Yurii Mongol
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Fatti alternativi si stanno diffondendo come un virus nella società. Ora, sembra che abbiano persino infettato la scienza, almeno il regno quantistico. Questo può sembrare controintuitivo. Il metodo scientifico è dopotutto fondato su 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 concordarlo.
Ma in un articolo recentemente pubblicato su Science Advances, mostriamo 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 degli elementi costitutivi della natura stessa, i fatti possono effettivamente essere soggettivi.
Gli osservatori sono attori potenti nel mondo quantistico. Secondo la teoria, le particelle possono trovarsi in più luoghi o stati contemporaneamente: questa è chiamata sovrapposizione. Ma stranamente, questo è solo il caso in cui non vengono osservati. Nell'istante in cui osservi un sistema quantistico, esso sceglie una posizione o uno stato specifico, 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 della doppia fenditura.
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Nel 1961, il fisico Eugene Wigner propose un provocatorio esperimento mentale. Si è interrogato su cosa accadrebbe applicando la meccanica quantistica a un osservatore che viene osservato. Immagina che un amico di Wigner lanci una moneta quantistica - che si trova in una sovrapposizione di teste 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 stabilisce 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 "intrappolati" - collegati in modo spettrale in modo che se ne manipoli uno, manipoli anche l'altro. Wigner può ora 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 confrontano le note in seguito, l'amico insisterà sul fatto che hanno visto risultati definiti per ogni lancio di moneta. Wigner, tuttavia, non sarà d'accordo ogni volta che osserva un amico e una moneta in sovrapposizione.
Questo presenta un enigma. La realtà percepita dall'amico non può essere riconciliata con la realtà all'esterno. Wigner originariamente non considerava questo un gran paradosso, sostenne che sarebbe stato assurdo descrivere un osservatore cosciente come un oggetto quantistico. Tuttavia, in seguito si allontanò da questo punto di vista 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 tempi molto recenti, quando Časlav Brukner presso l'Università di Vienna ha dimostrato che, sotto determinati presupposti, l'idea di Wigner può essere utilizzata 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 dell'amico di Wigner in una struttura stabilita per la prima volta dal fisico John Bell nel 1964. Brukner ha considerato due coppie di Wigners e amici, in due scatole separate, conducendo misurazioni su uno stato condiviso - dentro 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 fatti alternativi.
Ora abbiamo eseguito per la prima volta questo test sperimentalmente presso la Heriot-Watt University di Edimburgo su un computer quantistico di piccola scala composto da tre coppie di fotoni entangled. 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. Fuori dalle due caselle, rimangono due fotoni su ciascun lato che possono anche essere misurati.
Nonostante l'utilizzo di una 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 delle misurazioni non sono influenzati da segnali che viaggiano al di sopra della velocità della luce e che gli osservatori sono liberi di scegliere quali misurazioni effettuare. Potrebbe essere o non essere così.
Un'altra domanda importante è se i singoli fotoni possono essere considerati osservatori. Nella proposta teorica di Brukner, gli osservatori non devono essere consapevoli, devono semplicemente essere in grado di stabilire i fatti sotto forma di un risultato di misurazione. Un rilevatore inanimato sarebbe quindi un valido osservatore. E la meccanica quantistica dei libri di testo non ci dà motivo di credere che un rivelatore, che può essere piccolo quanto pochi atomi, non dovrebbe essere descritto come un oggetto quantistico proprio come un fotone. Potrebbe anche essere possibile che la meccanica quantistica standard non si applichi a scale di grandi dimensioni, 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 oggettività. I fatti che sperimentiamo nel nostro mondo macroscopico sembrano rimanere al sicuro, 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 il verificarsi di più di un risultato per un'osservazione, ad esempio l'esistenza di universi paralleli in cui si verifica ogni risultato. Altri lo vedono come una prova convincente per teorie intrinsecamente dipendenti dall'osservatore come il bayesianesimo quantistico, in cui le azioni e le esperienze di un agente sono le preoccupazioni centrali della teoria. Ma altri ancora lo considerano un forte indicatore del fatto che forse la meccanica quantistica si romperà al di sopra di certe scale di complessità.
Chiaramente queste sono tutte questioni profondamente filosofiche sulla natura fondamentale della realtà. Qualunque sia la risposta, un futuro interessante attende.
Questo articolo è stato originariamente pubblicato su La conversazione. La pubblicazione ha contribuito con l'articolo a 's Voci di esperti: Op-Ed e approfondimenti.