“[…] la distinzione tra passato, presente e futuro è soltanto un’illusione, anche se ostinata”. Einstein
Una delle scoperte più destabilizzanti dell’ultimo mezzo secolo è che
l’universo non è localmente reale. In questo contesto, «reale» significa che gli oggetti hanno determinate proprietà che non dipendono dall’osservazione: una mela può essere rossa anche quando nessuno la sta osservando. «Locale» significa che un oggetto può essere
influenzato solo dai suoi immediati dintorni, e che nessun influsso può viaggiare più velocemente della luce. Ricerche alla frontiera della fisica quantistica hanno trovato che è impossibile che queste due affermazioni siano entrambe vere.
Le prove disponibili mostrano invece che gli oggetti non sono
influenzati solo da quello che hanno attorno e che inoltre potrebbero non avere proprietà determinate prima che siano misurate.
Il che, naturalmente, è profondamente contrario alla nostra
esperienza quotidiana. Come una volta lamentò Albert Einstein
con un amico: «Ma tu davvero credi che quando non la guardi la
Luna non c’è?». Per dirlo alla Douglas Adams, la scomparsa del realismo locale ha fatto arrabbiare molte persone ed è stata largamente vista come una mossa sbagliata.
Il biasimo per questo risultato è ormai direttamente attribuito a tre fisici: John Clauser, Alain Aspect e Anton Zeilinger. I quali si sono equamente divisi il premio Nobel per la fisica del 2022
«per esperimenti con fotoni entangled che hanno confermato le
diseguaglianze di Bell e aperto la strada alla scienza dell’informazione quantistica». (L’espressione «diseguaglianze di Bell» rimanda al pionieristico lavoro con cui il fisico nord-irlandese John Stewart Bell pose le fondamenta del premio Nobel 2022 nei primi
anni sessanta.). I colleghi concordano sul fatto che il trio se l’è cercata, meritando questo giudizio per aver rovesciato la realtà come
la conosciamo. «L’aspettavamo da un pezzo», dice Sandu Popescu,
fisico quantistico dell’Università di Bristol, nel Regno Unito. «Non
c’è il minimo dubbio, è un premio ben meritato.»
«Gli esperimenti, a partire con i primi di Clauser per poi proseguire con gli altri, dimostrano che questa roba non è mera filosofia ma qualcosa di reale; e come spesso capita con le cose reali,
può essere utile», dice Charles Bennett, un eminente ricercatore
quantistico di IBM. «Ogni anno pensavo: “Forse è la volta buona”», ricorda David Kaiser, fisico e storico del Massachusetts Institute
of Technology. «E quest’anno [nel 2022, NdR] è arrivato. E stato
commovente, e molto eccitante».
Dal
1940 circa fino ancora agli anni novanta, questo tema è stato spesso trattato come una questione filosofica, nel migliore dei casi, e
come una pazzia nel peggiore. Molte riviste scientifiche rifiutavano di pubblicare articoli sull’argomento e le posizioni accademiche che si dedicavano a studi del genere erano quasi impossibili da ottenere. Nel 1985 il tutor di Popescu lo mise in guardia dal
conseguire un dottorato in questa materia. «Mi disse: “Guarda, se
lo fai ti divertirai per cinque anni e poi resterai disoccupato”», dice Popescu.
Oggi la scienza dell’informazione quantistica è uno dei settori
più attivi e vivaci di tutta la fisica. Collega la teoria generale della
relatività di Albert Einstein con la meccanica quantistica passando per il comportamento ancora misterioso dei buchi neri. Detta il progetto e le funzioni dei sensori quantistici, che sono usati
sempre più spesso per studiare di tutto, dai terremoti alla materia oscura. E chiarisce la natura spesso sconcertante dell’entanglement quantistico, un fenomeno chiave per la moderna scienza dei
materiali e alla base del calcolo quantistico. «Alla fine, che cos’è
che rende “quantistico” un computer quantistico?», chiede retoricamente Nicole Yunger Halpern, fisica del National Institute of
Standards and Technology. «Una delle risposte più popolari è l’entanglement, e il motivo principale per cui capiamo l’entanglement
è il grandioso lavoro a cui hanno partecipato Bell e i tre vincitori del premio Nobel. Senza questa comprensione dell’entanglement, probabilmente non saremmo in grado di realizzare computer quantistici».
