Ci spiace, Einstein, ma la terrificante azione a distanza è reale

In un nuovo brillante esperimento, la comunità dei fisici ha confermato una delle leggi più misteriose del cosmo.

Gran parte della fisica che conosciamo, inclusa la relatività di Einstein, risponde al principio di “realismo locale”, una combinazione del Principio di Località (oggetti distanti non possono avere influenza istantanea l’uno sull’altro) e l’assunto “realistico” (tutti gli oggetti devono oggettivamente possedere dei valori preesistenti per ogni possibile misurazione prima che queste misurazioni vengano effettuate).

Ciò è vero per gran parte della fisica, tranne la meccanica quantistica. Questa affascinante branca della scienza, che per decenni ha sorpreso studiosi di tutte le discipline, dai filosofi ai fisici, dai chimici ai letterati, si pone in un universo di materia che non risponde ai criteri del realismo locale. È come se le leggi della fisica della realtà in cui viviamo siano governate da un mondo sottostante che non risponda a tali leggi.

«I tre presupposti rilevanti che riguardano il teorema di Bell sono: la località, il realismo e la libertà di scelta»

Rispetto al concetto di “realismo” la fisica quantistica sembra dire qualcosa di diverso: che l’atto di osservare il mondo può cambiarlo. Niels Bohr, una figura imponente nella meccanica quantistica, ha persino affermato che concetti come “la posizione dell’atomo” non hanno significato finché qualcuno non li misura. Se questo è vero, l’atto di osservazione altera e forse crea il mondo, esattamente l’opposto di una realtà indipendente. Fisici e filosofi hanno discusso l’interpretazione di Bohr della meccanica quantistica fin da quando fu pubblicata nel 1927.

Albert Einstein fu il maggiore oppositore dell’interpretazione di Bohr. In un dibattito durato diversi anni con il suo amico Bohr, Einstein ha articolato due principi che considerava fondamentali: il realismo, che postula che gli oggetti hanno proprietà ben definite anche quando non li guardiamo e la località, la quale afferma che gli oggetti possono essere influenzati solo dalle cause nelle loro immediate vicinanze, non con “azione a distanza”. La località è, tra le altre cose, importante per la teoria della relatività di Einstein, in cui il tempo e lo spazio dipendono dall’osservatore. Nella relatività, la località assicura che gli effetti vengano dopo, e non prima, delle loro cause.

Schema del Cosmic Bell Test

Nel 1964, John Bell, un fisico del CERN, tradusse le posizioni filosofiche di località e realismo di Einstein in una precisa descrizione matematica, chiamata “realismo locale”. Con questa formulazione dimostrò che la visione del mondo realistica locale di Einstein era incompatibile con la meccanica quantistica. Ciò significa che esistono esperimenti per i quali la meccanica quantistica fornisce una certa previsione, mentre qualsiasi altra teoria — che Einstein avrebbe invece approvato — fornisce una previsione diversa. Il lavoro di Bell ha così reso possibile testare in laboratorio quella che prima era stata una questione solo filosofica.

Potrebbe quindi non esserci modo di aggirare ciò che Albert Einstein chiamava “spooky action at a distance” (terrificante azione a distanza). Con un esperimento descritto in “Physical Review Letters” denominato Cosmic Bell Test,alcuni dei più importanti cosmologi e fisici quantistici del mondo hanno chiuso la porta a un’alternativa intrigante dell’entanglement quantistico.

Ma per apprezzare dovutamente i risultati dell’esperimento, occorre tornare alla formulazione matematica di John Bell: le disuguaglianze di Bell. In termini semplici, gli esperimenti relativi a queste disuguaglianze sono mirati a verificare se i fenomeni di fisica quantistica obbediscano o meno alle teorie del realismo locale: se — a seguito di un esperimento — un dato fenomeno rispetta le relazioni di disuguaglianza, esso soddisfa le condizioni di realismo e di località. I primi test sperimentali furono eseguiti all’inizio degli anni ’70, ma furono molto difficili e i vari esperimenti ottennero risultati contraddittori. Nel 1982, tuttavia, una nuova generazione di esperimenti mostrò chiaramente correlazioni troppo forti per essere spiegate dal realismo locale. Sembrava quindi che la meccanica quantistica avesse finalmente vinto il dibattito. Tuttavia emersero nuovi dubbi, sotto forma di cosiddette “scappatoie” (loopholes).

Oltre alla località e al realismo, infatti, Bell aveva stabilito un altro sottile assunto per ricavare la sua formula, ignorato per decenni. «I tre presupposti rilevanti che riguardano il teorema di Bell sono: la località, il realismo e la libertà di scelta», ha scritto Andrew Friedman del Massachusetts Institute of Technology, co-autore del citato esperimento. Cosa si intende per “libertà di scelta”?

Albert Einstein fu il maggiore oppositore dell’interpretazione di Bohr.

