La non-località temporale

Il punto centrale delle loro discussioni era quello che Schrödinger in seguito chiamò entanglement: cioè l’impossibilità di descrivere due sistemi quantistici o particelle in modo indipendente, dopo che avevano interagito.

Fino alla sua morte, Einstein rimase convinto che l’entanglement dimostrasse come la meccanica quantistica fosse incompleta, mentre Schrödinger pensava che l’entanglement fosse la caratteristica distintiva della nuova fisica, ma questo non significava che l’avesse accettata alla leggera.

“So naturalmente come l’hocus pocus funzioni matematicamente“, scrisse a Einstein il 13 luglio 1935. “Ma non mi piace una simile teoria“. Il famoso esperimento mentale del gatto di Schrödinger, sospeso tra la vita e la morte, apparve per la prima volta in queste lettere, un sottoprodotto del tentativo di articolare ciò che dava fastidio ai due grandi scienziati.

Il problema che si ponevano i due è che l’entanglement viola il modo in cui il mondo dovrebbe funzionare: le informazioni non dovrebbero poter viaggiare più velocemente della velocità della luce, per esempio.

Poi, in un articolo del 1935, Einstein e i suoi co-autori dimostrarono come l’entanglement conduca a quella che ora è chiamata non-località quantistica, il legame inquietante che sembra esistere tra particelle intrecciate (ovvero legate tra loro dall’entanglement).

Cosa dicevano gli autori nel loro articolo? Che, se due particelle quantistiche si incontrano e si intrecciano (quindi sono entangled) e poi vengono separate spazialmente, anche attraverso una distanza di migliaia di anni luce diventa impossibile misurare le caratteristiche di una delle due (come la sua posizione, quantità di moto e polarità) senza che, immediatamente, l’altra assuma uno stato corrispondente. 

Fino ad oggi, la maggior parte degli esperimenti ha testato l’entanglement sulle distanze spaziali. L’ipotesi è che la parte “non-locale” della non-località quantistica si riferisca all’entanglement delle proprietà attraverso lo spazio. Ma cosa accadrebbe, si sono chiesti gli scienziati, se l’intreccio tra le particelle si verificasse anche nel tempo? Esiste una non-località temporale?

La risposta, a quanto pare, è sì.

Insomma, la meccanica quantistica già appare strana e controintuitiva di suo, eppure l’introduzione del concetto di non-località quantistica la rende strana elevata a potenza. Tanto più da quando, nel 2013, un gruppo di fisici dell’Università Ebraica di Gerusalemme riferì di aver impigliato (intrecciato, resi entangled) con successo fotoni che non erano mai coesistiti.

Precedenti esperimenti riguardanti una tecnica chiamata “scambio di entanglement” avevano già mostrato correlazioni quantistiche nel tempo, ritardando la misura di una delle particelle entangled coesistenti; ma Eli Megidish ed i suoi collaboratori sono stati i primi a dimostrare un coinvolgimento tra fotoni la cui durata non si sovrapponeva affatto.

Ecco come ci sono riusciti:

Innanzitutto, hanno creato una coppia di fotoni entangled, “1-2” (passaggio I nello schema sottostante). Subito dopo, hanno misurato la polarizzazione del fotone 1 (una proprietà che descrive la direzione dell’oscillazione della luce) – quindi “lo hanno ucciso” (fase II).

Il Fotone 2 viene costretto su un percorso casuale all’interno del sistema mentre viene creata una nuova coppia entangled, “3-4“, (fase III). Il fotone 3 viene quindi misurato insieme al fotone itinerante 2 in modo tale che la relazione di entanglement sia “scambiata” dalle vecchie coppie (“1-2” e “3-4”) sulla nuova combo “2-3” ( punto IV).
Qualche tempo dopo (passo V), viene misurata la polarizzazione del fotone solitario sopravvissuto, il fotone 4, ed i risultati vengono confrontati con quelli del fotone 1 morto da tempo (di nuovo al punto II).

Il risultato?

I dati hanno rivelato l’esistenza di correlazioni quantistiche tra i fotoni “temporalmente non locali” 1 e 4, quindi, l’entanglement può verificarsi attraverso due sistemi quantistici che non hanno mai coesistito.

Ok, ma cosa significa?

Primo aspetto: affermare che la polarità della luce stellare emessa in un lontano passato (diciamo, più del doppio della durata della vita della Terra) influenza la polarità della luce stellare visualizzata ora attraverso un telescopio amatoriale ci complica maledettamente la vita.

Ancora più strano: Questo potrebbe implicare che le misurazioni effettuate dal tuo occhio sulla luce stellare che passa ora attraverso il tuo telescopio in qualche modo mostrino la polarità di fotoni più vecchi di 9 miliardi di anni.

Per evitare che questo scenario sembri troppo bizzarro, Megidish ed i suoi colleghi non hanno potuto resistere alla speculazione su possibili e spettrali interpretazioni dei loro risultati.

Forse la misurazione della polarizzazione del fotone 1 nella fase II in qualche modo indirizza la futura polarizzazione del 4, oppure la misurazione della polarizzazione del fotone 4 al passo V riscrive, in qualche modo, lo stato di polarizzazione passato del fotone 1.

