Niente intorno a te è come sembra. Niente esiste finché non lo percepiamo, almeno secondo la fisica. Nel 2022, Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger hanno ricevuto il premio Nobel per la fisica per esperimenti che hanno sconvolto una delle nostre convinzioni più fondamentali: l'universo non è localmente reale.
Innanzitutto, analizziamo a cosa si riferisce il termine "localmente reale".
In fisica, il concetto di località si riferisce all'idea che gli oggetti sono influenzati esclusivamente dall'ambiente circostante e che nulla può viaggiare più velocemente della velocità della luce. Se tu, seduto qui sulla Terra, provassi ad accendere la mia TV, situata nella vicina galassia nana del Cane Maggiore, sarebbe impossibile che si accendesse all'istante. Invece, ci vorrebbero tranquillamente 25.000 anni luce.
La realtà è il concetto di particelle che hanno proprietà definitive indipendentemente dal fatto che vengano misurate o meno. Per fare un esempio famoso, questa scuola di pensiero ritiene che se un albero cade in una foresta e non c'è nessun osservatore a testimoniarlo, produce comunque un suono. Gli anti-realisti, direbbero il contrario, sostenendo che piuttosto che avere proprietà fisse assegnate costantemente, molte particelle esistono all'interno di una funzione d'onda di possibili stati che collassano in uno in seguito a misurazione o osservazione. Pensate al gatto di Schrödinger, sia vivo che morto finché la scatola non viene aperta e lo stato di esistenza del gatto si assesta su uno.
Einstein era molto a disagio con la meccanica quantistica e la correlazione quantistica, che lui stesso soprannominò "azione spettrale a distanza". La correlazione quantistica è il punto in cui due particelle diventano così profondamente connesse che lo stato di una, influenza istantaneamente quello dell'altra, indipendentemente dalla loro distanza. Questa connessione suggerisce che le informazioni potrebbero essere trasmesse a una velocità superiore a quella della luce, sfidando l'idea di località. Secondo la meccanica quantistica, quando due particelle sono correlate quantisticamente, le loro proprietà individuali rimangono indeterminate finché una di esse non viene misurata. Dopo la misurazione, lo stato dell'altra particella è immediatamente noto, apparentemente violando i principi del realismo locale.
Einstein pensava che ciò fosse impossibile ed era un fervente sostenitore del realismo locale, l'idea che gli oggetti possiedano uno stato definitivo indipendentemente dal fatto che vengano osservati o meno, e che nulla possa influenzare qualcos'altro più velocemente della velocità della luce. Per esprimere le sue preoccupazioni, Einstein, insieme a Podolsky e Rosen, pubblicò il famoso articolo EPR nel 1935, sostenendo che la meccanica quantistica deve essere incompleta o fondamentalmente errata.
Il problema principale di Einstein con la meccanica quantistica ruotava attorno alla correlazione quantistica. Credeva che la teoria non potesse spiegare completamente come le particelle correlate quantisticamente interagissero. Secondo la meccanica quantistica, se una particella si divide in due parti, i loro stati rimangono incerti finché non vengono misurati. Ad esempio, se si scopre che una particella ruota verso destra, l'altra ruoterà istantaneamente verso sinistra per conservare la quantità di moto, indipendentemente dalla distanza tra loro. Ciò sembrava implicare che le informazioni sullo stato di una particella viaggiassero più velocemente della velocità della luce, violando la località.
Einstein suggerì che dovevano esserci variabili nascoste, fattori sconosciuti di cui la meccanica quantistica non aveva ancora tenuto conto, che avrebbero completato la teoria e preservato la località. Sosteneva che le particelle dovevano aver determinato le loro proprietà quando interagivano inizialmente e che la meccanica quantistica semplicemente non poteva prevedere queste proprietà fino alla misurazione.
Ciò creò uno scontro filosofico e scientifico tra Einstein e Niels Bohr, uno dei più convinti difensori della meccanica quantistica. Bohr non era d'accordo con l'ipotesi della variabile nascosta di Einstein e sosteneva che la meccanica quantistica era completa così com'era. Secondo Bohr, l'incertezza e la natura probabilistica della meccanica quantistica erano caratteristiche intrinseche della realtà, non segni di una teoria incompleta.
Nel 1964, il fisico John Bell affrontò questo enigma di petto con quello che oggi è noto come Teorema di Bell: il suo scopo era creare un quadro verificabile per determinare se l'universo seguisse i principi del realismo locale o se la meccanica quantistica consentisse davvero influenze non locali e più veloci della luce.