Durante un test di Bell, due fotoni “entangled” A e B sono separati e inviati a due modulatori ottici distanti, i quali possono bloccare o lasciar transitare i fotoni a seconda che i modulatori siano allineati o meno con le direzioni di polarizzazione dei fotoni. Di fondamentale importanza per la formula di Bell è che le impostazioni dei due modulatori siano indipendenti dagli stati delle particelle in esame. Durante gli esperimenti, i ricercatori usano tipicamente generatori di numeri casuali per impostare gli angoli di orientamento dei dispositivi, al fine di garantire la loro assoluta indipendenza. Tuttavia, se i modulatori non fossero effettivamente indipendenti — se la natura limitasse, in qualche modo, le possibili impostazioni che possono essere scelte, correlando queste con gli stati delle particelle nei momenti immediatamente prima dell’esperimento — questa ridotta libertà potrebbe giustificare i risultati che sono normalmente attribuiti all’entanglement quantistico, invalidando l’esperimento.

Per meglio intendere questo sottile problema fisico-filosofico, Friedman ha voluto descriverlo con una metafora: «L’universo potrebbe essere come un ristorante con dieci voci nel menu. Pensi di poter ordinare uno qualsiasi delle dieci pietanze, ma poi ti dicono “Abbiamo terminato il pollo” e si scopre che solo cinque delle cose presenti nel menu sono davvero disponibili. Hai ancora la libertà di scegliere tra i restanti cinque, ma hai limitato i tuoi gradi di libertà e la scelta non è indipendente o casuale».

Similmente, potrebbero esserci incognite, vincoli, condizioni al contorno, leggi di conservazione (in altri termini “variabili nascoste”) che potrebbero limitare inconsapevolmente le scelte quando si imposta un esperimento, portando ad apparenti violazioni del realismo locale, creando così l’illusione di un entanglement quantistico.

Qualche anno fa Andrew Friedman, Anton Zeilinger, Alan H. Guth e i loro collaboratori avviarono un’iniziativa congiunta tra il MIT, l’Università di Vienna e la NASA per sviluppare un’idea che potesse escludere con grande certezza qualunque intervento possibile della natura nella limitazione della causalità della scelta della misurazione.

Nel primo di una serie pianificata di esperimenti del “Cosmic Bell Test”, il team ha inviato coppie di fotoni entangled dal tetto del laboratorio di Zeilinger a Vienna verso due modulatori ottici posti su edifici distanti, secondo l’usuale ambiente di test del passato. Ma questa volta, hanno tentato di ridurre la possibilità che le impostazioni del modulatore potessero in qualche modo essere correlate agli stati dei fotoni negli istanti immediatamente precedenti ogni misurazione.

In che modo? Puntando due telescopi su altrettante stelle scelte a caso e, prima di ogni misurazione, usando il colore di un fotone in arrivo da ciascuna stella per impostare l’angolo del modulatore associato. I colori di questi fotoni erano stati decisi centinaia di anni fa, quando lasciarono le loro stelle, aumentando la possibilità che essi (e quindi le impostazioni di misurazione) fossero indipendenti dagli stati dei fotoni entangled in corso di misura. Anche in questo caso, gli scienziati hanno scoperto che i risultati delle misurazioni violavano ancora il limite superiore di Bell, confermando che i fotoni polarizzati nell’esperimento esibivano quell’”azione a distanza” che tanto aveva turbato Einstein.

La natura potrebbe ancora influenzare la libertà di scelta nella misurazione, ma in questo caso l’universo avrebbe dovuto correlare le possibili impostazioni dei modulatori almeno 600 anni prima che le misurazioni avessero luogo (quando la più vicina delle due stelle inviava la sua luce verso la Terra). In futuro, il team utilizzerà la luce di quasar sempre più distanti per controllare le loro impostazioni di misurazione, sondando più indietro nel tempo e dando all’universo una finestra ancora più piccola per preparare correlazioni tra le impostazioni del dispositivo e limitarne le libertà.

«Possiamo ridurre sempre più le “scappatoie” possibili della natura, confermando la teoria quantistica, oppure arrivare a qualcosa che potrebbe aprire le porta verso una nuova fisica»

È comunque sempre possibile (anche se estremamente improbabile) che il team riesca a trovare un punto di transizione in cui le impostazioni di misurazione diventano non correlate e le violazioni del limite di Bell scompaiono, il che proverebbe che Einstein aveva ragione a dubitare di un’azione a distanza. «In quel caso, per noi sarebbe comunque un grande successo», ha detto Friedman. «Possiamo ridurre sempre più le “scappatoie” possibili della natura, confermando la teoria quantistica, oppure arrivare a qualcosa che potrebbe aprire le porta verso una nuova fisica».

La seconda ipotesi potrebbe anche portare verso un’ultima possibilità che molti fisici tendono a disapprovare: potrebbe essere che l’universo avesse limitato la libertà di scelta fin dall’inizio — che ogni misura fosse predeterminata dalle correlazioni stabilite nel momento del Big Bang, la teoria del superdeterminismo. Tuttavia, data la scelta tra l’entanglement quantistico e il superdeterminismo, la maggior parte della comunità scientifica internazionale è d’accordo nel ritenere l’entanglement il fenomeno più corretto.

«Se le correlazioni fossero effettivamente state stabilite [al Big Bang], tutto sarebbe preordinato», ha scritto Jan-Åke Larsson, un fisico dell’Università svedese di Linköping. «Trovo questa una visione del mondo molto noiosa!». A seguito del Cosmic Bell Test, il New York Times ha così riassunto la situazione: “Sorry, Einstein. Quantum Study Suggests ‘Spooky Action’ Is Real.”


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