Al momento stai visualizzando Un paradosso quantistico mette in discussione le basi della realtà
  • Categoria dell'articolo:Fisica / Scienza
  • Ultima modifica dell'articolo:19 Ottobre 2022

Se un albero cade in una foresta e non c’è nessuno a sentirlo, fa rumore? Forse no, dicono alcuni.

E se qualcuno è lì per ascoltarlo? Se pensi che questo significhi che ovviamente ha prodotto un suono, potresti dover rivedere quell’opinione.

Abbiamo trovato un nuovo paradosso nella meccanica quantistica – una delle nostre due teorie scientifiche più fondamentali, insieme alla teoria della relatività di Einstein – che mette in dubbio alcune idee di buon senso sulla realtà fisica.

Meccanica quantistica vs buon senso

Dai un’occhiata a queste tre affermazioni:

  1. Quando qualcuno osserva un evento accadere, è successo davvero.
  2. È possibile fare scelte libere, o almeno scelte statisticamente casuali.
  3. Una scelta fatta in un luogo non può influenzare istantaneamente un evento lontano. (I fisici chiamano questa “località”.)

Queste sono tutte idee intuitive e ampiamente credute anche dai fisici. Ma la nostra ricerca, pubblicata su Nature Physics, mostra che non possono essere tutte vere, o la stessa meccanica quantistica deve crollare a un certo livello.

Questo è il risultato più forte di una lunga serie di scoperte nella meccanica quantistica che hanno ribaltato le nostre idee sulla realtà. Per capire perché è così importante, diamo un’occhiata a questa storia.

La battaglia per la realtà

La meccanica quantistica funziona molto bene per descrivere il comportamento di piccoli oggetti, come atomi o particelle di luce (fotoni). Ma quel comportamento è… molto strano.

In molti casi, la teoria quantistica non fornisce risposte certe a domande come “dov’è questa particella in questo momento?” Invece, fornisce solo probabilità su dove potrebbe essere trovata la particella quando viene osservata.

Per Niels Bohr, uno dei fondatori della teoria un secolo fa, non è perché ci mancano le informazioni, ma perché le proprietà fisiche come la “posizione” in realtà non esistono finché non vengono misurate.

Inoltre, poiché alcune proprietà di una particella non possono essere osservate perfettamente contemporaneamente, come la posizione e la velocità, non possono essere reali contemporaneamente.

Non meno una figura di Albert Einstein ha trovato questa idea insostenibile. In un articolo del 1935 con i colleghi teorici Boris Podolsky e Nathan Rosen, sostenne che nella realtà doveva esserci di più di quello che la meccanica quantistica potrebbe descrivere.

L’articolo considerava una coppia di particelle lontane in uno stato speciale ora noto come stato “entangled“. Quando la stessa proprietà (diciamo, posizione o velocità) viene misurata su entrambe le particelle entangled, il risultato sarà casuale, ma ci sarà una correlazione tra i risultati di ciascuna particella.

Ad esempio, un osservatore che misura la posizione della prima particella potrebbe prevedere perfettamente il risultato della misurazione della posizione di quella distante, senza nemmeno toccarla. Oppure l’osservatore potrebbe scegliere di prevedere invece la velocità. Ciò aveva una spiegazione naturale, sostenevano, se entrambe le proprietà esistessero prima di essere misurate, contrariamente all’interpretazione di Bohr.

Tuttavia, nel 1964 il fisico nordirlandese John Bell scoprì che l’argomento di Einstein falliva se si effettuava una combinazione più complicata di misurazioni diverse sulle due particelle.

Bell ha mostrato che se i due osservatori scelgono casualmente e indipendentemente tra misurare l’una o l’altra proprietà delle loro particelle, come la posizione o la velocità, i risultati medi non possono essere spiegati in nessuna teoria in cui sia la posizione che la velocità fossero proprietà locali preesistenti.

Sembra incredibile, ma gli esperimenti ora hanno dimostrato in modo definitivo che le correlazioni di Bell si verificano. Per molti fisici, questa è la prova che Bohr aveva ragione: le proprietà fisiche non esistono finché non vengono misurate.

Ma questo solleva la domanda cruciale: cosa c’è di così speciale in una “misurazione”?

L’osservatore, osservato

Nel 1961, il fisico teorico ungherese-americano Eugene Wigner ha ideato un esperimento mentale per mostrare cosa c’è di così complicato nell’idea di misurazione.

Ha considerato una situazione in cui il suo amico entra in un laboratorio ermeticamente sigillato ed esegue una misurazione su una particella quantistica: la sua posizione, diciamo.

Tuttavia, Wigner ha notato che se applicava le equazioni della meccanica quantistica per descrivere questa situazione dall’esterno, il risultato era piuttosto diverso. Invece della misurazione dell’amico che rende reale la posizione della particella, dal punto di vista di Wigner l’amico rimane impigliato con la particella e viene infettato dall’incertezza che lo circonda.

Questo è simile al famoso gatto di Schrödinger, un esperimento mentale in cui il destino di un gatto in una scatola si intreccia con un evento quantistico casuale.

Per Wigner, questa era una conclusione assurda. Invece, credeva che una volta coinvolta la coscienza di un osservatore, l’entanglement sarebbe “collassato” per rendere definitiva l’osservazione dell’amico.

Ma se Wigner avesse torto?

