Lo strano caso dei "guanti entangled"

Dirac, Heisenberg e Schrödinger fotografati alla stazione di Stoccolma. (Credit: American Institute of Physics).

Ho letto un interessante articolo di Vincenzo Fano sul Sole24Ore di domenica scorsa, intitolato Il vero gatto di Schrödinger, che riguarda il celebre saggio di Erwin Schrödinger del 1935, finalmente tradotto in italiano da Sicania nel 2012: La situazione attuale nella meccanica quantistica (1935), Sicania, 2012. In questo saggio Schrödinger introdusse il celebre gatto mezzo vivo e mezzo morto, analogia con cui si spiega una proprietà a prima vista controintuitiva della MQ: l’entanglement, quell’intreccio o accordo segreto tra particelle che ha indotto John Bell ad ipotizzare l’esistenza di variabili nascoste per poterlo spiegare. Fano mostra molto bene come questa “magica inseparabilità” sia un nodo gnoseologico comune a fisici e filosofi della scienza al punto che, anche dopo Bas van Fraassen, Arthur Fine, Nancy Cartwright e Bryan Skyrms, non siamo ancora riusciti a rendere coerente la visione indeterministica del mondo, che la MQ ci consegna, con il principio ormai inadeguato della causa comune che soggiace all’idea stessa di variabile nascosta.  

Visto che viene chiamato in causa il ruolo della filosofia nei confronti della MQ, ho pensato di mettere in fila qualche idea per rendere più comprensibile il retroscena teorico da cui muovono le riflessioni degli autori citati in precedenza 8Fano stesso scrive che “compito della filosofia non è solo quello di registrare e interpretare i risultati delle scienze empiriche, ma anche quello di mettere in luce le dissonanze e le alternative”). Prima di capire quali possano essere le alternative, vediamo cos’è l’entanglement. Per spiegarlo dico qualcosa su Amir D. Aczel, un matematico e noto divulgatore scientifico, autore di Entanglement. Il più grande mistero della fisica (Raffaello Cortina, 2004), uno dei libri che spiega più chiaramente l’entanglement, la famigerata “azione a distanza” così ostica per chi non ha dimestichezza con formule e laboratori di ricerca.

Aczel offre al lettore un’ottima ricostruzione storica delle tappe più significative della nascita della fisica quantistica: dal corpo nero e la costante di Panck, fino ai recenti studi che dimostrano l’esistenza di diversi tipi di entanglement definibili sulla base degli elementi che in essi intervengono: numero di particelle, tipologia, proprietà di cui sono dotate (continue e/o discrete, ad esempio, tempo di emissione di e/o rotazione). Gli ultimi capitoli del libro sono dedicati all’entanglement: Aczel descrive nel dettaglio gli esperimenti che hanno condotto i fisici a scoprire questo fenomeno. Vediamo di capire, con un linguaggio ancora più semplice, cos’è l’entanglement.

§1- Fisica classica e fisica quantistica 

Quando scriviamo al computer, guardiamo la televisione, ascoltiamo la radio, parliamo al cellulare o usiamo qualsiasi elettrodomestico con componenti elettroniche, sfruttiamo fenomeni fisici – quelli che regolano il funzionamento di transistor, fasci di elettroni, microchip – che non appartengono al dominio dell’elettromagnetismo e della meccanica classici. Gli oggetti macroscopici che esperiamo quotidianamente sono soggetti alle leggi della fisica classica; al contrario, se scendiamo a livello subatomico, scopriamo che gli oggetti microscopici obbediscono a leggi diverse, proprie del dominio quantistico soltanto.

Facciamo un esempio che spesso si trova nei manuali. Una pallina da tennis lanciata contro una parete con due finestre può uscire passando attraverso l’una o l’altra finestra, ma non attraverso le due finestre contemporaneamente. Tuttavia, un elettrone che incontri una barriera con due fenditure, passa attraverso entrambe contemporaneamente. Inoltre, nella fisica di Newton e di Maxwell, un’onda e una particella sono due oggetti con proprietà differenti; nella fisica quantistica un elettrone può interferire con se stesso come un’onda e rimbalzare come una particella. Le particelle si comportano sia come onde che come corpuscoli. 

