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Il più grande mistero della fisica quantistica: l'entanglement

’entanglement risulta essere il più misterioso fenomeno del.la fisica perché mette in discussione la nostra normale visione della realtà

di Giuseppe Vatinno
08 aprile 2016, 1:48pm

Immagine via Shutterstock

La Meccanica Quantistica è nata ufficialmente il 14 dicembre del 1900, quando il tedesco Max Planck, Nobel per la Fisica nel 1918, la utilizzò in una comunicazione ufficiale alla Società Tedesca di Fisica per spiegare il cosiddetto spettro del "corpo nero" che è una astrazione ideale per indicare un corpo che assorbe (e riemette) tutta la radiazione incidente.

Nel 1905, Albert Einstein utilizzò di nuovo la meccanica quantistica per spiegare l'effetto fotoelettrico, che consiste nell'emissione di elettroni da parte di una superficie metallica colpita da un fascio di luce. Questa dimostrazione (e non la Relatività) gli valse il Nobel per Fisica.

Dai fenomeni emergeva il fatto che non solo la materia fosse non continua, a causa della sua natura atomica, ma che lo fosse anche la luce. Tutto questo ha portato i fisici a rivedere da capo le basi della fisica classica e della nostra visione intuitiva del reale.

IL FENOMENO DELL'ENTANGLEMENT

L'entanglement risulta essere il più misterioso fenomeno della fisica perché mette in discussione la nostra normale visione della realtà facendo intravvedere una specie di "substrato universale" che connette tra loro le particelle, al di là delle categorie filosofiche e fisiche di tempo e spazio.

Come per altri fenomeni previsti dalla fisica moderna, si potrebbe pensare che tali anomalie verranno sanate da una prossima "Teoria del Tutto" che le comprenda. Nel caso dell'entanglement, però, c'è da dire che il fenomeno è stato più volte osservato, e che non è ancora stato confutato. Qualunque cosa sia l'entanglement, la fisica futura non ne può prescindere.

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Fig.1 Il famoso gatto di Schrödinger

Per capire il fenomeno occorre fare qualche considerazione sul concetto di misura in meccanica quantistica.

In meccanica quantistica, lo stato di una particella è indeterminato, nel senso che può assumere un ben preciso set di valori. Il "vero" valore di una variabile non esiste finché non si procede alla sua osservazione/misura. Solo nel momento in cui viene osservata, infatti, la funzione d'onda che rappresenta la particella sarà forzata a collassare in un valore ben determinato che fa parte del set di valori previsti.

Schrödinger esemplificò in modo piuttosto pittoresco questa strana proprietà dei sistemi quantistici con il famoso paradosso del gatto. C'è un gatto racchiuso in una scatola d'acciaio sigillata con dentro una sostanza radioattiva che può decadere oppure no; se decade, la particella emessa attiva un congegno che libera un veleno ed uccide il gatto, altrimenti no. Finché non si osserva il gatto, esso si trova in una sovrapposizione quantistica di due stati: in uno è vivo nell'altro no. Solo osservandolo se ne determina il destino.

IL PARADOSSO DI EINSTEIN–PODOLSKY-ROSEN (EPR)

Nello stesso anno, Einstein e i suoi collaboratori esemplificarono il paradosso del gatto in modo più strettamente fisico in un articolo dal titolo "La descrizione quantistica della realtà fisica può ritenersi completa?"

C'è una particella a riposo che decade in due particelle che si allontanano in due direzioni opposte; per la conservazione del momento angolare, lo spin delle sue particelle dovrà essere opposto—considerato che all'inizio era nullo perché le particelle erano un'unica entità. Supponiamo che le due particelle siano indicate con A e B. Se, ad esempio, A ha uno spin di +1/2 allora B deve avere uno spin di -1/2. La cosa strana è che una volta misurato il valore di spin di A, B è costretta immediatamente a porsi nello stato di spin opposto, indipendentemente dalla distanza che le separa. La "comunicazione" dello stato di spin, essendo immediata, si propaga a velocità infinita. Einstein chiamava questo fenomeno la "spettrale azione a distanza" evidenziando la paradossalità del carattere non locale della meccanica quantistica nella sua interpretazione ortodossa.

Einstein giunse infatti alla conclusione che una meccanica quantistica basata su un "Principio di Realtà" (le cose esistono di per sé) e su un "Principio di Località" (non può esistere un'azione a distanza) non poteva essere "completa". Per questo doveva esserci qualche altro parametro sconosciuto, delle "variabili nascoste" che indicassero a B, fin dall'inizio, il suo stato di spin.

IL TEOREMA E LE DISEGUAGLIANZE DI BELL

Nel 1964, il fisico irlandese John Bell dimostrò matematicamente, tramite un teorema intitolato "Sul paradosso Einstein-Podolsky-Rosen", che la teoria a variabili nascoste di Einstein era incompatibile con la meccanica quantistica.

Ampliando l'esperimento mentale del paradosso di Einstein-Podolsky-Rosen, Bell ha dimostrato che il realismo locale impone alcune restrizioni alle correlazioni previste dalla meccanica quantistica tra i parametri di particelle in entanglement. Una previsione che sia in completo accordo con la teoria quantistica, quindi, implica la rinuncia ad almeno uno fra realismo e località.

L'entanglement è stato dimostrato sperimentalmente solo nel 1982 dal fisico Alain Aspect, che ha dimostrato la validità intrinseca degli aspetti non locali della meccanica quantistica.

Successivamente, nel 1997, Nicolas Gisin, un fisico dell'Università di Ginevra, ha dimostrato sempre sperimentalmente—con fotoni in fibre ottiche—che l'entanglement quantistico è reale su "grandi" distanze, almeno di 10,9 Km e che il segnale tra le particelle "viaggia" almeno a 10 milioni di volte la velocità della luce.

POSSIBILI "SPIEGAZIONI"

L'entanglement è un fenomeno inquietante perché ci mostra qualcosa di inspiegabile, e cioè una connessione immediata tra particelle indipendentemente dalla distanza.

Vi sono stati almeno altri due tentativi di "spiegarlo" alla luce di altre interpretazioni della meccanica quantistica che non sia quella usuale di cui abbiamo parlato prima.

Nell'interpretazione a molti mondi di H. Everett III, per esempio, ogni osservazione quantica sdoppia gli avvenimenti del cosmo. Per l'entanglement, quindi, vi sarebbero due fotogrammi classici in cui i valori di spin di A e B sono ben determinati; in questo modo tutte le stranezze della meccanica quantistica vengono eliminate e l'entanglement semplicemente non esiste più. Ma la semplicità classica si paga con una crescente complessità di situazioni o di "mondi".

Oppure vi è la teoria olografica di Bohm che ritiene, viceversa, l'entanglement la vera base costitutiva dell'Universo. Il lavoro di Bohm individua una "variabile nascosta" ben precisa: lo spazio. La particella allora seguirebbe una traiettoria classica determinata "pilotata" dalle onde di De Broglie sotto l'azione di un "potenziale quantico"; tale teoria a variabili nascoste non locali non viene inficiata dal lavoro di Bell, che a sua volta però rendeva piena cittadinanza alla "spettrale azione a distanza".