Fisica Quantistica: Perché il Mondo dei Quanti si Comporta in quel Modo Strano e Spettrale? Ecco la Nostra Semplice Spiegazione in Quattro Passaggi

Se al termine della lettura non avete capito nulla… vuol dire che avete perfettamente compreso il suo contenuto….

……questa è la fisica quantistica!

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Fisica Quantistica ed il Mondo dei Quanti

Quasi un secolo fa, la fisica ha prodotto un bambino problematico, dal successo sorprendente ma profondamente sconcertante. Ora, giusto in tempo per il suo centesimo compleanno, pensiamo di aver trovato una semplice diagnosi della sua eccentricità centrale.

Questo strano ragazzo prodigio era la “meccanica quantistica” (MQ), una nuova teoria del comportamento della materia e della luce a livello submicroscopico. Negli anni Venti, i componenti della MQ furono assemblati da fisici come Werner Heisenberg ed Erwin Schrödinger. Insieme alla teoria della relatività di Albert Einstein, divenne uno dei due grandi pilastri della fisica moderna.

I pionieri della MQ si resero conto che il nuovo mondo che avevano scoperto era davvero molto strano rispetto alla fisica classica (pre-quantistica) che avevano imparato a scuola. Oggi questa stranezza è familiare ai fisici e sempre più utile per tecnologie come l’informatica quantistica.

Questa stranezza ha un nome si chiama entanglement ma è ancora poco conosciuta. Perché il mondo quantistico si comporta in modo così strano? Pensiamo di aver risolto un pezzo centrale di questo puzzle.

L’entanglement è stato chiaramente descritto e nominato per la prima volta nel 1935 dal fisico austriaco Erwin Schrödinger. Egli sottolineò che, dopo l’interazione di due particelle quantistiche, esse non potevano più essere considerate indipendenti l’una dall’altra, come avrebbe permesso la fisica classica. Come afferma il fisico statunitense contemporaneo Leonard Susskind nella prefazione di Quantum Mechanics: The Theoretical Minimum (2014), “si può sapere tutto di un sistema e niente delle sue singole parti”.

Ecco una semplice analogia. Se vogliamo dare una descrizione completa dello stato attuale di una partita di poker a due mani, per esempio, ci limitiamo a dare una descrizione delle due mani di cinque carte. Cosa c’è di più ovvio? Ma nella MQ, per qualche motivo, l’ovvietà non funziona.

Schrödinger disse che, in generale, la descrizione quantistica delle due particelle è “impigliata”, e il nome è rimasto. Come dice lui stesso: Quando due corpi separati, ciascuno dei quali è conosciuto al massimo, interagiscono e poi si separano di nuovo, si verifica spesso un tale intreccio di conoscenze”.

La stranezza dell’entanglement non era immediatamente evidente.

Schrödinger concluse altrove che l’entanglement non è “uno, ma piuttosto il tratto caratteristico della meccanica quantistica”. Molti fisici sono ora d’accordo. Susskind dice che è “il fatto essenziale della meccanica quantistica”, mentre nelle sue Lectures on Quantum Mechanics (2013), Steven Weinberg scrive che è “forse la sua caratteristica più strana”.

La stranezza dell’entanglement non fu immediatamente evidente e lo stesso Schrödinger non visse abbastanza per vederla. Per lui, la sua stranezza era il divieto di descrivere un sistema di due particelle attraverso le sue parti. Pensava che questo avesse conseguenze importanti, soprattutto perché sfatava quella che era diventata la visione ortodossa di ciò che la MQ ci dice sul micromondo.

Questa visione ortodossa era la cosiddetta Interpretazione di Copenhagen, proposta dal fisico danese Niels Bohr. Bohr sosteneva che non aveva senso pensare che i sistemi quantistici avessero proprietà definite prima di essere misurati. Come Einstein prima di lui, Schrödinger pensava che l’entanglement dimostrasse che Bohr si sbagliava.

Per comprendere l’argomentazione di Einstein-Schrödinger, si considerino le due mani di poker, ora con alcune carte a faccia in giù, nascoste alla vista. Lo stato di questo gioco non può più essere descritto in termini di carte conosciute (quelle girate a faccia in su). Almeno in apparenza, ciò assomiglia all’entanglement: un sistema quantistico completo non può essere descritto in termini di ciò che si conosce dei suoi pezzi.

Inoltre, quando viene rivelata una carta in più su un lato, cambia la nostra conoscenza dell’altra mano. Se la regina di cuori viene rivelata nella mano di sinistra, ad esempio, sappiamo che non è una delle carte nascoste nella mano di destra. La stessa cosa vale per le particelle entangled. L’osservazione di una ci dà nuove conoscenze sull’altra, anche se è molto lontana.

Einstein e Schrödinger sostennero che ciò significava che all’interno di questi sistemi quantistici si nascondeva qualcosa prima della misurazione, qualcosa che non era pienamente descritto dalla MQ e che non era ammesso dalla visione di Bohr. Essi sostenevano che, se la misurazione di una particella vicina ci insegna un fatto nuovo su una particella lontana, questo nuovo fatto doveva già esistere, anche se la migliore descrizione della MQ non lo includeva.

L’alternativa sarebbe che la misurazione vicina modifica in qualche modo la particella remota. Schrödinger pensava che questo fosse assurdo: “Le misure su sistemi separati non possono influenzarsi direttamente l’un l’altro, sarebbe magia [sottolineatura nostra]”.

Per il vero credente si tratta di un dolce cuscino da cui non si riesce a liberarlo molto facilmente”.