In parole semplici
Ricordi il gatto di Shrodinger? Finché non guardi nella scatola, il gatto è sia vivo che morto e solo quando apri la scatola il gatto “collassa” in un gatto vivo o morto. Ora immagina che il gatto abbia un gemello, in un'altra scatola, anche lui vivo e morto finché non viene osservato. MA! Se guardi nella prima scatola e il primo gatto crolla e vive, l'altro gatto all'istante muore. Ecco cosa hanno fatto nell'esperimento: hanno aperto le due scatole esattamente nello stesso momento e hanno visto che entrambi i gatti sono crollati in una posizione opposta. Stati apparentemente privi di connessione. In base alla nostra precedente comprensione di un universo “localmente reale”, ci dovrebbe essere un trasferimento di informazioni tra di loro: in che altro modo i gatti potrebbero sapere il destino dell'altro? Questo trasferimento di informazioni potrebbe avvenire solo alla velocità della luce, ma ora questo esperimento ha chiuso tutte le scappatoie in quella possibilità. Il crollo è istantaneo, più veloce della velocità della luce.
La nostra comprensione intuitiva dell'universo è che è localmente reale. Per l'universo essere locale significa che le cose sono influenzate solo dall'ambiente circostante, ed essere “reali” significa che le cose hanno uno stato definito in ogni momento. Stranamente questo non è vero. Una particella può trovarsi in una sovrapposizione in cui si trova contemporaneamente in più stati contemporaneamente. Anche le particelle aggrovigliate possono influenzare le loro controparti a qualsiasi distanza, più velocemente della luce.
Una Bell(a) idea
Il problema della meccanica quantistica non è mai stato che
faccia previsioni sbagliate: la teoria, anzi, descrive in modo splendidamente esatto il mondo microscopico fin dall’inizio, quando fu concepita dai fisici nei primi decenni del Novecento. Quello che Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen contestavano, e
lo spiegarono in un emblematico articolo del 1935, erano le scomode implicazioni della teoria per la realtà. Al centro della loro analisi (spesso detta EPR dalle iniziali dei tre scienziati) c’è un
esperimento mentale che intende evidenziare l’assurdità della meccanica quantistica. L’obiettivo era mostrare come in certe
condizioni la teoria può andare in pezzi, o almeno fornire risultati
insensati, in conflitto con i nostri assunti più profondi sulla realtà.
Una versione semplificata e modernizzata potrebbe essere
questa: due coppie di particelle sono inviate in direzioni diverse
da una sorgente comune, dirette a due osservatori, Alice e Bob,
che si trovano a due estremi opposti del sistema solare. La meccanica quantistica dice che è impossibile conoscere lo spin – una
proprietà quantistica delle singole particelle – prima di misurarlo.
Quando Alice effettua la misurazione su una delle particelle, trova che ha spin «su», oppure «giù». Il suo risultato è casuale; eppure, quando il risultato è «su» Alice sa istantaneamente che la corrispondente particella di Bob – il cui spin era casuale e indefinito
– deve essere «giù». A prima vista, non è poi così strano. Forse le
particelle sono come un paio di calzini: se ad Alice è toccato il destro, Bob deve avere il sinistro.
