E’ stato trovato un nuovo paradosso nella meccanica quantistica, una delle 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 posto non può influenzare immediatamente un evento distante (i fisici chiamano ciò “località”).
4. Se un albero cade in una foresta e non c’è nessuno a sentirlo, emette un suono? Forse no, dicono alcuni.
5. E se qualcuno è lì per ascoltarlo? Se pensi che ciò significhi che ovviamente ha prodotto un suono, potresti dover rivedere quell’opinione.
Queste sono tutte idee intuitive e ampiamente credute anche dai fisici. Ma una ricerca, pubblicata su Nature Physics, mostra che non possono essere tutte vere o la stessa meccanica quantistica dovrebbe non funzionare ad un certo livello.
Questo è il risultato più forte di una lunga serie di scoperte nella meccanica quantistica che hanno stravolto 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).
In molti casi, però, la teoria quantistica non fornisce risposte certe a domande come “dove si trova questa particella in questo momento?” Invece, fornisce solo probabilità di dove la particella potrebbe trovarsi quando verrà osservata.
Per Niels Bohr, uno dei fondatori della teoria quantistica, oltre un secolo fa, questo accade non perché manchino le informazioni, ma perché proprietà fisiche come la “posizione” non esistono realmente finché non vengono misurate.
E per di più, poiché alcune proprietà di una particella, come posizione e velocità, non possono essere perfettamente osservate contemporaneamente, non possono essere reali contemporaneamente.
Neanche una figura come Albert Einstein ha trovato questa idea insostenibile. In un articolo del 1935 con i colleghi teorici Boris Podolsky e Nathan Rosen, ha sostenuto che ci deve essere di più nella realtà di quello che la meccanica quantistica potrebbe descrivere.
L’articolo considerava una coppia di particelle distanti in uno stato speciale ora noto come “stato entangled“. Quando la stessa proprietà (ad esempio, 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 la velocità. Ciò ha una spiegazione naturale, sostenevano, se entrambe le proprietà esistevano già 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 eseguiva una combinazione più complicata di misurazioni diverse sulle due particelle.
Bell dimostrò che se i due osservatori scelgono in modo casuale e indipendente tra la misurazione dell’una o dell’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, erano proprietà locali preesistenti.
Sembra incredibile, ma gli esperimenti hanno ora 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
Nel 1961, il fisico teorico ungherese-americano Eugene Wigner ideò un esperimento mentale per mostrare cosa c’è di così complicato nell’idea di misurazione.
Wigner considerò una situazione in cui un suo amico entra in un laboratorio ermeticamente sigillato ed esegue una misurazione su una particella quantistica.
A questo punto, Wigner notò che applicando le equazioni della meccanica quantistica per descrivere questa situazione dall’esterno, il risultato è abbastanza 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 infettato dall’incertezza che la circonda.
Questo esperimento mentale 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. Credeva, invece, che una volta coinvolta la coscienza di un osservatore, l’entanglement sarebbe “collassato” per rendere definitiva l’osservazione dell’amico.
E se Wigner si fosse sbagliato?
L’ esperimento
Nella ricerca effettuata, i fisici si sono 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 – chiamiamoli Alice e Bob – ciascuno con i propri amici (Charlie e Debbie) in due laboratori distanti; Charlie e Debbie stanno misurando un paio di particelle intrecciate, come negli esperimenti di Bell.
Come nell’argomento di Wigner, le equazioni della meccanica quantistica ci dicono che Charlie e Debbie dovrebbero rimanere invischiati nelle loro particelle osservate, ma poiché quelle particelle erano già intrappolate l’una con l’altra, Charlie e Debbie dovrebbero rimanere intrappolati, in teoria.
Ma cosa implica sperimentalmente?
L’ esperimento procede così: gli amici entrano nei loro laboratori e misurano le loro particelle. Qualche tempo dopo, Alice e Bob lanciano una moneta ciascuno: se esce testa, aprono la porta e chiedono al loro amico cosa ha 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 ogni realizzazione di questa misurazione, tuttavia, qualsiasi registrazione dell’osservazione del loro amico all’interno del laboratorio viene bloccata dal raggiungere il mondo esterno.
Charlie o Debbie non ricorderanno di aver visto nulla all’interno del laboratorio, come se si fossero risvegliati 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 propria misurazione all’interno del laboratorio, indipendentemente dal fatto che Alice o Bob abbiano successivamente deciso di aprire la loro porta. Inoltre, ciò che vedono Alice e Charlie non dovrebbe dipendere da come atterra la moneta di Bob, e viceversa.
È stato dimostrato che se questo fosse il caso, ci sarebbero dei limiti alle correlazioni che Alice e Bob potrebbero aspettarsi di vedere tra i loro risultati. E’ stato anche dimostrato che la meccanica quantistica prevede che Alice e Bob vedranno correlazioni che vanno oltre quei limiti.
Successivamente, è stato fatto 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 seguire nel setup, a seconda di una proprietà del fotone chiamata “polarizzazione“, ovvero il percorso “misura” la polarizzazione.
L’ esperimento è solo una dimostrazione di principio, poiché gli “amici” sono molto piccoli e semplici. Ma apre la questione se gli stessi risultati sarebbero validi con 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” fosse un’intelligenza artificiale a livello umano in esecuzione in un enorme computer quantistico.
Il paradosso che pone dubbi sulla realtà
Sebbene un test conclusivo possa essere lontano decenni, se le previsioni della meccanica quantistica continuano a essere valide, ciò ha forti implicazioni per la nostra comprensione della realtà, anche più delle correlazioni di Bell.
Per prima cosa, le correlazioni che abbiamo scoperto non possono essere spiegate semplicemente dicendo che le proprietà fisiche non esistono finché non vengono misurate.
Ora viene messa in discussione la realtà assoluta degli stessi risultati delle misurazioni.
I risultati ottenuti costringono i fisici ad affrontare il problema della misurazione a testa alta: o l’esperimento non si ingrandisce e la meccanica quantistica lascia il posto a una cosiddetta “teoria del collasso oggettivo“, oppure uno dei tre presupposti di buon senso deve essere respinto .
Ci sono teorie, come quella di 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 richiedono una causalità all’indietro o una forma apparentemente cospirativa di fatalismo chiamata “superdeterminismo” .
Un altro modo per risolvere il conflitto potrebbe essere quello di rendere la teoria di Einstein ancora più relativa. Per Einstein, diversi osservatori potrebbero non essere d’accordo su quando o dove accade qualcosa, ma ciò che accade è un fatto assoluto.
Tuttavia, in alcune interpretazioni, come la meccanica quantistica relazionale, il QBismo 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 si intrecciano. In questo modo può emergere una realtà condivisa.
Ciò significa che se entrambi assistiamo alla caduta dello stesso albero e tu sostieni di non avere sentito il rumore, senza scomodare la teoria quantistica potresti aver bisogno solo di un apparecchio acustico.