Schrödinger morì a Vienna nel 1961. Solo tre anni dopo, il fisico nordirlandese John Stewart Bell sostenne che, se le previsioni della MQ sono corrette, la magia di Schrödinger si verifica davvero. Quando abbiamo particelle aggrovigliate, le misure su una di esse possono avere un effetto sottile sull’altra, anche se in linea di principio potrebbero essere distanti anni luce.

Bell chiamò questa magia nonlocalità. Oggi viene spesso associata alla frase di Einstein “azione spettrale a distanza”, sebbene anche Einstein non sia vissuto per vedere il risultato di Bell. (Quando Einstein si lamentò dell’azione spettrale a distanza, in una lettera del 1947 al fisico Max Born, aveva in mente un’altra strana caratteristica dell’interpretazione ortodossa della MQ).

L’importanza dell’argomento di Bell richiese un po’ di tempo per essere recepita. Il campo dovette prima scrollarsi di dosso quella che Einstein nel 1928, scrivendo a Schrödinger, definì la “filosofia tranquillizzante di Heisenberg-Bohr… così delicatamente congegnata che, per il momento, fornisce al vero credente un dolce cuscino dal quale non può essere facilmente destato”.

Ma gradualmente, nella seconda metà del secolo quantistico, l’entanglement è diventato una delle principali preoccupazioni del campo. Oggi è assolutamente centrale, dal punto di vista teorico, sperimentale e, sempre più, tecnologico. L’entanglement è ciò che rende i computer quantistici diversi dai loro cugini classici, ad esempio. Una delle principali motivazioni di questo cambiamento è stato il lavoro di Bell. Come ha detto il fisico Krister Shalm a Quanta Magazine nel 2021: “La rivoluzione quantistica che sta avvenendo ora, e tutte queste tecnologie quantistiche, sono al 100% merito del teorema di Bell”.

Bell aveva sostenuto che, se le previsioni della MQ erano corrette, la non località era inevitabile. Ma le previsioni erano corrette? Per rispondere a questa domanda erano necessari alcuni esperimenti molto sottili e difficili, che coinvolgevano sistemi di due particelle simili a quelli che Schrödinger aveva discusso nel 1935. Poiché erano ispirati al lavoro di Bell, vennero chiamati “esperimenti di Bell”.

La maggior parte degli esperimenti di Bell utilizza i fotoni, i componenti quantistici fondamentali della luce. Vengono prodotte coppie di fotoni insieme, con le loro proprietà aggrovigliate nel modo descritto da Schrödinger. Ogni fotone viene inviato a uno dei due fisici, convenzionalmente chiamati Alice e Bob. Alice e Bob scelgono ciascuno una delle diverse misurazioni disponibili – questo si chiama scegliere un’impostazione di misura.

Ogni misurazione produce un risultato, che può essere un 1 o uno 0, a seconda del modo in cui il fotone esce dal dispositivo di misurazione. Ogni esecuzione dell’esperimento produce quindi quattro numeri: le due impostazioni e i due risultati. Ripetuto più volte, l’esperimento genera una lunga tabella di risultati, con questi quattro numeri in ogni riga.

Bell si rese conto che questi risultati sperimentali, previsti dalla MQ, apparivano piuttosto strani. Così strani, infatti, che con poche ipotesi aggiuntive poteva dimostrare che i risultati erano impossibili. L’ipotesi principale era che la magia di Schrödinger non fosse ammessa Bell chiamò questa ipotesi località. Quindi, se le previsioni della MQ fossero corrette, sarebbe una cattiva notizia per la località (e una buona notizia per la magia).

Questo è il vero problema della teoria quantistica: il conflitto apparentemente essenziale [con] la relatività fondamentale”.

Ci sono voluti diversi decenni, ma ora sappiamo che la MQ è effettivamente corretta. Alcuni degli esperimenti di Bell più convincenti sono stati condotti solo nel 2015. Nel 2022, in coincidenza con il decennio dei centenari quantistici, il Premio Nobel per la Fisica è stato assegnato a tre pionieri di questi esperimenti: Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger. Come si legge nella motivazione del Nobel, il premio ha riconosciuto i loro “esperimenti con fotoni entangled, che hanno stabilito la violazione delle disuguaglianze di Bell e sono stati pionieri della scienza dell’informazione quantistica”.

Combinata con questi esperimenti, l’analisi di Bell sembra implicare il tipo di azione magica a distanza che Einstein e Schrödinger consideravano assurda. Uno dei motivi per cui si pensava che fosse assurda era che sembrava scontrarsi con un principio fondamentale della teoria della relatività di Einstein, ossia che nulla potesse andare più veloce della luce.

Bell era ben consapevole di questa tensione e nel 1984 disse che c’era “un’apparente incompatibilità, al livello più profondo”, tra la MQ e la relatività. Per me, allora”, disse, “questo è il vero problema della teoria quantistica: il conflitto apparentemente essenziale [con] la relatività fondamentale”. Quarant’anni dopo, questo conflitto non è stato risolto.

Il lavoro di Aspect, Clauser e Zeilinger e di molti altri conferma certamente che l’entanglement è reale. Come ha detto lo stesso Aspect nel suo discorso al banchetto del Premio Nobel: “L’entanglement è confermato nei suoi aspetti più strani”. Ma gli esperimenti non ci dicono cosa sia l’entanglement, né da dove provenga. In questo senso, l’entanglement rimane misterioso come sempre. Perché il mondo è messo insieme in questo strano modo?

