La realtà oggettiva dovrebbe essere un insieme di fatti su cui possiamo trovarci tutti d’accordo. Possiamo far la prova: misurare, verificare. Ma la meccanica quantistica, da sempre, con i suoi principi complica le cose e sfida la nostra comprensione. Due fisici dei quanti, Alessandro Fedrizzi e Massimiliano Proietti, spiegano il loro ultimo e importante esperimento e arrivano alla conclusione: no, la realtà oggettiva non esiste.
I “fatti alternativi” si diffondono come un virus nella società. Ora sembra che abbiano intaccato persino la scienza – o almeno il reame dei quanti. Può sembrare contro-intuitivo. In fondo, il metodo scientifico si fonda sulle nozioni affidabili di osservazione, misurazione e ripetibilità. Un fatto, fissato da una misura, dovrebbe essere oggettivo, su cui qualsiasi osservatore dovrebbe essere d’accordo.
Ma come mostriamo in un articolo pubblicato di recente su Science Advances, nel micro-mondo dei atomi e particelle, governato dalle strane regole della meccanica quantistica, due diversi osservatori hanno diritto ciascuno ai loro, diversi fatti. In altre parole i fatti possono davvero essere soggettivi, persino per la nostra miglior teoria sui mattoni di cui è fatta la natura stessa.
Nel mondo dei quanti gli osservatori sono giocatori importanti. Secondo la teoria, le particelle possono stare in diversi luoghi e stati nello stesso tempo – cosa che è chiamata sovrapposizione. Ma stranamente, questo accade soltanto quando non sono osservati. Nel momento in cui osservate un sistema quantistico, esso assume un sito o uno stato specifico – rompendo la sovrapposizione. Che la natura si comporti in questo modo, è stato provato molte volte in laboratorio – per esempio, nel famoso esperimento della doppia fessura (come nel video sotto).
Nel 1961, il fisico Eugene Wigner propose un esperimento mentale provocatorio. Si chiese: cosa potrebbe succedere applicando la meccanica quantistica a un osservatore, anche lui osservato? Immaginiamo un amico di Wigner che lancia una moneta quantistica – ovvero in uno stato di sovrapposizione tra testa e croce – dentro un laboratorio chiuso. Ogni volta che l’amico lancia la moneta, loro osservano un certo risultato, definito. Possiamo dire che l’amico di Wigner stabilisce un fatto: il risultato del lancio della moneta alla fine sarà o testa o croce.
Però Wigner dall’esterno del laboratorio non ha accesso a questo fatto, e secondo la meccanica quantistica, è costretto a descrivere il proprio amico e la sua moneta, come in uno stato di sovrapposizione di tutti i possibili risultati. Questo perché i due sono “entangled” – detto semplicemente sono connessi al punto che se manipolate l’uno allora manipolate anche l’altro. Wigner può perciò verificare in linea di principio la sovrapposizione usando il cosiddetto esperimento di interferenza – un tipo di misura quantistica che permette di svelare la sovrapposizione di un intero sistema, confermando che due oggetti sono in correlazione tra loro.
Più tardi, Wigner e l’amico confrontano quello che hanno osservato: l’amico insisterà nel dire di aver visto un preciso risultato per ogni lancio di moneta; Wigner, dal canto suo, non sarà d’accordo, sostenendo di aver osservato l’amico e la moneta in uno stato di sovrapposizione.
Questo ci porta a un enigma. La realtà percepita dall’amico non può essere riconciliata con la realtà dell’esterno. All’inizio Wigner ritenne questa cosa niente più di un paradosso e sostenne che comunque sarebbe stato assurdo descrivere un osservatore cosciente come se fosse un oggetto quantistico. Ma in seguito rivide la propria posizione e il suo esperimento mentale divenne valido anche per i manuali ufficiali della meccanica quantistica.
