Fatti alternativi si stanno diffondendo come un virus in tutta la società. Ora sembra che abbiano persino infettato la scienza – almeno il regno quantico.
Questo può sembrare contro intuitivo. Dopo tutto, il metodo scientifico si basa su dati affidabili ricavati dall’osservazione, sulle misurazioni effettive e sulla ripetibilità. Un fatto, stabilito da una misurazione, dovrebbe essere oggettivo, in modo tale che tutti gli osservatori possano concordare con esso.
Ma in un articolo pubblicato su Science Advances, dimostriamo che, nel micro-mondo degli atomi e delle particelle, che è governato dalle strane regole della meccanica quantistica, due diversi osservatori hanno diritto ai propri fatti.
In altre parole, secondo la nostra migliore teoria sui mattoni della natura stessa, i fatti possono effettivamente essere soggettivi.
Gli osservatori sono potenti attori nel mondo quantistico. Secondo la teoria, le particelle possono trovarsi in più luoghi o stati contemporaneamente e questa si chiama sovrapposizione.
Ma stranamente, questo succede solo nel caso in non vengano osservate.
Nel momento in cui osservi un sistema quantistico, si seleziona una posizione o uno stato specifici, interrompendo la sovrapposizione. Il fatto che la natura si comporti in questo modo è stato dimostrato più volte in laboratorio, ad esempio nel famoso esperimento a doppia fenditura (vedi video sotto).
Nel 1961, il fisico Eugene Wigner propose un provocatorio esperimento mentale. Ha messo in dubbio cosa accadrebbe quando si applica la meccanica quantistica a un osservatore che si osserva da solo.
Immagina che un amico di Wigner lanci una moneta quantistica – che si trova in una sovrapposizione di testa e croce – all’interno di un laboratorio chiuso. Ogni volta che l’amico lancia la moneta, osserva un risultato definito. Possiamo dire che l’amico di Wigner dimostra un fatto: il risultato del lancio della moneta è sicuramente testa o croce.
Wigner non ha accesso a questo fatto dall’esterno e, secondo la meccanica quantistica, deve descrivere l’amico e la moneta come in una sovrapposizione di tutti i possibili risultati dell’esperimento. Questo perché sono “intrecciati”, cioè collegati in modo spettrale in modo che se manipoli l’uno, manipoli anche l’altro.
Wigner ora può in linea di principio verificare questa sovrapposizione utilizzando un cosiddetto “esperimento di interferenza“, un tipo di misurazione quantistica che consente di svelare la sovrapposizione di un intero sistema, confermando che due oggetti sono intrecciati.
Quando Wigner e l’amico confronteranno, in seguito, le loro osservazioni, l’amico insisterà nel vedere risultati definiti per ogni lancio di moneta. Wigner, tuttavia, non sarà d’accordo ogni volta che osserverà un amico e una moneta in una sovrapposizione.
Questo presenta un enigma. La realtà percepita dall’amico non può essere riconciliata con la realtà all’esterno.
Wigner inizialmente non considerava questo paradosso, sosteneva che sarebbe assurdo descrivere un osservatore cosciente come un oggetto quantico. Tuttavia, in seguito si allontanò da questa visione e, secondo i libri di testo formali sulla meccanica quantistica, la descrizione è perfettamente valida.
L’esperimento
Lo scenario è rimasto a lungo un interessante esperimento mentale.
Ma riflette la realtà?
Scientificamente, ci sono stati pochi progressi su questo fino a poco tempo fa, quando Časlav Brukner dell’Università di Vienna ha dimostrato che, secondo alcuni presupposti, l’idea di Wigner può essere utilizzata per dimostrare formalmente che le misurazioni nella meccanica quantistica sono soggettive per i diversi osservatori.
Brukner ha proposto un modo per testare questa nozione traducendo lo scenario dell’amico di Wigner in un quadro creato per la prima volta dal fisico John Bell nel 1964.
Brukner ha considerato due coppie di Wigner e amici, in due scatole separate, conducendo misurazioni su uno stato condiviso – dentro e fuori dalla rispettiva scatola.
I risultati possono essere riassunti per essere infine utilizzati per valutare una cosiddetta “disuguaglianza di Bell“. Se questa disuguaglianza viene violata, gli osservatori potrebbero avere osservato fatti alternativi.
Ora per la prima volta abbiamo eseguito questo test sperimentalmente presso l’Università Heriot-Watt di Edimburgo attraverso un computer quantistico su una piccola scala composta da tre coppie di fotoni intrecciati.
La prima coppia di fotoni rappresenta le monete e le altre due vengono utilizzate per eseguire il lancio della moneta – misurando la polarizzazione dei fotoni – all’interno della rispettiva scatola. Al di fuori delle due caselle, rimangono due fotoni su ciascun lato che possono anche essere misurati.
Nonostante che abbiamo utilizzato tecnologia quantistica all’avanguardia, ci sono volute settimane per raccogliere dati sufficienti da soli sei fotoni per generare statistiche sufficienti. Ma alla fine siamo riusciti a dimostrare che la meccanica quantistica potrebbe effettivamente essere incompatibile con l’assunzione di fatti oggettivi: abbiamo violato la disuguaglianza.
La teoria, tuttavia, si basa su alcuni presupposti. Questi includono che i risultati della misurazione non siano influenzati dai segnali che viaggiano al di sopra della velocità della luce e che gli osservatori siano liberi di scegliere quali misure effettuare. Questo può o non può essere il caso.
Un’altra domanda importante è se i singoli fotoni possono essere considerati osservatori.
Nella proposta di teoria di Brukner, gli osservatori non devono essere consapevoli, devono semplicemente essere in grado di stabilire fatti sotto forma di un risultato di misurazione.
Un rivelatore inanimato sarebbe quindi un osservatore valido.
E la meccanica quantistica dei libri di testo non ci dà alcuna ragione per credere che un rivelatore, che può essere piccolo come pochi atomi, non dovrebbe essere descritto come un oggetto quantico proprio come un fotone. Potrebbe anche essere possibile che la meccanica quantistica standard non si applichi a grandi scale di lunghezza, ma testare questo è un problema separato.
Questo esperimento mostra quindi che, almeno per i modelli locali di meccanica quantistica, dobbiamo ripensare la nostra nozione di obiettività.
I fatti che sperimentiamo nel nostro mondo macroscopico sembrano rimanere sicuri, ma sorge una grande domanda su come le interpretazioni esistenti della meccanica quantistica possano accogliere fatti soggettivi.
Alcuni fisici vedono questi nuovi sviluppi come interpretazioni a sostegno di ipotesi che consentono a più di un risultato di verificarsi per un’osservazione, ad esempio l’esistenza di universi paralleli in cui ogni risultato si verifica.
Altri lo vedono come prove convincenti per teorie intrinsecamente dipendenti dall’osservatore come il bayesianesimo quantistico, in cui le azioni e le esperienze di un agente sono preoccupazioni centrali della teoria. Ma altri ancora lo considerano un forte indicatore che, forse, la meccanica quantistica non funzionerà al di sopra di certe scale di complessità.
Chiaramente queste sono tutte domande profondamente filosofiche sulla natura fondamentale della realtà. Qualunque sia la risposta, ci attende un futuro interessante.
Alessandro Fedrizzi, Professore di Fisica Quantistica, Università Heriot-Watt e Massimiliano Proietti, Dottorando in Fisica Quantistica, Università Heriot-Watt.
Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l’articolo originale.