La nostra ricerca suggerisce una risposta sorprendentemente semplice. La nostra ricetta per produrre l’entanglement utilizza solo quattro ingredienti. Tutti questi ingredienti sono disponibili a portata di mano (anche se, in un caso, da un angolo remoto dello scaffale). Per quanto ne sappiamo, non è mai stato notato in precedenza che possono essere combinati in questo modo, per gettare nuova luce sulla caratteristica più strana del mondo quantistico.

Cominciamo con l’ingrediente principale. Chiamato collider bias, è ben noto agli scienziati che utilizzano le statistiche in campi come la sociologia, la psicologia e la medicina. Uno dei primi autori a descriverlo chiaramente è stato Joseph Berkson, fisico, medico e statistico della Mayo Clinic. Negli anni ’40, Berkson notò un’importante fonte di errore nel ragionamento statistico utilizzato in medicina. In alcune circostanze, la selezione di un campione di pazienti produce correlazioni fuorvianti tra le loro condizioni mediche.

Semplificando l’esempio di Berkson, immaginiamo che tutti i pazienti ricoverati nel reparto C dell’ospedale abbiano sintomi simili, causati da una delle due rare infezioni, il virus A o il virus B. Il reparto C è specializzato nel trattamento di questi sintomi, quindi tutti i suoi pazienti hanno almeno una di queste malattie. Alcuni possono averle entrambe, ma tutti i pazienti del reparto che non hanno il virus A sono certi di avere il virus B e viceversa.

Prese al valore nominale, queste correlazioni potrebbero suggerire che evitare un virus causa l’infezione dell’altro. Ma Berkson ha sottolineato che questa apparente connessione causale non è reale. È un artefatto del modo in cui è stato selezionato il campione. I pazienti del reparto C sono un campione molto distorto. Nella popolazione generale, il vaccino per il virus A non aumenta la probabilità di contrarre il virus B.

Ciò significa che se un paziente del reparto C con il virus A dice a se stesso: “Sono nel reparto C, quindi, se non avessi preso il virus A, avrei preso il virus B”, sta commettendo un errore. Se non avesse preso il virus A, (molto probabilmente) non avrebbe avuto nessuno dei due virus e non sarebbe stato ricoverato nel reparto.

Può sembrare che queste cause si influenzino a vicenda, ma non è così.

Questo effetto statistico è oggi chiamato bias di Berkson o bias di collisione. Il termine collisione deriva dalla modellazione causale, la scienza che si occupa di dedurre le cause dai dati statistici. I modellatori causali utilizzano diagrammi chiamati grafi aciclici diretti (DAG), costituiti da nodi collegati da frecce. I nodi rappresentano eventi o stati di cose e le frecce rappresentano le connessioni causali tra questi eventi. Quando un evento ha due cause indipendenti, viene mostrato in un DAG come un nodo in cui due frecce si “scontrano”. Questo è mostrato nella Figura 1, dove il ricovero nel reparto C ha due cause che contribuiscono all’evento, dovute ai due tipi di infezione virale.

Se osserviamo un campione di casi in cui si verifica l’evento di collisione, noteremo spesso una correlazione tra le due cause indipendenti. Può sembrare che queste cause si influenzino a vicenda, ma non è così. Si tratta di un artefatto di selezione, come dicono i modellatori causali. Questo è il bias del collisore. La correlazione deriva dal modo in cui l’evento al collisore dipende dalle due cause: nel nostro semplice esempio, aveva bisogno di una causa o dell’altra.

Vogliamo portare il collider bias nella direzione della fisica – in definitiva, nella direzione degli esperimenti per i quali Aspect, Clauser e Zeilinger hanno vinto il premio Nobel. Vogliamo proporre una spiegazione di ciò che potrebbe accadere in quegli esperimenti e in altri casi di entanglement quantistico.

Ci arriveremo attraverso una serie di esempi giocattolo. Per il primo, immaginiamo che due fisici, Alice e Bob, giochino a Sasso, Carta, Forbici. Per chi non conoscesse le regole di questo gioco, a ogni turno Alice e Bob scelgono ciascuno una delle tre opzioni e inviano le loro chiamate a un terzo osservatore, Charlie. Come nella versione abituale del gioco, sasso batte forbice, forbice batte carta e carta batte sasso. Charlie fa un elenco dei risultati: Alice vince, Bob vince o è un pareggio.

Supponiamo che a Charlie piaccia Alice e non piaccia Bob. Pertanto segue la politica di buttare via la maggior parte dei risultati quando Bob vince. Nei restanti risultati “ufficiali”, Alice vince molto più spesso di Bob. La correlazione appare come se Alice avesse una qualche influenza sulla scelta di Bob, come se Alice scegliendo le forbici rendesse molto meno probabile che Bob scelga il sasso, e così via. Se Alice e Bob sono molto distanti, questo potrebbe sembrare una magia di Schrödinger. Ma non c’è una vera e propria causalità tra Alice e Bob. Si tratta solo di una distorsione del collisore. Data la politica di Charlie, l’evento al collisore – se conserva o butta via il risultato – è influenzato sia dalla scelta di Alice che da quella di Bob, dando luogo allo stesso tipo di frecce convergenti della Figura 1 di cui sopra.

Supponiamo che in un particolare round del gioco Alice scelga la carta e Bob la roccia. Come nel caso medico, Alice commetterebbe un errore se dicesse: “Se avessi scelto le forbici, Bob probabilmente non avrebbe scelto il sasso”. La cosa giusta da dire è: “Se avessi scelto le forbici, Charlie avrebbe probabilmente scartato il risultato quindi la mia scelta può aver fatto la differenza nella decisione di Charlie, ma non ha fatto la differenza nella scelta di Bob”.