§2- Cos’è l’entanglement?

È un fenomeno, privo di analogo classico, che si verifica a livello quantistico, che coinvolge due o più particelle generate da uno stesso processo o che si siano trovate in interazione reciproca per un certo periodo. Queste particelle restano intrecciate (entangled) e legate indissolubilmente, nel senso che, indipendentemente dalla distanza che le separa, quello che accade a una di esse si ripercuote immediatamente sull’altra. L’evidenza di questo fenomeno ci costringe a rivedere profondamente non solo la logica classica ma anche altre strutture concettuali – in primis quelle di causalità, determinismo e realismo –  che contribuiscono a forgiare la nostra visione e comprensione del mondo.

La sua possibilità teorica venne ipotizzata da Erwin Schrödinger che nel 1935 usò per la prima volta il termine entanglement (Verschränkung, letteralmente intrecciamento o incrociamento)  in un brillante saggio comparso a puntate sulla rivista “Die Naturwissenschaften”. Compare anche nella recensione del famoso articolo di Einstein, Podolsky e Rosen (Einstein A., Podolsky B., Rosen N., Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete? in “Physical Review” n. 47, (1935), pp. 777–780). La definizione che ne diede Schrödinger è la seguente:«quando due sistemi, dei quali conosciamo gli stati sulla base della loro rispettiva rappresentazione, subiscono una interazione fisica temporanea dovuta a forze note che agiscono tra di loro, e quando, dopo un certo periodo di mutua interazione, i sistemi si separano nuovamente, non possiamo più descriverli come prima dell’interazione, cioè dotando ognuno di loro di una propria rappresentazione», (E. Schrödinger, Discussion of Probability Relations Between Separated Systems, “Proceedings of the Cambridge Philosophical Society”, n.31 (1935), p. 555):

«quando due sistemi, dei quali conosciamo gli stati sulla base della loro rispettiva rappresentazione, subiscono una interazione fisica temporanea dovuta a forze note che agiscono tra di loro, e quando, dopo un certo periodo di mutua interazione, i sistemi si separano nuovamente, non possiamo più descriverli come prima dell’interazione, cioè dotando ognuno di loro di una propria rappresentazione», (E. Schrödinger, Discussion of Probability Relations Between Separated Systems, “Proceedings of the Cambridge Philosophical Society”, n.31 (1935), p. 555).

Uno degli obiettivi principali del breve articolo del 1935 è la dimostrazione dell’incompletezza della fisica quantistica; la confutazione della prima formulazione della fisica quantistica, elaborata tra il 1905 e il 1927 soprattutto grazie ai lavori di Niels Bohr e seguaci, che è conosciuta anche come interpretazione o Scuola di Copenaghen. Gli autori della memoria EPR partono da una convinzione: condizione necessaria per la completez­za di una teoria fisica è che ciascun elemento della realtà fisica abbia una controparte nella teoria fisica. Secondo il noto Principio di Indeterminazione di Heisenberg è impossibile misurare con arbitraria precisione, a un dato istante, due variabili coniugate come posizione e velocità di una particella. Ma immaginiamo una particella che si disintegri in due particelle, che schizzino via in direzioni opposte a uguale velocità: se misuriamo la velocità di una delle due particelle e la posizione dell’altra, riusciremo, unendo le informazioni raccolte, a conoscere sia la posizione che la velocità di ogni singola particella (abbiamo semplificato, ma l’idea è più o meno questa). Insomma, due particelle opportunamente predisposte – particelle entangled – restano soggette a una correlazione a distanza che agisce in maniera istantanea.