Secondo la meccanica quantistica, però, le particelle non sono come i calzini: se il loro spin sia su o giù si determina solo all’atto
della misurazione. È questo l’enigma chiave dell’EPR. Se le particelle di Alice non hanno spin definito finché non si esegue la misurazione, allora come fanno (mentre superano di corsa Nettuno)
a sapere che cosa faranno le particelle di Bob, che se ne stanno volando via dal sistema solare in direzione opposta? Ogni volta che
Alice esegue una misurazione, è come se domandasse alle sue particelle che cosa otterrebbe Bob se lanciasse una moneta: su o giù?
Le probabilità di prevedere correttamente questo risultato anche per 200 volte di seguito sono di 1 su 10esp60, che è un numero più
grande di quello degli atomi del sistema solare. Eppure, malgrado
i miliardi di chilometri che separano le particelle delle coppie, la
meccanica quantistica dice che le particelle di Alice continueranno a fare previsioni corrette, come se fossero collegate telepaticamente a quelle di Bob.
Concepito per evidenziare l’incompletezza della meccanica
quantistica, l’EPR ha infine portato a risultati sperimentali che
invece ne rafforzano gli aspetti più sbalorditivi. Secondo la meccanica quantistica, la natura non è localmente reale: le particelle
possono non avere certe proprietà (come spin su o spin giù) prima che siano misurate, e sembrano «parlare» fra loro a prescindere dalla distanza. (Dato che i risultati delle misurazione sono casuali, queste correlazioni non possono
essere usate per comunicazioni più veloci della luce.)
I fisici che guardavano con scetticismo alla meccanica quantistica hanno
proposto che l’enigma potesse essere
risolto con variabili nascoste: cioè fattori che esistono a qualche livello non
percepibile della realtà, al di sotto del livello subatomico, e che contengono informazioni sullo stato futuro delle particelle.
Questi ricercatori speravano che con qualche
teoria a variabili nascoste la natura potesse recuperare il realismo
locale negato dalla meccanica quantistica.
«C’era da pensare che
le argomentazioni di Einstein, Podolsky e Rosen avrebbero immediatamente dato il via a una rivoluzione, e che tutti si mettessero a
lavorare sulle variabili nascoste», dice Popescu.
L’«attacco» di Einstein alla meccanica quantistica, però, non ha
fatto presa fra i fisici, che nel complesso hanno accettato la meccanica quantistica così com’è. Non era tanto un’adesione ben ponderata a un’idea non locale della realtà quanto il desiderio di non
pensarci troppo: un mettere la testa sotto la sabbia che in seguito
il fisico statunitense N. David Mermin ha sintetizzato nell’imperativo: «
Zitto e calcola». Fra i motivi di questo disinteresse c’è il fatto
che uno scienziato assai stimato come John von Neumann aveva
pubblicato nel 1932 una dimostrazione matematica che escludeva la validità delle teorie con variabili nascoste. Va detto anche che
la dimostrazione di von Neumann venne confutata tre anni dopo
da una giovane matematica, Grete Hermann; ma all’epoca nessuno sembrò accorgersene.
Il problema del realismo non locale sarebbe poi rimasto in una
sorta di limbo ancora per trent’anni, fino allo scossone di Bell. Fin
dall’inizio della sua carriera, Bell era infastidito dall’ortodossia dei
quanti e propendeva per le teorie a variabili nascoste. L’ispirazione arrivò nel 1952, quando apprese che un fisico statunitense, David Bohm, aveva formulato una valida interpretazione non locale a variabili nascoste della meccanica quantistica: proprio quello
che von Neumann aveva sostenuto essere impossibile.
Bell ci rimuginò sopra per anni, come progetto collaterale mentre lavorava come fisico delle particelle al CERN di Ginevra.
Nel 1964 riscoprì nelle argomentazioni di von Neumann gli stessi
difetti trovati da Hermann. Poi, in quello che resta un trionfo di rigore argomentativo, Bell elaborò un teorema che tirò fuori la questione delle variabili nascoste locali dalle secche della metafisica
per portarla sul concreto terreno dell’esperimento.