Passiamo ora al secondo ingrediente. È il meno familiare di tutti, anche se anch’esso si trova già sullo scaffale, se si sa dove cercarlo. Non ha un nome conosciuto, al di fuori del nostro lavoro. Noi lo chiamiamo “vincolo di un collisore”. Utilizzeremo il gioco Sasso, carta, forbice per spiegare di cosa si tratta.

Nella versione del gioco appena descritta, Charlie poteva favorire Alice solo scartando alcuni risultati. Vediamo cosa succede se trucchiamo il gioco a favore di Alice, senza scartare alcun risultato. Nel nostro mondo, questo non accadrà naturalmente, quindi, per ora, immaginiamo che avvenga in modo soprannaturale. Supponiamo che anche a Dio piaccia Alice più di Bob, quindi modifica la realtà per darle un vantaggio. Forse organizza le cose in modo che lei non perda mai quando gioca la domenica.

Come fa Dio? Non è importante per la nostra storia, che a questo punto non ha bisogno di essere realistica, ma ecco una possibilità. In un universo cosiddetto “deterministico”, tutto ciò che accade è determinato dalle condizioni iniziali all’inizio del tempo. Se Dio può scegliere le condizioni iniziali e (basandosi sulla sua prescienza divina) sa esattamente cosa ne consegue, può semplicemente scegliere le condizioni iniziali in modo che Alice non perda mai la domenica.

I lettori che preferiscono una versione senza Dio potrebbero immaginare che Alice e Bob vivano in una simulazione e che la superintelligenza artificiale (ASI) che gestisce la simulazione favorisca Alice la domenica. Alcuni pensatori seri hanno suggerito che noi stessi potremmo vivere in una simulazione, quindi sarebbe affrettato dire che questa versione è inconcepibile.

La domenica Alice non può perdere, quindi se avesse scelto le forbici, Bob non avrebbe potuto scegliere il sasso.

Ora possiamo spiegare la nostra terminologia. In un caso come questo, diciamo che Dio (o l’ASI) vincola il collisore solo di domenica, in questa versione della storia. Un collisore è limitato se qualcosa impedisce alcune delle possibilità che sarebbero normalmente consentite (come la vittoria di Bob, nel nostro esempio).

Per capire che differenza fa, pensate a un round del gioco in cui Alice sceglie la carta e Bob il sasso. Alice commette ancora un errore se dice: “Se avessi scelto le forbici, Bob non avrebbe scelto il sasso”?

Ora dipende dal giorno della settimana. Questo è ancora un errore dal lunedì al sabato. In quei giorni, la cosa giusta da dire per Alice è: “Se avessi scelto le forbici, Bob avrebbe comunque scelto il sasso (e io avrei perso)”. Ma la domenica è diversa. La domenica Alice non può perdere, quindi se avesse scelto le forbici, Bob non avrebbe potuto scegliere il sasso.

Supponiamo che Alice sappia che il gioco funziona in questo modo. Forse l’ha capito dopo anni di esperimenti e ora si guadagna da vivere come giocatrice d’azzardo, lavorando un giorno alla settimana. Dal suo punto di vista, sembra che possa controllare le scelte di Bob (anche se solo la domenica). Scegliendo le forbici, può impedire a Bob di scegliere il sasso, e così via.

Con un collisore vincolato, quindi, avremmo qualcosa che assomiglia molto alla causalità attraverso il collisore, da una delle due cause in entrata all’altra. È vero, sarebbe un tipo di causalità molto strano. Per prima cosa, funzionerebbe anche nell’altro senso, da Bob ad Alice (anche se meno felicemente, dal suo punto di vista). Scegliendo il sasso di domenica, Bob potrebbe impedire ad Alice di scegliere le forbici, e così via.

Per i nostri scopi, non è importante che si tratti di una vera causalità, e nemmeno che la domanda abbia senso. Potremmo ancora parlare di Alice e Bob come di scelte libere, per esempio, se le scelte sono collegate in questo modo?

Pensiamo che l’entanglement stesso sia una connessione attraverso un collisore limitato.

Dall’esempio precedente traiamo la seguente lezione: se le cause naturali vincolassero un collisore, dovremmo aspettarci di trovare un nuovo tipo di dipendenza tra le cause normalmente indipendenti che alimentano quel collisore. Chiamiamo questo nuovo tipo di relazione connessione attraverso un collisore vincolato (CCC).

Come abbiamo detto, abbiamo inventato il termine “collisore vincolato”. Per quanto ne sappiamo, l’idea non è mai stata discussa esplicitamente prima, né in fisica né nella modellazione causale. Ma è già presente, nel senso che c’è almeno un luogo in fisica in cui quello che chiamiamo CCC è stato effettivamente proposto: è stato suggerito come chiave per risolvere il cosiddetto paradosso dell’informazione del buco nero dai fisici Juan Maldacena e Gary Horowitz.

L’antefatto è che Stephen Hawking ha scoperto un processo, oggi chiamato radiazione di Hawking, attraverso il quale tutti i buchi neri finiscono per evaporare nel nulla. Inizialmente pensava che questo processo sarebbe stato casuale, impedendo la fuga delle informazioni che erano cadute nel buco nero. Alcuni fisici non erano d’accordo e nel 1997, insieme a Kip Thorne e John Preskill, Hawking fece una scommessa pubblica sulla questione. Hawking e Thorne si schierarono da una parte (contro la fuga di informazioni) e Preskill dall’altra. (Alla fine Hawking ammise che Preskill aveva vinto).