§3- Particelle entangled? Un esempio per capirci: i guanti entangled 

Le particelle non hanno una loro identità finché non si compie una loro osservazione. Applichiamo il concetto al mondo macroscopico. Stiamo per uscire e dimentichiamo un guanto a casa: siamo per strada e abbiamo in tasca il guanto sinistro. Cosa possiamo sapere del guanto che abbiamo in tasca? La fisica quantistica ci dice che esso resta in uno stato di indeterminazione sulla sua effettiva identità – è il guanto destro o quello sinistro? – finché non tiriamo fuori quello che abbiamo in tasca e vediamo che è il guanto sinistro. Necessariamente quello che è rimasto a casa è il destro. Con gli oggetti quotidiani è semplice: la correlazione è possibile anche perché ciascuno di essi ha delle proprietà (da quelle essenziali a quelle via via più accidentali) che ne indicano e definiscono l’essenza: “essere-destro” ed “essere-sinistro” sono proprietà o, meglio, predicati di questo tipo.

Per le particelle non vale lo stesso. Nessuna ha delle proprietà definite, men che meno proprietà essenziali, che ne definiscano l’essenza. Di conseguenza, lo strano fenomeno che stiamo descrivendo, tecnicamente il collasso della funzione d’onda (ossia il momento in cui il nostro guanto “diventa” destro perché in tasca ho quello sinistro) può avvenire istantaneamente e a velocità superluminali (maggiori del limite di 300.000 Km/s). Sebbene Albert Einstein abbia dato importanti contributi alla teoria quantistica, non accettò mai le conseguenze più estreme (facilmente derivabili dall’esempio del guanto).

Secondo Einstein, l’ipotesi che una particella potesse influenzare un’altra particella istantaneamente (violando uno dei postulati della teoria della relatività, per la quale nulla può viaggiare a velocità superiori a quelle della luce, 300.000 Km/s). Einstein era convinto che un evento che accade in un punto non possa mai essere correlato in modo diretto e istantaneo con un evento che accade in un punto distante. Questo fenomeno può essere spiegato solo in due modi: o la teoria di Einstein che esclude la possibilità di comunicazioni più veloci della luce è da considerarsi errata,oppure le particelle subatomiche sono connesse non-localmente. Come ho accennato all’inizio, in questa prospettiva, la possibilità stessa che l’entanglement potesse verificarsi era una conseguenza del fatto che la fisica quantistica era una teoria incompleta e che esistevano variabili nascoste – le vere e proprie responsabili delle “magiche” correlazioni tra particelle. Scoprire queste variabili significava per Einstein mostrare che la violazione della località era solo apparente. Il padre della Relatività cercò a lungo di dimostrare l’esistenza di variabili nascoste, ma i suoi tentativi furono di volta in volta smontati dai suoi oppositori.

§4- Sull’entanglement Einstein aveva torto 

Dobbiamo al fisico Alain Aspect e ai suoi famosi esperimenti, la prima dimostrazione della realtà della non-località quantistica e, dunque, dell’inconsistenza della posizione di Einstein. Nel 1982 un’équipe di ricerca dell’Università di Parigi, diretta proprio da Aspect, ha condotto quello che potrebbe rivelarsi il più importante esperimento del XX secolo. Aspect ed il suo team hanno infatti scoperto che, sottoponendo a determinate condizioni delle particelle subatomiche, esse sono capaci di comunicare istantaneamente tra loro indipendentemente dalla distanza che le separa (metri o miliardi di chilometri che siano).

È come se ogni singola particella sapesse esattamente cosa stiano facendo tutte le altre.  Poiché la maggior parte dei fisici nega la possibilità di fenomeni che oltrepassino la velocità della luce, l’ipotesi più accreditata è che l’esperimento di Aspect sia la prova che il legame tra le particelle subatomiche è effettivamente di tipo non-locale. Le applicazioni di questa scoperta sono sorprendenti. Solo per accennarne alcune, con queste tecnologie si potrà archiviare e trasmettere l’informazione quantistica, come la distribuzione per iper-entanglement nelle reti di computer quantistici.  Se, poi, si prova a combinare la posizione e la quantità di moto entanglement tra tre fotoni, con i tipi più tradizionali di entanglement basato su momento angolare e polarizzazione, si potrebbe arrivare alla creazione di sistemi quantistici ibridi che possiedono proprietà ad oggi sconosciute.

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