Tipicamente, le teorie a variabili nascoste locali e la meccanica quantistica prevedono risultati sperimentali indistinguibili. Ma
Bell capì che ci sono circostanze ben precise in cui può emergere una discrepanza tra i due casi. Nei test detti «di Bell» (un evoluzione dell’esperimento mentale EPR), Alice e Bob ricevono ancora particelle accoppiate, ma adesso ciascuno di loro dispone di
due diverse impostazioni per il suo rivelatore: A e a, e B e b. Si tratta di un ulteriore trucco, che serve per far deragliare l’apparente
telepatia di Alice e Bob. Nelle teorie a variabili nascoste locali, una
particella non può sapere quale domanda viene posta all’altra. La
loro correlazione è stabilita in precedenza, segretamente, e non è
sensibile a successive modifiche delle impostazioni del rivelatore. Secondo la meccanica quantistica, invece, quando Alice e Bob
adottano le stesse impostazioni (entrambe maiuscole, o entrambe
minuscole), ogni particella «sa» qual è la domanda posta all’altra, e
le due particelle sono perfettamente correlate: sono sincronizzate in un modo di cui non può rendere conto nessuna teoria locale.
Sono, insomma, entangled.
Misurare la correlazione tante volte, per molte coppie di particelle, dunque, potrebbe dimostrare quale delle due teorie sia corretta. Se la correlazione restasse al di sotto di un certo limite, ricavato dal teorema di Bell, ciò indicherebbe che esistono davvero
variabili nascoste; se fosse superiore al limite di Bell, allora regnerebbero incontrastate le sbalorditive asserzioni della meccanica
quantistica. Malgrado il suo potenziale valore per chiarire la natura
della realtà, il teorema di Bell è rimasto per anni a languire, ignorato, in una rivista scientifica relativamente poco seguita.
Bell(o) e possibile
Nel 1967 uno studente della Columbia University di nome John
Clauser si imbatté per caso nel lavoro di Bell e fu
affascinato dalla possibilità di dimostrare la correttezza delle teorie a variabili nascoste. La lettera con cui due anni più tardi Clauser chiese a Bell se qualcuno avesse già fatto il test fu una delle prime reazioni suscitate dal lavoro dello stesso Bell.
Dopo altri tre anni, con l’incoraggiamento di Bell, Clauser e il
suo studente Stuart Freedman eseguirono il primo test di Bell. Autorizzato dai suoi supervisori ma con scarsi finanziamenti, Clauser divenne abile nel «rovistare nei cassonetti», come ha raccontato in una successiva intervista, per procurarsi gli strumenti
necessari, a volte restaurandoli con il nastro adesivo e aiutato da
Freedman. Nell’apparato di Clauser – grande quanto un kayak, e
bisognoso di attente regolazioni manuali – coppie di fotoni erano
inviate in direzioni opposte verso rivelatori in grado di rilevarne
lo stato di polarizzazione.
Purtroppo per Clauser e la sua infatuazione per le variabili nascoste, una volta completata l’analisi dei dati lui e Freedman dovettero concludere che avevano trovato forti prove contrarie. Ma
il risultato non era ancora conclusivo a causa di varie scappatoie
lasciate aperte dall’esperimento, che plausibilmente avrebbero
potuto permettere all’influenza delle variabili nascoste di passare
inosservata. La scappatoia più preoccupante aveva a che fare con
la località: se la fonte dei fotoni o i rivelatori avessero in qualche
modo condiviso informazioni (cosa plausibile, in un oggetto grande quanto un kayak), allora le correlazioni misurate avrebbero ancora potuto emergere da variabili nascoste.
Come spiega Kaiser,
se Alice manda un tweet a Bob e gli dice come è configurato il suo
rivelatore, questa interferenza rende impossibile escludere che vi
siano variabili nascoste.