Nel 2004, Maldacena e Horowitz hanno proposto un nuovo modo per far fuggire l’informazione da un buco nero. Nella nostra nuova terminologia, hanno suggerito che un collisore all’interno del buco nero è vincolato da una speciale “condizione limite di stato finale” in quel punto. Essi suggeriscono che questo crea un percorso causale a zig-zag attraverso il tempo, lungo il quale l’informazione può sfuggire da un buco nero. Nei nostri termini, si tratterebbe di una connessione attraverso il collisore vincolato.

Discutendo l’ipotesi di Maldacena-Horowitz nel 2021, il fisico di Cambridge Malcolm Perry ha affermato che:

L’interno del buco nero è quindi uno strano luogo in cui le nozioni classiche di causalità… sono violate. Questo non ha importanza finché all’esterno del buco nero tali patologie non ci preoccupano.

La nostra proposta è che “tali patologie” sono esattamente ciò che ci preoccupa nella MQ, fin dal 1935. Pensiamo che l’entanglement stesso sia una connessione attraverso un collisore vincolato. Per spiegare come ciò possa avvenire e per introdurre i due ingredienti rimanenti, dobbiamo avvicinarci alla fisica del mondo quantistico.

Come si è detto, molti esperimenti di Bell hanno confermato le strane correlazioni, previste dalla MQ che mostra come il mondo quantistico sia inevitabilmente non locale. Dato che queste cosiddette correlazioni di Bell sono state così importanti da vincere il Premio Nobel, i lettori potrebbero essere sorpresi di sapere che possono essere facilmente riprodotte in una versione del nostro gioco Sasso, carta, forbice. L’unica modifica necessaria è che Alice e Bob lancino una moneta prima di fare la loro scelta.

In questa variante – chiamiamola sasso, carta, forbice quantistica – Alice e Bob inviano ciascuno due informazioni a Charlie: la loro scelta di sasso, carta o forbice e il risultato del lancio della moneta. Charlie riceve quindi quattro valori, due scelte e due risultati della moneta. Si tratta esattamente della stessa quantità di informazioni generate in ogni esecuzione di un esperimento di Bell.

In un esperimento quantistico di sasso, carta, forbice, è molto facile per Charlie impostare un filtro, conservando alcuni risultati e scartandone altri, per assicurarsi che l’insieme dei risultati conservati soddisfi le correlazioni di Bell. Usando il filtro giusto, Charlie può assicurarsi che i risultati selezionati assomiglino esattamente ai dati generati nei veri esperimenti di Bell. Per esempio, per corrispondere a un tipo di esperimento di Bell, il filtro di Charlie specifica che, quando le impostazioni sono uguali, i due risultati devono essere diversi; e che, quando le impostazioni sono diverse, i risultati sono uguali il 75% delle volte.

Questo non significa che ci sia una sorta di strana magia non locale nel sasso, carta, forbice quantistico, naturalmente. Come nella versione precedente, le correlazioni sono semplicemente un artefatto di selezione, un risultato della distorsione del collisore.

C’è una grande differenza tra il sasso, carta, forbice quantistico e i veri esperimenti di Bell.

A questo punto potremmo reintrodurre Dio o un ASI, per aggiungere un collisore vincolato al sasso, carta, forbice quantistico. Ci sarebbe una differenza interessante rispetto al gioco originale. In quel caso, l’effetto del vincolo era quello di dare ad Alice e Bob il controllo sulle scelte dell’altro, rendendo difficile sostenere che entrambi avessero libertà di scelta. Nel gioco quantistico Sasso, carta, forbice, come negli analoghi esperimenti reali di Bell, questo problema viene meno: Alice e Bob hanno una certa influenza sul risultato del lancio della moneta dell’altro, ma possiamo ancora considerare le loro scelte come completamente libere.

C’è però una grande differenza tra il sasso, carta, forbice quantistico e i veri esperimenti di Bell, che non abbiamo ancora menzionato. Nel sasso, carta, forbice quantistico, Alice e Bob inviano le loro scelte a Charlie dopo averle fatte. In un diagramma dello spaziotempo con il tempo che corre sull’asse verticale, la struttura assomiglia a una lettera V rovesciata si veda il lato sinistro della Figura 2 qui sotto. Diremo che casi come questo sono “a forma di ∧”.

Nei veri esperimenti di Bell, Alice e Bob ricevono le loro particelle dalla sorgente, che le emette prima nel tempo. Quindi la struttura appare come ∨, come nel lato destro della Figura 2 diremo che sono “a forma di ∨”.

Figura 2: la differenza tra esperimenti a forma di ∧ e a forma di ∨

Possiamo capovolgere il sasso, carta, forbice quantistico per renderlo anch’esso a forma di ∨? Potrebbe sembrare facile. Possiamo fare in modo che Charlie lanci le due monete e le invii ad Alice e Bob, in modo che i risultati (testa o croce) diventino i risultati delle misure di Alice e Bob.

Ma se ci limitiamo a questo, Charlie non saprà quali scelte faranno Alice e Bob quando invierà le monete. Ciò significa che non c’è modo di influenzare i risultati, come potrebbe fare nel caso a forma di ∧. In altre parole, Charlie non può produrre le correlazioni di Bell.

