Partecipa al primo test universale sulla disugaglianza di Bell

Oggi è giunta l’ora di chiudere per sempre la questione: verrà svolto il primo esperimento sulla disuguaglianza di Bell che coinvolge tutta l’umanità.

|
29 novembre 2016, 11:40pm

Bohr e Einstein

Quando la fisica del '900, quella che oggi conosciamo come fisica classica, assistette alla nascita della meccanica quantistica, strizzò il naso. Una teoria molto ambiziosa a cui mancava il carattere fondamentale della scienza per come veniva concepita fino a quel momento: il determinismo.

Se succede A, grazie alla legge di X posso prevedere che, con assoluta certezza, accada B.

Questo è quello che succede nel mondo macroscopico, la realtà che ci è dato sperimentare con i nostri sensi. Ma il mondo degli atomi è molto più complicato: le particelle sono onde, le onde sono particelle e a una causa non corrisponde una conseguenza assolutamente determinata; possiamo solo stimare la probabilità che qualcosa accada.

Ai guru della fisica dell'epoca questo non poteva andare bene: una realtà incontrollabile (o quasi) corrispondeva a una svalutazione del ruolo dello scienziato. Tra le più famose obiezioni alla meccanica quantistica non si può non includere il paradosso EPR (Einstein-Podolsky-Rosen): un articolo di quattro pagine in cui gli autori, tra i fisici più illustri del momento, cercano di dimostrare come la teoria quantistica non rispetti realismo e principio di località.

Nella visione della meccanica quantistica di Niels Bohr (uno dei suoi padri putativi) si afferma infatti che le quantità fisiche non hanno senso finché non vengono misurate, per cui l'atto della misurazione modifica la realtà—per certi aspetti la viene proprio a creare. Questo si scontra con l'idea classica che la realtà esista indipendentemente dagli osservatori: il realismo.

Spiegare il principio di località è un'impresa più ardua: immaginiamo una sorgente di particelle che possono essere solo bianche o nere, e che ogni coppia generata sia composta da un elemento bianco ed uno nero. Secondo la meccanica quantistica, il "colore" di ogni particella sarà descritto dalla somma dei due possibili colori: le particelle non hanno quindi uno stato definito e vengono definite entagled. Il loro stato è legato in una sovrapposizione quantistica.

Le particelle vengono ora inviate in due direzioni diverse: se in un punto A lungo una delle due traiettorie si dovesse osservare (misurare) il colore della particella, allora istantaneamente sapremmo che l'altra particella è del colore opposto. In un lasso di tempo infinitesimo l'informazione del colore della particella avrebbe percorso uno spazio che, teoricamente, potrebbe essere infinito. Nasce da questa considerazione la contrapposizione al principio di località: i processi fisici non possono avere effetto immediato su corpi posti a distanze non infinitesime. Più in generale, l'informazione, stando alla Relatività Generale, non può viaggiare più veloce della luce.

Immagine: screenshot di heBIGbelltest.org. Alice e Bob sono i nomi che si attribuiscono ai due osservatori rispettivamente in A e in B.

La conclusione degli autori è che la teoria quantistica sia incompleta: alla meccanica quantistica manca qualcosa. Se esistessero infatti delle "variabili nascoste" di cui non stiamo tenendo conto nel modello potremmo venire incontro ai "difetti" della teoria, rientrando in un modello che preveda località e realismo e che riesca deterministicamente a calcolare le osservabili fisiche senza il bisogno di doversi approcciare statisticamente alla realtà.

La risposta al teorema si fa attendere: 29 anni dopo la formulazione del paradosso, nel 1964, John Stewart Bell, allora fisico al CERN di Ginevra, scrive un articolo intitolato "Sul paradosso Einstein-Podolosky-Rosen". Bell dimostra che una teoria quantistica con variabili nascoste che rispetti il principio di località dovrebbe rispettare delle equazioni di diseguaglianza (le disuguaglianze di Bell appunto) per la misura di grandezze di particelle entagled. Questo significa che la meccanica quantistica attuale e una teoria quantistica realista e locale prevedono risultati diversi rispetto alle misure, per cui facendo degli esperimenti è possibile stabilire quale tra le due teorie sia la vincitrice.

Immagine: Una foto di Bell dagli archivi del CERN

I primi esperimenti atti a risolvere lo scontro avvennero nel 1970, con scarsi risultati: le tecnologie disponibili, all'epoca, non erano ancora sufficienti. Ci si riprovò nel 1982 e i dati per la prima volta mostrarono una schiacciante vittoria della meccanica quantistica attuale. I dati sollevavano dei dubbi, definiti loopholes, che avrebbero potuto inficiare le misure. Nel 2015 sono stati condotti i primi esperimenti che hanno chiarito questi dubbi e prodotto argomentazioni valide a supporto delle conclusioni. La chiave di questi esperimenti è la generazione casuale di numeri: associando ad ogni combinazione numerica un tipo di misura da effettuare (dall'energia di un elettrone alla polarizzazione di un fotone) è possibile ottenere dei risultati veritieri, in quanto le misure effettuate sono statisticamente indipendenti.

Individuato il metodo giusto, è giunta l'ora di chiudere per sempre la questione: oggi verrà svolto il primo esperimento sulla disuguaglianza di Bell che coinvolge tutta l'umanità.

Ho già parlato di come l'interazione degli utenti, anche attraverso delle partite ai videogiochi, sia importante per gli scienziati che hanno bisogno di schemi logici da implementare all'interno di algoritmi. Qui il principio è lo stesso: attraverso il sito theBIGbelltest.org è possibile inviare una serie di bit (sequenze di 1 e 0) che verranno inviati, in tempo reale, ai laboratori partecipanti all'esperimento. Oltre a decidere il tipo di misura da effettuare, queste fantasiose stringhe di numeri verranno utilizzare come "semi" per la generazione randomica di altri numeri casuali, elementi fondamentali nelle nuove crittografie quantistica—che, tra l'altro, si basano sul carattere non locale della meccanica quantistica e sulle particelle entagled.

La quantità di esperimenti che verrà effettuata creerà un campione gigantesco di risultati, che annesso all'indipendenza delle misure, stabilirà definitivamente la fine del duello.

Ci sono due metodi per partecipare: un'interfaccia bianca nella quale bisogna inserire 0 ed 1 nella maniera più veloce possibile o attraverso un videogame. Ai laboratori verrano distribuiti tre flussi di dati: uno contenente i numeri generati attraverso un apposito generatore computazionale (l'RNG dell'ICFO), uno dei bit inviati in tempo reale ed l'ultimo dei bit archiviati inviati nei giorni passati. Se per un giorno vuoi dare uno schiaffo morale ad Einstein ed amici, questa è la tua occasione.

In attesa della fumata bianca possiamo già dire che "le raccapriccianti azioni a distanza", così come le definì Albert, sembrino essere proprio vere e che la meccanica quantistica violi i principi della relatività generale. Qualcosa ancora ci sfugge, la teoria del tutto è ancora lontana. Magari ci manca solo il giusto videogioco.