Un paradosso della fisica quantistica dimostra che non siamo reali

Da oltre 100 anni, la fisica quantistica ha messo in discussione tutto quello che credevamo di sapere sulla fisica. Tutto è fatto solo di onde e onde se si guarda abbastanza da vicino? Quanto lontano può essere allungato un entanglement? È abbastanza lungo da consentire le telecomunicazioni quantistiche in tutto il mondo?

La rivoluzione della fisica quantistica

Queste domande non si placano quando si parla di realtà o realismo. Sappiamo che una particella quantistica non ha un vero stato finché non viene osservata (à la Schrödinger’s cat), ma la domanda dietro questo fatto persiste per tutte le cose esistenti: un oggetto ha ancora delle proprietà quando queste proprietà non vengono osservate?

A un certo punto, questa domanda fondamentale diventa intrecciata con un concetto aggiuntivo chiamato località. La località descrive se un oggetto è influenzato o meno da qualcosa di più del suo ambiente fisico immediato. Se sono in gioco forze più grandi o più complesse, ciò potrebbe influenzare principi come la causalità e persino il libero arbitrio.

L’iconica descrizione di Albert Einstein “azione spettrale a distanza” riguarda l’opposto della località. Persino la gravità non è un’azione a distanza: ora è descritta come il risultato di campi di forza sovrapposti di molte dimensioni.

Fisica quantistica: il paradosso di Hardy

Tutto questo ci porta all’idea del paradosso di Hardy. Sebbene possa sembrare arido, le sue implicazioni hanno ramificazioni su quanto sia reale il nostro Universo e cosa significhi il termine “realtà”.

In una nuova ricerca, gli scienziati in Cina affermano di aver trovato un modo per osservare questo esercizio di pensiero paradossale nella fisica quantistica senza nessuna delle scappatoie che hanno potenzialmente compromesso gli esperimenti passati. I risultati sono stati pubblicati nella rivista peer-reviewed Physical Review Letters.

Lucien Hardy è un fisico che lavora presso il Perimeter Institute for Theoretical Physics nella periferia di Toronto, Ontario. Come specialista in fisica quantistica, Hardy ha trascorso la sua lunga carriera cercando di raggiungere e perfezionare i confini dell’intera forma della fisica quantistica, incluso il modo in cui i principi matematici che la supportano interagiscono con le teorie molto reali e applicate che descrivono il nostro Universo.

Nel 1992, Hardy ha iniziato a formulare un paradosso relativo a particelle e antiparticelle. Certe interazioni in fisica causano la creazione e il lancio in direzioni opposte di una particella e della sua antiparticella corrispondente.

Queste due sono destinate l’una all’altra, però, e proprio come Romeo e Giulietta, il loro legame causa inevitabilmente l’annientamento di entrambe: dopo la più piccola frazione di secondo, si riuniscono e si distruggono a vicenda. Quello che Hardy ha postulato è uno scenario in cui la particella e l’antiparticella potrebbero coesistere senza annientamento.

Hardy sapeva che impostare e misurare un’interazione del genere avrebbe introdotto variabili che avrebbero minacciato l’integrità dell’interazione stessa e, di conseguenza, interazioni come questa potevano essere osservate solo a posteriori, utilizzando la probabilità anziché l’osservazione. Anche questa è una domanda fondamentale della fisica quantistica: come può un campo di studio che produce solo probabilità funzionare insieme al paradigma basato sull’osservazione della fisica classica?

Gli scienziati che hanno lavorato a questa nuova ricerca, con sede principalmente presso l’Università di Scienza e Tecnologia della Cina nella città di Hefei, nell’estremo oriente, che è anche la sede dell’impianto di fusione nucleare tokamak EAST, hanno progettato un esperimento che, a loro dire, elimina le variabili di scappatoia di altre configurazioni.

Al centro, si tratta di una serie elaborata di specchi, laser, cristalli, splitter e piastre, combinati con un generatore di numeri casuali. Per garantire che i numeri siano veramente casuali, le cifre sono state generate così rapidamente che non avrebbero potuto essere influenzate da alcuna “variabile nascosta locale” associata alla località.

Dopo oltre sei ore di esecuzione di questa configurazione, con l’obiettivo di dividere i fotoni e neutralizzare ogni possibilità di scappatoie, gli scienziati hanno affermato che i loro dati sono molto chiari (sebbene, comunque probabilistici).

“Sulla base di un test di ipotesi nulla“, hanno scritto nello studio: “Il valore p che la possibilità che i nostri risultati possano essere spiegati da teorie realistiche locali non supera 10−16348“.

Gli scienziati hanno aggiunto che questo rafforza il crescente consenso secondo cui il realismo locale non è sufficiente a spiegare le questioni in sospeso della fisica quantistica. La loro conclusione non è nuova: il premio Nobel per la fisica del 2022 è stato assegnato a tre scienziati che hanno utilizzato fotoni entangled per “rovesciare la realtà come la conosciamo”, ha spiegato Scientific American.

Conclusioni

Il più grande successo di questi nuovi ricercatori è il loro apparato sperimentale. Torcendo e regolando la loro fontana di fotoni, hanno mantenuto abbastanza efficienza e fedeltà per misurare ciò che dovevano misurare, eliminando al contempo l’influenza delle variabili locali. I risultati supportano l’irrealtà locale, per così dire, ma gettano anche ulteriori basi per le persone che usano la fisica quantistica per progettare la teoria dell’informazione e i sistemi applicati. Quelle cose, almeno, sono reali e in crescita.