Il nostro esperimento

Nella nostra ricerca, ci siamo basati su una versione estesa del paradosso dell’amico di Wigner, proposto per la prima volta da Časlav Brukner dell’Università di Vienna. In questo scenario, ci sono due fisici – chiamali Alice e Bob – ciascuno con i propri amici (Charlie e Debbie) in due laboratori lontani.

C’è un’altra svolta: Charlie e Debbie stanno ora misurando una coppia di particelle aggrovigliate, come negli esperimenti di Bell.

Come nell’argomento di Wigner, le equazioni della meccanica quantistica ci dicono che Charlie e Debbie dovrebbero rimanere impigliati con le loro particelle osservate. Ma poiché quelle particelle erano già impigliate tra loro, Charlie e Debbie stessi dovrebbero rimanere impigliati, in teoria.

Ma cosa implica sperimentalmente?

Il nostro esperimento va così: gli amici entrano nei loro laboratori e misurano le loro particelle. Qualche tempo dopo, Alice e Bob lanciano ciascuno una moneta. Se sono teste, aprono la porta e chiedono al loro amico cosa hanno visto. Se è croce, eseguono una misurazione diversa.

Questa diversa misurazione dà sempre un risultato positivo per Alice se Charlie è impigliato con la sua particella osservata nel modo calcolato da Wigner. Allo stesso modo per Bob e Debbie.

In qualsiasi realizzazione di questa misurazione, tuttavia, qualsiasi registrazione dell’osservazione del loro amico all’interno del laboratorio è bloccata dal raggiungere il mondo esterno. Charlie o Debbie non ricorderanno di aver visto nulla all’interno del laboratorio, come se si fossero svegliati dall’anestesia totale.

Ma è successo davvero, anche se non lo ricordano?

Se le tre idee intuitive all’inizio di questo articolo sono corrette, ogni amico ha visto un risultato reale e unico per la sua misurazione all’interno del laboratorio, indipendentemente dal fatto che Alice o Bob in seguito abbiano deciso di aprire la loro porta. Inoltre, ciò che Alice e Charlie vedono non dovrebbe dipendere da come atterra la moneta distante di Bob e viceversa.

Abbiamo mostrato che se così fosse, ci sarebbero dei limiti alle correlazioni che Alice e Bob potrebbero aspettarsi di vedere tra i loro risultati. Abbiamo anche mostrato che la meccanica quantistica prevede che Alice e Bob vedranno correlazioni che vanno oltre quei limiti.

Successivamente, abbiamo condotto un esperimento per confermare le previsioni della meccanica quantistica utilizzando coppie di fotoni entangled. Il ruolo della misurazione di ogni amico è stato svolto da uno dei due percorsi che ogni fotone può intraprendere nella configurazione, a seconda di una proprietà del fotone chiamata “polarizzazione”. Cioè, il percorso “misura” la polarizzazione.

Il nostro esperimento è davvero solo una prova di principio, poiché gli “amici” sono molto piccoli e semplici. Ma si apre la questione se gli stessi risultati sarebbero validi per osservatori più complessi.

Potremmo non essere mai in grado di fare questo esperimento con veri umani. Ma sosteniamo che un giorno potrebbe essere possibile creare una dimostrazione conclusiva se l'”amico” è un’intelligenza artificiale a livello umano in esecuzione in un enorme computer quantistico.

Che cosa significa tutto questo?

Sebbene un test conclusivo possa essere distante decenni, se le previsioni della meccanica quantistica continuano a reggere, ciò ha forti implicazioni per la nostra comprensione della realtà, anche più delle correlazioni di Bell. Per uno, le correlazioni che abbiamo scoperto non possono essere spiegate semplicemente dicendo che le proprietà fisiche non esistono finché non vengono misurate.

Ora la realtà assoluta degli stessi risultati delle misurazioni è messa in discussione.

I nostri risultati costringono i fisici ad affrontare il problema della misurazione a testa alta: o il nostro esperimento non aumenta, e la meccanica quantistica lascia il posto a una cosiddetta ” teoria del collasso oggettivo “, oppure una delle nostre tre ipotesi di buon senso deve essere rifiutata.

Ci sono teorie, come de Broglie-Bohm , che postulano “l’azione a distanza”, in cui le azioni possono avere effetti istantanei in altre parti dell’universo. Tuttavia, questo è in diretto conflitto con la teoria della relatività di Einstein.

Alcuni cercano una teoria che rifiuti la libertà di scelta, ma o richiedono una causalità all’indietro o una forma di fatalismo apparentemente cospirativa chiamata “superdeterminismo”.

Un altro modo per risolvere il conflitto potrebbe essere rendere la teoria di Einstein ancora più relativa. Per Einstein, diversi osservatori potrebbero non essere d’accordo su quando o dove succede qualcosa, ma ciò che accade era un fatto assoluto.

Tuttavia, in alcune interpretazioni, come la meccanica quantistica relazionale, il QBism o l’interpretazione a molti mondi, gli eventi stessi possono verificarsi solo in relazione a uno o più osservatori. Un albero caduto osservato da uno potrebbe non essere un fatto per tutti gli altri.

Tutto ciò non implica che tu possa scegliere la tua realtà. In primo luogo, puoi scegliere quali domande porre, ma le risposte sono date dal mondo. E anche in un mondo relazionale, quando due osservatori comunicano, le loro realtà sono intrecciate. In questo modo può emergere una realtà condivisa.

Il che significa che se entrambi assistiamo alla caduta dello stesso albero e tu dici che non riesci a sentirlo, potresti aver bisogno di un apparecchio acustico.

Autore

Eric Cavalcanti, Griffith University