Chiudere questa scappatoia è più facile a dirsi che a farsi. La
configurazione deve essere cambiata in corsa, prima che i rivelatori siano raggiunti dai fotoni; e «in corsa» qui significa entro qualche nanosecondo. Nel 1976 un giovane francese esperto di ottica,
Alain Aspect, propose un modo di realizzare questa commutazione
ultraveloce. I risultati sperimentali del suo gruppo, pubblicati nel
1982, non fecero altro che rafforzare quelli di Clauser: che vi fossero variabili nascoste locali sembrava estremamente improbabile.
«Forse la natura non è bizzarra quanto la meccanica quantistica»,
scrisse Bell in risposta al lavoro di Aspect. «Ma da questo punto di
vista la situazione sperimentale non è molto incoraggiante».
Restavano tuttavia altre scappatoie; e Bell è morto nel 1990
senza vederne la chiusura. Del resto, neanche l’esperimento di
Aspect aveva escluso del tutto gli effetti locali, perché era stato
condotto su un distanza troppo piccola. Allo stesso modo, come
Clauser e altri avevano capito, se Alice e Bob non erano sicuri di rilevare un campione rappresentativo imparziale di particelle, come un sondaggio che contatti solo persone destrimani, potevano
giungere a conclusioni sbagliate.
Nessuno si è dedicato a chiudere le scappatoie con entusiasmo
pari a quello di Anton Zeilinger, un ambizioso e socievole fisico austriaco. Insieme al suo gruppo, nel 1997 Zeilinger ha migliorato il
precedente lavoro di Aspect mettendo alla prova il teorema di Bell
su una distanza, allora senza precedenti, di quasi mezzo chilometro. L’epoca in cui i responsi sulla non località della realtà venivano
da esperimenti formato kayak era ormai chiusa. Infine, nel 2013 il
gruppo di Zeilinger ha fatto il passo logicamente successivo, prendendo di mira contemporaneamente varie scappatoie.
«Prima della meccanica quantistica, a me in realtà interessava
l’ingegneria. Mi piace costruire cose con le mie mani», dice Marissa Giustina, che fa ricerca sui quanti presso Google dopo aver lavorato con Zeilinger. «A ripensarci, fare un test di Bell che non lasci scappatoie è un gigantesco progetto di ingegneria dei sistemi».
Un requisito per creare un esperimento che chiudesse più falle era trovare un tunnel di 60 metri perfettamente rettilineo, non
occupato e con accesso a cavi in fibra ottica. È venuto fuori che i
sotterranei della Hofburg, la residenza imperiale di Vienna, erano quasi l’ideale, a parte il fatto che erano ricoperti da un secolo
di polvere. I loro risultati, pubblicati nel 2015, hanno coinciso con
test simili condotti da altri due gruppi che hanno trovato la meccanica quantistica impeccabile come sempre.
Il test di Bell arriva alle stelle
Restava un’ultima grossa scappatoia da chiudere; o almeno da
restringere. Ogni precedente rapporto fisico tra i componenti, anche nel lontanissimo passato, potrebbe in teoria interferire con la
validità dei risultati di un test di Bell. Se Alice stringe la mano a
Bob prima di imbarcarsi su una nave spaziale, i due hanno qualcosa in comune nel loro passato. Sembra poco plausibile che una teoria locale a variabili nascoste possa sfruttare questo tipo di scappatoie, ma la possibilità c’era.
Nel 2016 un gruppo di cui facevano parte Kaiser e Zeilinger ha
condotto un test di Bell su scala cosmica. Usando telescopi alle isole Canarie, hanno ricavato le decisioni casuali sulle impostazioni
dei rivelatori da osservazioni su due stelle lontane fra loro: tanto
lontane sulla volta celeste da assicurare che la luce dell’una non
raggiungesse l’altra per centinaia di anni, garantendo un divario
di secoli nel loro passato cosmico condiviso. E anche da questa
prova la meccanica quantistica è uscita trionfante.