Ma supponiamo di far sapere a Charlie in anticipo quali scelte faranno Alice e Bob – ad esempio, gli diamo una sfera di cristallo. Allora è molto facile per lui gestire le monete in modo che i risultati netti, raccolti in molte partite, soddisfino le correlazioni di Bell. Il trucco è che Charlie lanci una moneta e poi scelga il risultato dell’altra moneta in base a una regola che tenga conto delle scelte future di Alice e Bob. La regola di cui ha bisogno è la stessa della versione a forma di ∧ del gioco. Quando le impostazioni di Alice e Bob sono uguali, invia loro risultati diversi; quando le impostazioni sono diverse, invia i risultati della stessa moneta il 75% delle volte.

Poniamo la stessa domanda che abbiamo fatto per la versione a forma di ∧. Il nuovo caso a forma di ∨ implica una sorta di magia non locale da Alice a Bob e viceversa?

Speriamo che i lettori siano propensi a rispondere “no” a questa domanda. Dopo tutto, la struttura causale di base della nuova versione a forma di ∨ è qualcosa di simile alla Figura 3 qui sotto. Grazie alla sfera di cristallo di Charlie e alle regole prestabilite, le scelte di Alice e Bob influenzano entrambe i risultati di Charlie, in ogni caso. Ciò significa che la procedura di selezione di Charlie è un collisore e che dobbiamo stare in guardia contro i bias del collisore.

Per questo motivo, i lettori più attenti potrebbero sospettare che il bias del collisore svolga lo stesso ruolo nello spiegare i risultati del nuovo sasso, carta, forbice quantistico a forma di ∨ come nel caso a forma di ∧. Ma c’è una differenza molto grande tra questi due casi, che ci porta al nostro terzo ingrediente, quello che chiamiamo “controllo iniziale”.

Nella versione a forma di ∧ di sasso, carta, forbice quantistico, Charlie doveva buttare via i risultati che non voleva. Ma nel caso a forma di ∨, può scegliere i risultati alla luce di ciò che apprende dalla sfera di cristallo. Sta disponendo le monete esattamente nello schema che desidera, non ottenendo lo schema scartando molti casi che non vanno bene. In questo caso, quindi, Charlie stesso può vincolare il collisore, senza bisogno di divinità o ASI.

Ciò di cui Charlie ha bisogno per farlo è una capacità ordinaria che diamo per scontata, quella di controllare le cosiddette “condizioni iniziali”, cioè il modo in cui le cose sono impostate all’inizio dell’esperimento. Questa capacità familiare è il nostro terzo ingrediente. Chiamiamolo controllo iniziale.

Forse non dovremmo dare per scontato il controllo iniziale. Si tratta in realtà di una capacità notevole, che dipende dal fatto che viviamo in un luogo in cui l’energia abbondante può essere sfruttata da creature come noi per lavorare. Vivere su un pianeta freddo vicino a una stella calda è come vivere alla base di una cascata gigante. È facile sfruttare il flusso di energia che passa, proprio come la vita sulla Terra fa da miliardi di anni.

Come tutti i complicati modi in cui le creature terrestri controllano il loro ambiente, la capacità degli scienziati umani di controllare gli esperimenti dipende dallo sfruttamento di questo flusso di energia. Ma, come il flusso naturale di calore tra oggetti a temperatura diversa, funziona solo in un modo. Abbiamo molto più controllo sulle condizioni iniziali degli esperimenti che sulle loro condizioni finali. È facile, ad esempio, disporre le palline su un tavolo da biliardo in posizioni precise prima della pausa iniziale, ma è praticamente impossibile giocare in modo che finiscano tutte in quelle posizioni.

Non ha il carattere di sfida alla relatività normalmente associato alla magia di Schrödinger.

La combinazione della struttura del collisore nella Figura 3 e del vincolo fornito dal controllo iniziale ci dà la CCC – connessione attraverso il collisore. Se vogliamo usare un linguaggio causale, possiamo dire che questo ci dà il tipo di connessione causale a zig-zag mostrato nella Figura 4 qui sotto. Naturalmente c’è anche un percorso a zig-zag dalla scelta di Bob al risultato di Alice.

Ma il sasso, carta, forbice quantistico a forma di ∨ comporta una sorta di magia non locale da Alice a Bob e viceversa? A questo punto, dobbiamo fare attenzione a cosa intendiamo per nonlocalità. Come abbiamo appena visto, c’è effettivamente un’influenza, o una connessione, da Alice a Bob e viceversa: è la CCC. Poiché i due si trovano a una certa distanza l’uno dall’altro, e una connessione diretta potrebbe essere più veloce della luce, potremmo comunque chiamarla nonlocalità. (Uno dei premi Nobel dell’anno scorso ci ha detto di ritenere che un tale zig zag dovrebbe comunque essere considerato un effetto non locale).

Tuttavia, il collegamento tra Alice e Bob è indiretto e dipende interamente da processi che non richiedono nulla di più veloce della luce. Quindi, comunque lo si chiami, non ha il carattere di sfida alla relatività normalmente associato alla magia di Schrödinger. E non è molto misteriosa: sappiamo esattamente di cosa si tratta, cioè di una connessione attraverso un collisore vincolato.

Le sfere di cristallo erano magiche, ovviamente, ma, una volta che ce le siamo date, la spiegazione della connessione tra Alice e Bob è semplice. Immaginate se una cosa del genere potesse spiegare i risultati dei veri esperimenti di Bell: sarebbe un chiodo nella bara dei fantasmi quantistici.

Per far funzionare tutto ciò, abbiamo bisogno dell’ingrediente finale. Si tratta della retrocausalità, l’idea che la causalità possa funzionare a ritroso nel tempo, dal futuro al passato. Nel gioco quantistico a forma di sasso, carta, forbice, abbiamo dato a Charlie una sfera di cristallo, per permettere alla causalità di funzionare a ritroso – in altre parole, per permettere alle scelte di Alice e Bob di alimentare la regola che Charlie usa per selezionare i risultati delle misurazioni.