L’esperimento
La scenetta è rimasta a lungo un esperimento mentale interessante. Ma racconta davvero la realtà? In merito pochi passi avanti sono stati fatti se non recentemente, quando Časlav Brukner all’Università di Vienna ha mostrato che, date certe ipotesi, l’idea di Wigner può essere usata per provare formalmente che le misure in meccanica quantistica dipendono dagli osservatori.
Brukner ha proposto un modo di testare questa nozione, traducendo la scena dell’amico di Wigner in una struttura sperimentale definita nel 1964 dal fisico John Bell. Brukner ipotizza due coppie di Wigner e l’amico, in due luoghi chiusi e separati, due scatole, che stanno facendo delle misure su uno stato condiviso – dentro e fuori dalle scatole. Questi risultati possono essere riassunti per valutare infine la cosiddetta “disuguaglianza di Bell”. Se la disuguaglianza è violata, gli osservatori potrebbero osservare fatti alternativi.
Oggi abbiamo testato sperimentalmente quest’ipotesi per la prima volta all’Università Heriot-Watt di Edinburgo su un computer quantistico di piccola scala fatto con tre paia di fotoni in uno stato di entanglement. Il primo paio di fotoni rappresenta le monete, il secondo paio è usato per simulare il lancio della moneta – misurando la polarizzazione dei fotoni, come avere testa o croce – ciascuno dentro le rispettive scatole. Fuori dalle due scatole, restano due fotoni da entrambe le parti e possono anch’essi essere misurati.
Solo per questi sei fotoni, ci sono volute settimane per raccogliere dati sufficienti e costruire una statistica, pur utilizzando la tecnologia quantistica odierna. Alla fine però siamo riusciti a mostrare che la meccanica quantistica è proprio incompatibile con l’ipotesi di fatti oggettivi, perché abbiamo violato la disuguaglianza.
Comunque, la teoria si basa su pochi presupposti. Tra questi, c’è l’ipotesi che i risultati non sono influenzati da segnali che viaggiano sotto la velocità della luce e poi che gli osservatori sono liberi di scegliere quale misura fare, che potrebbe essere o meno il caso.
Un’altra importante questione è se i singoli fotoni possano essere considerati degli osservatori. Nella proposta teorica di Brukner non c’è bisogno che gli osservatori siano coscienti, basta soltanto che siano capaci di fissare un fatto nella forma di un risultato misurato. Un misuratore inanimato sarebbe perciò comunque un ottimo osservatore. D’altra parte, un qualsiasi manuale di meccanica quantistica ci dice che anche un misuratore grande come pochi atomi può essere considerato come un oggetto quantistico, esattamente come i nostri fotoni. Inoltre potrebbe essere possibile che la meccanica quantistica standard non funzioni a scale di grandezza superiori, ma verificarlo è un altro problema ancora.
Di conseguenza questo esperimento dimostra che, almeno per i modelli locali di meccanica quantistica, abbiamo bisogno di ripensare alla nostra nozione di oggettività. I fatti di cui noi abbiamo esperienza nel nostro mondo macroscopico restano integri, ma una domanda di ordine superiore nasce a proposito di quanto le interpretazioni esistenti della meccanica quantistica possono includere dei fatti soggettivi.
Alcuni fisici vedono in questo delle ragioni che rafforzano l’idea per cui ci sono più risultati per una sola osservazione, pensiamo all’esistenza di universi paralleli in cui ogni risultato accade simultaneamente. Altri invece vedono la questione come la prova convincente della dipendenza intrinseca delle teorie dall’osservatore, come il cosiddetto bayesianisimo quantistico, nel quale le azioni e le esperienze di un agente diventano problemi centrali in una teoria. E tuttavia altri ancora ritengono che forse sotto un certo grado di complessità la meccanica quantistica si sgretolerà.
Di certo sono tutte questioni profondamente filosofiche sulla natura fondamentale della realtà. Qualunque sia la risposta, ci aspetta un futuro interessante.
Crediti immagine di copertina: Gerd Altmann da Pixabay
Articolo apparso originariamente in inglese su The Conversation. Traduzione a cura della redazione di Galileo
