Disuguaglianza di Leggett-Garg: confermata la violazione

Le particelle quantistiche possono esistere in sovrapposizioni, sfidando il realismo classico. La disuguaglianza di Leggett-Garg lo ha messo alla prova, e gli esperimenti sui neutroni alla TU Wien ne hanno confermato la violazione, supportando la teoria quantistica.

Neutroni violano la disuguaglianza di Leggett-Garg

La teoria quantistica consente alle particelle di esistere in stati di sovrapposizione, sfidando il realismo classico. La disuguaglianza di Leggett-Garg lo ha verificato confrontando il comportamento quantistico con le aspettative classiche. Recenti esperimenti con fasci di neutroni alla TU Wien hanno confermato che le particelle violano questa disuguaglianza, rafforzando la validità della teoria quantistica rispetto alle spiegazioni classiche.

Una particella può trovarsi in due posti diversi contemporaneamente?

Nella fisica quantistica, può: la teoria quantistica consente agli oggetti di trovarsi in stati diversi contemporaneamente, o più precisamente: in uno stato di sovrapposizione, combinando diversi stati osservabili. Ma è davvero così?

Forse la particella è in realtà in uno stato molto specifico, in una posizione molto specifica, ma semplicemente non lo sappiamo?

Nel 1985, è stato proposto un modo per misurarlo: la cosiddetta “disuguaglianza di Leggett-Garg”. Ogni teoria che descrive il nostro mondo senza gli strani stati di sovrapposizione della teoria quantistica deve obbedire a questa disuguaglianza. La teoria quantistica, d’altra parte, la viola.

Le misurazioni con neutroni che testano questa “disuguaglianza di Leggett-Garg” sono state ora eseguite per la prima volta alla TU Wien, con un risultato chiaro: la disuguaglianza di Leggett-Garg è violata, le spiegazioni classiche non sono possibili, la teoria quantistica vince. I risultati dello studio sono stati pubblicati sulla rivista Physical Review Letters.

Di solito diamo per scontato che ogni oggetto abbia certe proprietà: una palla si trova in una certa posizione, ha una certa velocità, forse anche una certa rotazione. Non importa se osserviamo la palla o meno. Ha queste proprietà in modo abbastanza oggettivo e indipendente da noi. Questa visione è nota come realismo.

Stephan Sponar dell’Atomic Institute presso la TU Wien, ha dichiarato: “Sappiamo dalla nostra esperienza quotidiana che in particolare gli oggetti grandi e macroscopici devono obbedire a questa regola. Sappiamo anche che gli oggetti macroscopici possono essere osservati senza essere influenzati in modo significativo. La misurazione non cambia fondamentalmente lo stato. Queste ipotesi sono collettivamente definite “realismo macroscopico”.

La teoria quantistica come la conosciamo, tuttavia, oggi è una teoria che viola questo realismo macroscopico. Se sono possibili stati diversi per una particella quantistica, ad esempio posizioni, velocità o valori energetici diversi, allora è possibile anche qualsiasi combinazione di questi stati. Almeno finché non viene misurato. Durante una misurazione, lo stato di sovrapposizione viene distrutto: la misurazione costringe la particella a decidere a favore di uno dei valori possibili.

Il mondo quantistico deve essere logicamente connesso al mondo macroscopico: dopotutto, le cose grandi sono composte da piccole particelle quantistiche. In linea di principio, le regole della teoria quantistica dovrebbero applicarsi a tutto.

Quindi la domanda è: è possibile osservare un comportamento in oggetti “grandi” che non può essere conciliato con la nostra immagine intuitiva del realismo macroscopico? Le cose macroscopiche possono anche mostrare chiari segni di proprietà quantistiche?

Comprendere la disuguaglianza di Leggett-Garg

Nel 1985, i fisici Anthony James Leggett e Anupam Garg hanno pubblicato una formula con cui è possibile testare il realismo macroscopico: la disuguaglianza di Leggett-Garg.