Una delle principali difficoltà nello spiegare l’importanza di questi test
al pubblico – e anche ai fisici scettici – è
la percezione che la validità della meccanica quantistica fosse una conclusione scontata. Dopotutto, molti aspetti
chiave della meccanica quantistica sono stati confermati da misurazioni con
precisione superiore a dieci parti per
miliardo. «In realtà non volevo lavorare su questo tema», dice Giustina. «Pensavo, più o meno: “Dai, è roba vecchia. Sappiamo tutti
come andrà a finire”». Ma la precisione della meccanica quantistica non può permetterci di escludere che vi siano variabili nascoste locali: questo si può fare solo con i test di Bell.
«Quello che ha fatto interessare all’argomento i vincitori del
Nobel, e quello che ha spinto lo stesso Bell a occuparsene era in
realtà la domanda: È davvero possibile che il mondo funzioni così?», dice Kaiser. «E come possiamo dirlo con convinzione?». I test
di Bell permettono ai fisici di eliminare dall’equazione le distorsioni dovute ai giudizi estetici antropocentrici. Liberano il loro lavoro dagli atteggiamenti cognitivi umani che recalcitrano davanti all’inquietante possibilità di un inspiegabile entanglement o che
deridono le teorie a variabili nascoste come nuove discussioni su
quanti angeli possano danzare sulla punta di uno spillo.
Il premio Nobel onora Clauser, Aspect e Zeilinger, ma è anche
un riconoscimento a tutti i ricercatori che non si sono accontentati delle spiegazioni superficiali sulla meccanica quantistica, e che
hanno posto domande anche quando erano impopolari. «I test di
Bell – conclude Giustina – sono un modo molto utile di guardare
alla realtà».
.Un team dell'Università di Glasgow ha creato un sistema per fotografare quello che succede nell'entanglement quantistico attraverso una complessa strumentazione, rappresentata in figura. (foto: Moreau et al., Science Advances, 2019). La fotocamera (ICCD) è stata in grado di catturare le immagini dei fotoni nello stesso istante e ha mostrato che queste particelle, pur essendo separate e distanti, si erano spostate nello stesso modo. In pratica, erano entangled e le immagini lo dimostrano. “Si tratta di un'elegante dimostrazione di una proprietà fondamentale in natura”, ha commentato sulle pagine della Bbc Paul-Antoine Moreau, primo autore del paper, che ha coordinato lo studio insieme a Miles J. Padgett, co-primo autore. “Si tratta di un risultato entusiasmante – prosegue Moreau – che potrebbe essere utilizzato per far avanzare il campo di ricerca emergente del quantum computing e per portare a nuovi tipi di imaging”. I ricercatori forniscono una conferma sperimentale della violazione della disuguaglianza di Bell. La violazione della disuguaglianza di Bell è di fatto una conferma dell'esistenza dell'entanglement quantistico. “Qui abbiamo illustrato un esperimento che dimostra la violazione di una disuguaglianza di Bell mediante le immagini osservate”, scrivono gli autori nel paper. “Acquisire una rappresentazione visiva di questo effetto fondamentale è una dimostrazione che le immagini possono catturare e sfruttare l'essenza del mondo quantistico”.
Il teorema di Bell
l teorema di Bell afferma, nella forma più immediata, che nessuna teoria fisica locale a variabili nascoste può riprodurre le predizioni della meccanica quantistica. Elaborato da John Stewart Bell, è considerato un importante contributo a favore della meccanica quantistica, in particolare del suo carattere controintuitivo nel rifiuto della località, toccando questioni fondamentali per la filosofia della fisica moderna.