Questo percorso a zig-zag eviterebbe il tipo di magia più veloce della luce a cui Einstein e Schrödinger si opponevano.

Nel mondo reale, ovviamente, non troviamo sfere di cristallo magiche su nessuno scaffale. Nel mondo quantistico, tuttavia, la retrocausalità è un’idea vecchia e familiare. In questo senso, è certamente disponibile su uno scaffale. È stata proposta per la prima volta alla fine degli anni ’40 dal fisico parigino Olivier Costa de Beauregard. Era uno studente del fisico francese Louis de Broglie, un altro dei pionieri degli anni Venti. Nella sua tesi di dottorato del 1924, de Broglie aveva proposto che tutte le particelle possono comportarsi come onde. Solo cinque anni più tardi, dopo che gli esperimenti lo avevano confermato, gli valsero il Premio Nobel.

Costa de Beauregard individuò una lacuna nell’argomento Einstein-Schrödinger del 1935. Schrödinger aveva detto che “le misure su sistemi separati non possono influenzarsi direttamente l’un l’altro, sarebbe magia”. Costa de Beauregard fece notare che potevano influenzarsi reciprocamente in modo indiretto, attraverso il tipo di percorso a zig-zag mostrato nella Figura 4 qui sopra. (Ecco perché l’abbiamo chiamato Zig Zag parigino).

Questo percorso a zig-zag eviterebbe il tipo di magia più veloce della luce a cui Einstein e Schrödinger si opponevano. Ma minerebbe comunque l’argomentazione di Einstein-Schrödinger contro Bohr. Se la realtà dal lato di Bob dell’esperimento può dipendere dalla scelta di misura di Alice, non siamo autorizzati a supporre che sarebbe stata presente comunque, anche se Alice avesse fatto qualcos’altro.

Più tardi, dopo il lavoro di Bell negli anni ’60, Costa de Beauregard propose che lo zig zag poteva spiegare le strane correlazioni di Bell, senza la nonlocalità che minacciava la relatività.

La retrocausalità è rimasta per molti anni un’idea di nicchia nella MQ, anche se ha avuto a lungo alcuni illustri sostenitori. Negli anni Cinquanta, uno di loro è stato, almeno per un breve periodo, il fisico britannico Dennis Sciama, che ha insegnato a una sorprendente generazione di fisici, tra cui Hawking. Sir Roger Penrose, anch’egli recentemente insignito del premio Nobel, è da tempo simpatico all’idea, come ha sostenuto nel suo capitolo per la raccolta Consciousness and Quantum Mechanics (2022), curata da Shan Gao. Si racconta che negli anni Novanta Penrose abbia disegnato uno zig zag durante un seminario sulla quantistica alla Royal Society di Londra e abbia scherzato: “Posso farla franca nel proporre questo tipo di cose, perché sono già un Fellow qui” (ora che ha un premio Nobel, presumibilmente è ancora più facile).

Più di recente, noi stessi abbiamo scritto dei vantaggi degli approcci retrocausali alla MQ, sia per evitare l’azione a distanza, sia per rispettare la “simmetria temporale”, il principio secondo cui il micromondo non si cura della distinzione tra passato e futuro. Ma sembra che si sia perso di vista un ulteriore vantaggio della retrocausalità. Essa suggerisce un semplice meccanismo per “il tratto caratteristico della meccanica quantistica” (Schrödinger), “la sua caratteristica più strana” (Weinberg) – in altre parole, per le strane connessioni tra sistemi separati chiamate entanglement quantistico.

Partendo dalla retrocausalità, la nostra ricetta è la seguente, in quattro semplici passi:

1) La retrocausalità introduce automaticamente i collisori negli esperimenti di Bell, nel punto in cui vengono prodotte le due particelle. Le scelte di misura di Alice e Bob si ripercuotono entrambe nel passato, influenzando le particelle in questo punto.

2) Questo è interessante perché i collisori producono bias di collisione e artefatti causali – correlazioni che sembrano implicare una causalità, ma in realtà non lo sono.

3) Ma la limitazione di un collisore può trasformare un artefatto causale in una vera e propria connessione attraverso il collisore, come mostrato nella Figura 4. A causa del vincolo, una scelta diversa dal lato di Alice a volte richiede un risultato diverso dal lato di Bob e viceversa.

4) Nel caso dei collisori del passato, come nella Figura 3, il vincolo è facile. È una conseguenza del normale controllo iniziale degli esperimenti.

Nel loro insieme, questi passaggi suggeriscono una spiegazione semplice per lo Zig Zag parigino e per le strane connessioni nel mondo quantistico richieste dall’entanglement: si tratta di connessioni attraverso collisori vincolati, dove i collisori derivano dalla retrocausalità e i vincoli dal controllo iniziale ordinario dei setup sperimentali.

Non intendiamo dire che sia un passo banale dal “sasso, carta, forbice” quantistico a forma di ∨ ai veri esperimenti di Bell. Ma questo esempio giocattolo dimostra che la combinazione di retrocausalità e controllo iniziale può dare origine a una connessione tra sistemi separati che assomiglia molto all’entanglement. A nostro avviso, questo è un fatto così eclatante – e l’entanglement è altrimenti una bestia così strana e misteriosa – che proponiamo la seguente ipotesi:

Ipotesi: l’entanglement quantistico è una connessione attraverso collisori vincolati (CCC), dove i collisori derivano da un’influenza retrocausale sulla fonte delle coppie di particelle entangled e il vincolo deriva dal normale controllo iniziale degli esperimenti che producono tali particelle.