In entrambe le direzioni avanti e indietro nel tempo, le correlazioni quantistiche abbracciano il vuoto causale tra la morte di un fotone e la nascita dell’altro.

Solo applicando un po’ di relatività l’inquietudine diminuisce.

Nello sviluppare la sua teoria della relatività speciale, Einstein spostò il concetto di simultaneità dal suo piedistallo newtoniano, di conseguenza, la simultaneità passò dall’essere una proprietà assoluta a una proprietà relativa.

Non esiste un singolo cronometrista per l’Universo, sostiene Einstein; in effetti, il concetto di quando qualcosa sta accadendo dipende dalla tua posizione precisa, nello spazio e nel tempo, rispetto a ciò che stai osservando, e questa è la tua struttura di riferimento.

Quindi la chiave per evitare uno strano comportamento causale (guidare il futuro o riscrivere il passato) nei casi di separazione temporale è accettare che gli eventi di chiamata “simultanei” abbiano poco peso metafisico.

Insomma, la separazione temporale è solo una proprietà specifica del frame, una scelta tra molte alternative ma ugualmente valide: una questione di convenzione o di tenuta dei registri.

Tutto questo ci porta direttamente alla non-località quantistica, sia spaziale che temporale.

I misteri relativi alle coppie di particelle impigliate sono sostanzialmente discordi sull’etichettatura, a causa della relatività. Einstein ha dimostrato che nessuna sequenza di eventi può essere metafisicamente privilegiata – ovvero può essere considerata più reale – rispetto a qualsiasi altra.

Solo accettando questa intuizione si possono fare progressi su questi enigmi quantistici.
I vari fotogrammi di riferimento nell’esperimento dell’Università Ebraica (la cornice del laboratorio, il fotone 1, il fotone 4 e così via) hanno i loro “storici”, per così dire, ma mentre questi storici non sono d’accordo su come sono andate le cose, nessuno di loro può rivendicare un angolo di verità: una diversa sequenza di eventi si svolge all’interno di ciascuno, secondo quel punto di vista spaziotemporale.

Chiaramente, quindi, qualsiasi tentativo di assegnare proprietà specifiche del frame in generale o di legare proprietà generali a un particolare frame, causerà controversie tra gli storici.

Mentre potrebbe esserci un disaccordo legittimo su quali proprietà dovrebbero essere assegnate a quali particelle e quando, non ci dovrebbe essere disaccordo sull’esistenza stessa di queste proprietà, particelle ed eventi.

Queste scoperte inseriscono un altro cuneo tra le nostre care intuizioni della fisica classica e le realtà empiriche della meccanica quantistica.

Come fu vero per Schrödinger e per i suoi contemporanei, il progresso scientifico coinvolge lo studio dei limiti di certe visioni metafisiche. Il gatto di Schrödinger, sospeso tra i due stati di vita e morte, è stato pensato per illustrare come l’intrico di sistemi conduca a fenomeni macroscopici che sfidano la nostra abituale comprensione delle relazioni tra gli oggetti e le loro proprietà: un organismo come un gatto è vivo o morto. Non esiste nessuna via di mezzo.

La maggior parte dei resoconti filosofici contemporanei sulla relazione tra gli oggetti e le loro proprietà abbracciano l’intrico unicamente dalla prospettiva della non-località spaziale.
Ma c’è ancora un lavoro significativo da fare per incorporare la non-località temporale non solo nelle discussioni sulle proprietà degli oggetti, ma anche nei dibattiti sulla composizione materiale (come la relazione tra un pezzo di argilla e la statua che forma) e le relazioni parziali (come una mano si riferisce a un arto, o un arto a una persona).

Ad esempio, il “rompicapo” di come le parti si adattano a un intero complessivo presuppone dei confini spaziali chiari tra i componenti sottostanti, tuttavia la non-località spaziale mette in guardia contro questa visione.

La non-località temporale complica ulteriormente questo quadro: come si descrive un’entità le cui parti costituenti non sono nemmeno coesistenti?

Discernere la natura dell’entanglement spesso è complicato. Non è chiaro quale metafisica sostanziale potrebbe emergere dal controllo di nuove affascinanti ricerche di studiosi come Megidish e altri fisici. In una lettera a Einstein, Schrödinger nota ironicamente (e dispiegando una strana metafora): “Si ha la sensazione che siano proprio le affermazioni più importanti della nuova teoria che possono davvero essere racchiuse in questi stivali spagnoli – ma solo con difficoltà“.

Non possiamo permetterci di ignorare la non-località spaziale o temporale nella metafisica futura: che gli stivali si adattino o no, dovremo indossarli.

Elise Crull è l’assistente professore di storia e filosofia della scienza al City College di New York. È co-autrice del prossimo libro “The ‘Einstein Paradox: dibattiti su nonlocalità e incompletezza nel 1935”.

L’articolo originale è stato pubblicato su Aeon ed è stato tradotto ed adattato in italiano sotto licensa Creative Commons.