Fondamenti
L'articolo del 1964 che espone il teorema è intitolato "Sul paradosso Einstein-Podolsky-Rosen". Il paradosso Einstein-Podolsky-Rosen (paradosso EPR) è un esperimento mentale che nel 1935, presumendo valido il realismo locale, ossia le nozioni intuitive che i parametri delle particelle abbiano valori definiti indipendentemente dall'atto di osservazione e che gli effetti fisici abbiano una velocità di propagazione finita, evidenziò il carattere non locale della meccanica quantistica nella sua interpretazione ortodossa, ossia il fenomeno dell'entanglement, giudicandolo incompatibile con la realtà fisica (da cui il paradosso) e concludendo per l'incompletezza della teoria, cioè per la presenza di variabili nascoste.
Ampliando l'"esperimento" del paradosso EPR nella versione proposta da David Bohm e Yakir Aharonov, in particolare inserendo nel calcolo delle probabilità misure di spin su angolazioni intermedie rispetto alle sole ortogonali, combinando così più variabili, Bell ha dimostrato che la condizione di realismo locale impone alcune restrizioni delle correlazioni statistiche previste dalla meccanica quantistica tra misure su particelle considerate entangled. Ne consegue che la meccanica quantistica risulta essere intrinsecamente non locale, non potendo contenere variabili nascoste locali che ne modifichino tale caratteristica, e va accettata come tale, o rifiutata. Di converso, previsioni in completo accordo con la teoria quantistica implicherebbero la scelta tra realismo e località. Il teorema, infatti, non esclude variabili nascoste non locali che conservino il principio di realtà, mentre l'alternativa sarebbe la rinuncia radicale a qualsiasi realtà fisica oggettiva, che metterebbe però in discussione il principio di causalità.
Verifica sperimentale
Le restrizioni statistiche evidenziate dal teorema, espresse matematicamente da relazioni di disuguaglianza chiamate disuguaglianze di Bell, permettono, come suggerito dallo stesso Bell, una verifica sperimentale tramite misure della polarizzazione di fotoni. Gli esperimenti effettuati negli anni ottanta e novanta avevano indicato con alta probabilità che le disuguaglianze di Bell sono violate. Ulteriori esperimenti effettuati nel corso del 2015 da diversi gruppi indipendenti sono riusciti a soddisfare pienamente le condizioni teoriche previste e a fornire risultati conclusivi, fornendo una prova empirica contro il realismo locale e dimostrando che, quelle considerate dal paradosso EPR come "raccapriccianti azioni a distanza", sono reali. Questi esperimenti sono ritenuti un'ulteriore prova a favore della meccanica quantistica e dimostrano che il principio di località deve essere abbandonato, anche nell'ipotesi dell'esistenza di variabili nascoste.
I principi della relatività speciale sono salvati dal teorema di non-comunicazione, che implica che gli osservatori non possono utilizzare gli effetti quantistici per comunicare informazione a velocità superiore a quella della luce.
Il teoprema con parole semplici
Il Teorema di Bell ci mostra fondamentalmente che, se la Meccanica quantistica è valida, le misurazioni eseguite su due particelle saranno sempre correlate, indipendentemente dalla distanza che le separa. Immaginiamo di avere un sistema con due particelle molto vicine che ruotano in direzioni opposte: si descrive comunemente questa situazione dicendo che lo spin di una particella è up (verso l'alto) e quello dell'altra è down (verso il basso). Misurando gli spin delle particelle dopo che queste sono state notevolmente allontanate, scopriremo che gli spin sono rimasti uno up e l'altro down.
Queste particelle, in ragione del loro spin, si comportano come piccoli magneti, quindi si può affermare che sono dotate di momenti magnetici. E' possibile modificarne l'orientamento facendole passare attraverso campi magnetici: la Meccanica quantistica ci dice che se modifichiamo l'orientamento di una particella in modo che, invece di ruotare verso l'alto intorno a un asse verticale, ruoti a sinistra intorno a un asse orizzontale, scopriamo che anche l'altra particella ruota intorno a un asse orizzontale, ma nella direzione opposta, che definiremo destra.