Elisabeth Kreuzgruber, prima autrice dell’articolo ha spiegato: “L’idea alla base è simile alla più famosa disuguaglianza di Bell, per la quale è stato assegnato il premio Nobel per la fisica nel 2022. Tuttavia, la disuguaglianza di Bell riguarda la questione di quanto fortemente il comportamento di una particella sia correlato a un’altra particella quantistica aggrovigliata. La disuguaglianza di Leggett-Garg riguarda solo un singolo oggetto e pone la domanda: in che modo il suo stato in punti specifici nel tempo è correlato allo stato dello stesso oggetto in altri punti specifici nel tempo?”

Leggett e Garg hanno ipotizzato un oggetto che può essere misurato in tre momenti diversi, ogni misurazione può avere due risultati diversi. Anche se non sappiamo nulla del tutto su se o come lo stato di questo oggetto cambia nel tempo, possiamo comunque analizzare statisticamente quanto fortemente i risultati in diversi momenti siano correlati tra loro.

Si può dimostrare matematicamente che la forza di queste correlazioni non può mai superare un certo livello, supponendo che il realismo macroscopico sia corretto. Leggett e Garg sono stati in grado di stabilire una disuguaglianza che deve sempre essere soddisfatta da ogni teoria realistica macroscopica, indipendentemente da qualsiasi dettaglio della teoria.

Se l’oggetto aderisce alle regole della teoria quantistica, allora devono esserci correlazioni statistiche significativamente più forti tra i risultati delle misurazioni nei tre diversi punti nel tempo. Se un oggetto si trova effettivamente in stati diversi allo stesso tempo tra i tempi di misurazione, questo deve – secondo Leggett e Garg – portare a correlazioni più forti tra le tre misurazioni.

Richard Wagner ha affermato: “Non è così facile indagare su questa questione sperimentalmente. Se vogliamo testare il realismo macroscopico, allora abbiamo bisogno di un oggetto che sia macroscopico in un certo senso, ovvero che abbia una dimensione paragonabile a quella dei nostri soliti oggetti quotidiani. Allo stesso tempo, tuttavia, deve essere un oggetto che abbia una possibilità di mostrare ancora proprietà quantistiche”.

Hartmut Lemmel, responsabile dello strumento S18 presso l’Institut Laue-Langevin (ILL) di Grenoble, dove è stato condotto l’esperimento, ha aggiunto: “I fasci di neutroni, come li utilizziamo in un interferometro di neutroni, sono perfetti per questo”.

Nell’interferometro di neutroni, un interferometro a cristalli perfetti di silicio che è stato utilizzato per la prima volta con successo presso l’Atomic Institute della TU Wien nei primi anni ’70, il fascio di neutroni incidente è stato diviso in due fasci parziali sulla prima piastra di cristallo e poi ricombinato da un altro pezzo di silicio. Esistono quindi due modi diversi in cui i neutroni possono viaggiare dalla sorgente al rivelatore.

La teoria quantistica afferma che ogni singolo neutrone viaggia su entrambi i percorsi contemporaneamente, sostiene Niels Geerits. Tuttavia, i due fasci parziali sono distanti diversi centimetri. In un certo senso, abbiamo a che fare con un oggetto quantistico che è enorme per gli standard quantistici.

Violazione della disuguaglianza di Leggett-Garg con i neutroni

Utilizzando una sofisticata combinazione di diverse misurazioni di neutroni, il team della TU Wien è stato in grado di testare la disuguaglianza di Leggett-Garg, e il risultato è stato chiaro: la disuguaglianza è stata violata. I neutroni si comportano in un modo che non può essere spiegato da nessuna teoria macroscopicamente realistica concepibile.

In realtà viaggiano su due percorsi contemporaneamente, si trovano simultaneamente in luoghi diversi, a centimetri di distanza. L’idea che “forse il neutrone sta viaggiando solo su uno dei due percorsi, semplicemente non sappiamo quale” è stata quindi confutata.

Stephan Sponar ha concluso: “Il nostro esperimento ha dimostrato che la natura è davvero strana come sostiene la teoria quantistica. Non importa quale teoria classica, macroscopicamente realistica si inventi: non sarà mai in grado di spiegare la realtà. Non funziona senza la fisica quantistica”.