La disuguaglianza di Bell è il test chiave che emerge dal teorema di Bell. Si riferisce a una famiglia di disuguaglianze che forniscono limiti alla forza delle correlazioni tra misurazioni su particelle aggrovigliate, supponendo che valga il realismo locale. Se la disuguaglianza è vera negli esperimenti, il realismo locale è valido, il che significa che le variabili nascoste potrebbero spiegare i fenomeni quantistici. Se violato, come visto in molti esperimenti, significa che la meccanica quantistica consente correlazioni istantanee tra particelle aggrovigliate, dimostrando che l'universo non è localmente reale ed escludendo variabili nascoste.
Quando gli scienziati hanno iniziato a testare la disuguaglianza di Bell attraverso esperimenti, a partire dagli anni '70 e continuando con maggiore precisione nei decenni successivi, hanno costantemente scoperto che la disuguaglianza di Bell era violata. Questi esperimenti, inclusi quelli di Alain Aspect, vincitore del premio Nobel 2022 e altri, hanno dimostrato che la meccanica quantistica era corretta e il realismo locale no.
Quindi, come hanno fatto? Come hanno eseguito praticamente questa dimostrazione apparentemente mastodontica? La risposta sta nella polarizzazione dei fotoni.
John Clauser, nei primi anni '70, ha condotto il primo test sperimentale pionieristico della disuguaglianza di Bell. Clauser e i suoi collaboratori hanno utilizzato una sorgente che emetteva coppie di fotoni aggrovigliati. Questi fotoni avevano polarizzazioni correlate, il che significa che se si misurava la polarizzazione di un fotone, si avrebbe qualcosa da dire sulla polarizzazione dell'altro, indipendentemente dalla distanza tra loro. I fotoni aggrovigliati venivano inviati in direzioni opposte a due rilevatori. Ogni rilevatore poteva essere impostato a diverse angolazioni per misurare la polarizzazione dei fotoni. Clauser ha testato la disuguaglianza di Bell misurando le correlazioni tra la polarizzazione delle coppie di fotoni a diverse impostazioni del rilevatore. Se il realismo locale fosse stato valido, le misurazioni avrebbero seguito specifici modelli statistici che aderiscono alla disuguaglianza di Bell. Tuttavia, i suoi risultati hanno mostrato che la correlazione tra le coppie di fotoni violava la disuguaglianza di Bell.
Se Clauser era il pioniere, Alain Aspect era il raffinatore. L'esperimento di Aspect del 1982 è stato fondamentale per far progredire la verifica della disuguaglianza di Bell. Esperimenti precedenti avevano mostrato violazioni della disuguaglianza di Bell, ma avevano lasciato aperte alcune "scappatoie" che potevano ancora essere potenzialmente spiegate da variabili nascoste locali.
Aspect ha progettato un ingegnoso esperimento che ha chiuso una scappatoia chiave chiamata scappatoia temporale. Nel suo esperimento, molto simile a quello di Clauser, due fotoni aggrovigliati sono stati inviati in direzioni opposte a due rilevatori separati. Le impostazioni sui rilevatori sono state modificate rapidamente e casualmente durante l'esperimento, abbastanza velocemente da impedire ai fotoni di comunicare tra loro sulle impostazioni entro i vincoli di tempo imposti dalla velocità della luce. I risultati di Aspect hanno confermato che la correlazione tra i fotoni violava la disuguaglianza di Bell, con un grado di sofisticazione più elevato rispetto ai risultati di Clauser. L'esperimento di Aspect ha illustrato
Anton Zeilinger stava lavorando in un campo tangenziale altrettanto entusiasmante, interessato al teletrasporto quantistico, un processo che utilizza la correlazione quantistica per trasferire lo stato di una particella da una posizione a un'altra senza spostare la particella stessa. I suoi esperimenti hanno dimostrato il teletrasporto quantistico su grandi distanze, supportando ulteriormente la natura non locale della meccanica quantistica. Questo non deve essere confuso con il teletrasporto degli atomi di carbonio-13 sotto il Danubio, che ha spostato le particelle stesse. Zeilinger era stato il pioniere del trasferimento di informazioni quantistiche con i fotoni, che sono particelle prive di massa. Questa distinzione è importante, poiché il lavoro di Zeilinger ha contribuito alle basi per applicazioni future come la comunicazione quantistica e la crittografia quantistica.
Alla fine, un dibattito secolare sulla realtà dell'universo volge al termine, e tuttavia così facendo si aprono innumerevoli nuove possibilità. La loro scoperta non solo inaugura una rivoluzione quantistica, con potenziali progressi nel teletrasporto, nell'informatica quantistica e nella comunicazione sicura, ma sfida anche i nostri più profondi presupposti filosofici sulla natura dell'esistenza, dell'osservazione e del libero arbitrio.
Più scopriamo sull'universo, più dobbiamo ripensare al nostro posto al suo interno, mettendo in discussione non solo ciò che sappiamo, ma anche come lo sappiamo, e cosa significa per la nostra comprensione della realtà stessa.
Nessun commento:
Posta un commento