due elettroni saranno opposti.

La coppia di radicali sarà altamente instabile e quindi tenderà a ricombinarsi nella molecola originaria (o con altri atomi/molecole vicini), a meno che per qualche motivo lo spin di uno dei due elettroni spaiati non cambi, rendendo impossibile la riunione.

Ma cos’è che può provocare il cambio di spin? Beh, ormai l’avrete intuito: le leggi che governano la meccanica quantistica.

Pacchetti energetici e sovrapposizioni

Nel mondo quantistico l’energia è divisa in pacchetti discreti (i quanti, appunto), diversamente da quanto avviene nel mondo macroscopico, dove essa invece ci appare continua.

Un esempio tipico sono gli orbitali degli atomi (di cui ho parlato qui), che rappresentano i diversi livelli di energia quantizzata: un elettrone può trovarsi in un livello o in un altro inferiore/superiore, ma mai tra due livelli.

Una coppia di radicali, essendo un sistema quantistico, segue la stessa regola, con solo alcuni specifici livelli energetici consentiti; uno di questi è relativo allo stato in cui gli elettroni spaiati hanno spin opposti, un altro è quello in cui hanno lo stesso spin.

Ora, anche i protoni e neutroni che compongono il nucleo di un atomo hanno uno spin e quindi, come detto sopra, un certo magnetismo, che li porta a interagire con quello di un elettrone spaiato (la cosiddetta interazione iperfine).

E qui si compie la “magia” quantistica: tale interazione altera lo stato energetico dell’intero sistema, così che la coppia di elettroni spaiati viene a trovarsi in uno stato energetico non consentito, il che dà vita a una sovrapposizione di tutti i livelli energetici consentiti.

In pratica, gli elettroni si trovano contemporaneamente nello stato con spin opposti E in quello con lo stesso spin (!) e tale bizzarra situazione può risolversi in un senso o nell’altro, con una probabilità che varia col passare del tempo.

(Originariamente pubblicato su Storie Semplici. Il titolo dell’autore potrebbe essere modificato dalla redazione)