Questi risultati della meccanica quantistica sono stati confermati da due esperimenti, il primo eseguito nel 1972 da John Clauser e Stuart Freeman negli Stati Uniti e il secondo da A. Aspect, P. Grangier e C. Roger al CERN di Ginevra nel 198I. Quindi, per quanto possa apparire insolito, esiste una qualche forma di comunicazione istantanea tra le due particelle, tale che, modificando lo spin di una, muta istantaneamente lo spin dell'altra, indipendentemente dalla distanza. Istantanea in termini fisici significa velocità superluminare ossia superiore alla luce (forse è il caso di approfondire il concetto di simultaneità???).
Ricapitoliamo e semplifichiamo: se su una delle due particelle che provengono da una fonte comune viene condotta una "alterazione" di stato, Bell ha dimostrato che la seconda particella che sta viaggiando alla velocità della luce in direzione opposta alla prima, viene anch'essa alterata a causa della modificazione imposta alla prima particella.
Per i fisici quantistici, ciò presenta un paradosso al tempo stesso eccitante e fonte di inquietudine. La velocità della luce è un valore assoluto, una costante universale irrefutabile che non può essere negata: e allora com'è possibile che una particella alteri lo stato dell'altra quando una comunicazione tra le due è impossibile?
La ricerca di una risposta a questo interrogativo ha tormentato i fisici fin da quando il test venne ideato negli anni Sessanta. Esistono numerose spiegazioni, ma quella che trova più seguito sembra essere la seguente: se alcune particelle subatomiche sono state insieme, esse conservano un'«affinità» permanente che sembra in qualche modo trascendere le limitazioni fisiche.
Nel suo libro, intitolato In Search of Schródinger's Cat che è diventato un best-seller, John Gribbin afferma quanto segue a proposito di questo paradosso: "Essi [gli esperimenti basati sul test di Bell] ci dicono che le particelle che hanno interagito una volta continuano in un certo senso a far parte di un unico sistema, che risponde come un'unità a ulteriori interazioni. Virtualmente ogni cosa che vediamo, tocchiamo e sentiamo è costituita da un insieme di particelle che fin dai tempi del Big Bang hanno interagito con altre particelle".
Tutto questo comunque porta all'esistenza di un conflitto fondamentale tra le modalità di analisi del mondo fisico: le Teorie della Relatività, infatti, impongono, un limite di velocità al trasferimento delle informazioni, energia e materia, mentre la Meccanica quantistica suggerisce che in determinate situazioni è possibile superare questo limite.
In un convegno internazionale di fisica il 7 maggio 1984 il discorso di John Bell si concluse così: "Siamo in presenza di una evidente incompatibilità, al livello più profondo, tra i due pilastri su cui si basa la scienza contemporanea, (Teoria della Relatività e Meccanica quantistica)".
L'esperimento creato da Schrodingers. Il gatto puòl essere nello stersso tempo vivo o morto.
«Si possono anche costruire casi del tutto burleschi. Si rinchiuda un gatto in una scatola d'acciaio insieme alla seguente macchina (che occorre proteggere dalla possibilità d'essere afferrata direttamente dal gatto): in un contatore Geiger si trova una minuscola porzione di sostanza radioattiva, così poca che nel corso di un'ora forse uno dei suoi atomi si disintegrerà, ma anche, in modo parimenti probabile, nessuno; se l'evento si verifica il contatore lo segnala e aziona un relais di un martelletto che rompe una fiala con del cianuro. Dopo avere lasciato indisturbato questo intero sistema per un'ora, si direbbe che il gatto è ancora vivo se nel frattempo nessun atomo si fosse disintegrato, mentre la prima disintegrazione atomica lo avrebbe avvelenato. La funzione Psi dell'intero sistema porta ad affermare che in essa il gatto vivo e il gatto morto non sono degli stati puri, ma miscelati con uguale peso.» (Erwin Schrödinger)
IMPRESA OGGI -31 marzo 2023
