Gearoid Hayes / Flickr, CC BY-SA
Fatti alternativi sono diffondendosi come un virus attraverso 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 sulle nozioni affidabili di osservazione, misurazione e ripetibilità. Un fatto, come stabilito da una misurazione, dovrebbe essere oggettivo, in modo tale che tutti gli osservatori possano concordare con esso.
Ma in un articolo di recente pubblicato su Science Advances, mostriamo che, nel micro-mondo di atomi e 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 dei 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 - questa si chiama sovrapposizione. Ma stranamente, questo è solo il caso in cui non vengono osservati. Nel momento in cui osservi un sistema quantistico, 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).
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In 1961, fisico Eugene Wigner ha proposto un esperimento di pensiero provocatorio. Ha messo in dubbio cosa accadrebbe quando si applica la meccanica quantistica a un osservatore che viene osservato da sé.
Immagina che un amico di Wigner lancia 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 coda.
Wigner non ha accesso a questo fatto dall'esterno e, secondo la meccanica quantistica, deve descrivere l'amico e la moneta per essere in una sovrapposizione di tutti i possibili risultati dell'esperimento. Questo perché sono "impigliati" - spaventosamente connesso 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 intrappolati.
Quando Wigner e l'amico confronteranno le note in seguito, l'amico insisterà nel vedere risultati definiti per ogni lancio di monete. 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, più tardi partito da questo punto di vistae 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 tempi molto recenti, quando ?aslav Brukner all'università di Vienna ha dimostrato che, secondo alcune ipotesi, l'idea di Wigner può essere usato per dimostrare formalmente che le misurazioni nella meccanica quantistica sono soggettive per gli osservatori.
Brukner ha proposto un modo per testare questa nozione traducendo lo scenario degli amici di Wigner in un framework prima stabilito dal fisico John Bell in 1964. Brukner considerò due coppie di Wigner e amici, in due scatole separate, conducendo misurazioni su uno stato condiviso - dentro e fuori dalle rispettive scatole. I risultati possono essere riassunti per essere infine utilizzati per valutare un cosiddetto “Disuguaglianza della campana”. Se questa disuguaglianza viene violata, gli osservatori potrebbero avere fatti alternativi.
Ora per la prima volta abbiamo eseguito questo test sperimentalmente presso l'Università Heriot-Watt di Edimburgo su un computer quantistico su piccola scala composto 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.
Ricercatori con esperimento. Autore previsto
Nonostante utilizzi la 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 sono influenzati dai segnali che viaggiano al di sopra della velocità della luce e che gli osservatori sono 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 fatto piccolo come pochi atomi, non dovrebbe essere descritto come un oggetto quantico 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.
Potrebbero esserci molti mondi là fuori. Nikk / Flickr, CC BY-SA
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 domanda importante su come le interpretazioni esistenti della meccanica quantistica possano accogliere fatti soggettivi.
Alcuni fisici vedono questi nuovi sviluppi come interpretazioni di sostegno che consentono ad più di un risultato di verificarsi per un'osservazione, ad esempio l'esistenza di universi paralleli in cui accade ogni risultato. Altri lo vedono come prove convincenti per teorie intrinsecamente dipendenti dall'osservatore come Bayesianismo 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 crollerà al di sopra di certe scale di complessità.
Chiaramente queste sono tutte domande profondamente filosofiche sulla natura fondamentale della realtà. Qualunque sia la risposta, un futuro interessante attende.
Informazioni sugli autori
Alessandro Fedrizzi, professore di fisica quantistica, Università Heriot-Watt e Massimiliano Proietti, PhD Candidate of Quantum Physics, Università Heriot-Watt
Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi il articolo originale.
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