Se questa ipotesi si rivela vera, al posto della magia di Schrödinger avremo qualcosa che funziona come lo zig zag di Costa de Beauregard. È proprio quello che fa la connessione attraverso un collisore vincolato: crea uno zig zag da due frecce convergenti.

Sarà comunque vero che la MQ ci fornisce un nuovo tipo di connessione tra le proprietà di sistemi distanti. Gli esperimenti di Bell forniscono prove molto convincenti che l’entanglement quantistico è un fenomeno reale. Ma non sarebbe più misterioso: qualsiasi mondo che combini retrocausalità e controllo iniziale dovrebbe avere questo aspetto.

La MQ è stata costruita sull’idea che ci sono limiti a ciò che è possibile conoscere della realtà fisica.

Infine, una nota per i lettori che temono che la cura sia peggiore della malattia: la retrocausalità apre la porta a un serraglio di paradossi e problemi. Ben detto! Per prima cosa, le sfere di cristallo offrono a Charlie opzioni molto simili a quelle del famoso viaggiatore nel tempo, che incontra il proprio nonno molto prima che i suoi genitori si conoscessero. Cosa gli impedisce di interferire con il corso della storia, ad esempio corrompendo Bob per fargli fare una scelta diversa da quella mostrata nella sfera di cristallo? (Nella letteratura sui loop causali, questo si chiama “imbroglio”).

Inoltre – forse meno drammatico, ma particolarmente interessante rispetto alla MQ – le sfere di cristallo permettono ad Alice e Bob di inviare messaggi a Charlie e quindi potenzialmente, con il suo aiuto, di segnalarsi a vicenda. Questo non è possibile nei veri esperimenti di Bell, dove Alice e Bob non possono inviarsi segnali a vicenda, pur avendo una certa influenza sui risultati delle misure dell’altro. Non è quindi una cattiva notizia per la retrocausalità?

Queste sono obiezioni valide, ma è facile modificare il gioco quantistico a forma di sasso, carta, forbice per evitarle. Basta dividere le funzioni di Charlie in due parti. La maggior parte di ciò che fa viene sostituita da un semplice algoritmo, all’interno di una scatola nera, che riceve le informazioni sulle due impostazioni di misurazione future e sputa fuori i due risultati della misurazione.

Charlie stesso non può vedere all’interno della scatola nera e non ha accesso alle impostazioni future. Ma ha comunque un lavoro fondamentale da svolgere. La scatola ha una manopola sulla parte anteriore, con un piccolo numero di opzioni. Charlie controlla quella manopola e, se vuole che il dispositivo produca le correlazioni di Bell, deve scegliere l’opzione giusta. Nella terminologia della MQ, questo si chiama “preparazione dello stato iniziale”.

Se Charlie fa solo questo e la scatola nera quantistica si occupa del resto, la porta del serraglio è chiusa. Alice e Bob non possono più inviare segnali a Charlie o l’uno all’altro. Tutto funziona come nella MQ ortodossa, tranne per il fatto che ora abbiamo la prospettiva di una spiegazione per l’entanglement.

Ciò significa che se la natura vuole la retrocausalità senza segnalazione nel passato, e i paradossi che ne deriverebbero, ha bisogno di scatole nere: luoghi in natura in cui gli osservatori come Charlie non possono vedere l’intera storia. In circostanze normali, tali scatole nere sembrerebbero un altro tipo di magia. Dopotutto, Charlie è un uomo intelligente. Cosa gli impedisce di dare una sbirciatina all’interno?

La risposta, nel caso dei quanti, è il principio di indeterminazione di Heisenberg, del 1927. Da allora, la MQ è stata costruita sull’idea che esistono limiti a ciò che è possibile conoscere della realtà fisica. Questo è proprio il velo di ignoranza di cui abbiamo bisogno, per consentire la retrocausalità nella MQ senza minacciare i nonni di nessuno. Come ha detto Adam Becker sul New Scientist nel 2018:

Il principio di indeterminazione di Heisenberg afferma che è impossibile conoscere contemporaneamente la posizione e la quantità di moto di una particella. Quindi ci sono caratteristiche del mondo quantistico che ci sono persistentemente nascoste, e questo è in definitiva ciò che permette la retrocausazione senza permetterci di inviare segnali al passato.

Può sembrare troppo comodo che una curiosa caratteristica della teoria quantistica permetta una versione senza paradossi di un’altra curiosa caratteristica. Ma nel mondo reale, ogni magia da palcoscenico ha una spiegazione coerente. Spesso questa spiegazione combina vari componenti in modi sorprendenti: la magia da palcoscenico non sarebbe tale se fosse ovvio il suo funzionamento.

Abbiamo visto che l’entanglement quantistico sembrava una magia, per gli standard di alcuni dei pionieri che l’hanno scoperto. Sembra ancora molto strano, anche per i fisici che hanno appena vinto il premio Nobel per aver dimostrato che è reale. Qualsiasi spiegazione coerente sembra destinata a combinare alcuni elementi inaspettati e a richiedere un’attenta analisi di come le cause interagiscono tra loro, fino al livello in cui non possiamo vedere tutti gli effetti. La sorpresa più grande, a nostro avviso, è il numero esiguo di ingredienti di cui la spiegazione sembra aver bisogno e la semplicità della ricetta per metterli insieme.

Huw Price & Ken Wharton

Fonte: aeon.co

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