Il Premio Nobel per la fisica 2022 ha riconosciuto tre scienziati che hanno apportato contributi rivoluzionari alla comprensione di uno dei fenomeni naturali più misteriosi:l'entanglement quantistico.
In termini più semplici, l’entanglement quantistico significa che gli aspetti di una particella di una coppia entanglement dipendono dagli aspetti dell’altra particella, non importa quanto siano distanti o cosa si trovi tra loro. Queste particelle potrebbero essere, ad esempio, elettroni o fotoni, e un aspetto potrebbe essere lo stato in cui si trova, ad esempio se sta "ruotando" in una direzione o nell'altra.
La parte strana dell'entanglement quantistico è che quando misuri qualcosa su una particella in una coppia entanglement, sai immediatamente qualcosa sull'altra particella, anche se sono distanti milioni di anni luce. Questa strana connessione tra le due particelle è istantanea e apparentemente infrange una legge fondamentale dell'universo. Albert Einstein chiamò il fenomeno "spettrale azione a distanza".
Avendo trascorso gran parte dei due decenni conducendo esperimenti radicati nella meccanica quantistica, sono arrivato ad accettarne la stranezza. Grazie a strumenti sempre più precisi e affidabili e al lavoro dei vincitori del Nobel di quest'anno, Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger, i fisici ora integrano i fenomeni quantistici nella loro conoscenza del mondo con un eccezionale grado di certezza.
Tuttavia, anche fino agli anni ’70, i ricercatori erano ancora divisi sulla questione se l’entanglement quantistico fosse un fenomeno reale. E per buone ragioni:chi oserebbe contraddire il grande Einstein, che ne dubitava lui stesso? Ci sono voluti lo sviluppo di una nuova tecnologia sperimentale e ricercatori audaci per risolvere finalmente questo mistero.
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Per comprendere veramente l’inquietudine dell’entanglement quantistico, è importante prima comprendere la sovrapposizione quantistica. La sovrapposizione quantistica è l'idea che le particelle esistono in più stati contemporaneamente. Quando viene eseguita una misurazione, è come se la particella selezionasse uno degli stati nella sovrapposizione.
Ad esempio, molte particelle hanno un attributo chiamato spin che viene misurato come "su" o "giù" per un dato orientamento dell'analizzatore. Ma finché non si misura lo spin di una particella, essa esiste simultaneamente in una sovrapposizione di spin su e spin giù.
Ad ogni stato è associata una probabilità ed è possibile prevedere il risultato medio da molte misurazioni. La probabilità che una singola misurazione aumenti o diminuisca dipende da queste probabilità, ma è di per sé imprevedibile.
Sebbene molto strani, la matematica e un vasto numero di esperimenti hanno dimostrato che la meccanica quantistica descrive correttamente la realtà fisica.
L'inquietudine dell'entanglement quantistico emerge dalla realtà della sovrapposizione quantistica ed era chiara ai padri fondatori della meccanica quantistica che svilupparono la teoria negli anni '20 e '30.
Per creare particelle aggrovigliate, essenzialmente si spezza un sistema in due, di cui si conosce la somma delle parti. Ad esempio, puoi dividere una particella con spin pari a zero in due particelle che necessariamente avranno spin opposti in modo che la loro somma sia zero.
Nel 1935, Albert Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen pubblicarono un articolo che descrive un esperimento mentale progettato per illustrare un'apparente assurdità dell'entanglement quantistico che metteva in discussione una legge fondamentale dell'universo.
Una versione semplificata di questo esperimento mentale, attribuita a David Bohm, considera il decadimento di una particella chiamata mesone pi greco. Quando questa particella decade, produce un elettrone e un positrone che hanno spin opposto e si allontanano l'uno dall'altro. Pertanto, se lo spin misurato dell'elettrone è alto, allora lo spin misurato del positrone potrebbe essere solo basso e viceversa. Questo è vero anche se le particelle sono distanti miliardi di chilometri.
Ciò andrebbe bene se la misurazione dello spin dell'elettrone fosse sempre alta e lo spin misurato del positrone fosse sempre basso. Ma a causa della meccanica quantistica, lo spin di ciascuna particella è sia in parte verso l'alto che in parte verso il basso finché non viene misurato. Solo quando avviene la misurazione lo stato quantistico dello spin “collassa” in alto o in basso, facendo collassare istantaneamente l’altra particella nello spin opposto. Ciò sembra suggerire che le particelle comunichino tra loro attraverso qualche mezzo che si muove più velocemente della velocità della luce. Ma secondo le leggi della fisica, nulla può viaggiare più veloce della luce. Sicuramente lo stato misurato di una particella non può determinare istantaneamente lo stato di un'altra particella all'estremità dell'universo?
I fisici, incluso Einstein, proposero una serie di interpretazioni alternative dell’entanglement quantistico negli anni ’30. Hanno teorizzato che esistesse qualche proprietà sconosciuta – soprannominata variabili nascoste – che determinava lo stato di una particella prima della misurazione. Ma all'epoca, i fisici non avevano la tecnologia né una definizione di misurazione chiara che potesse verificare se la teoria quantistica dovesse essere modificata per includere variabili nascoste.
Ci volle fino agli anni '60 prima che ci fossero indizi per una risposta. John Bell, un brillante fisico irlandese che non visse abbastanza da ricevere il Premio Nobel, ideò uno schema per verificare se la nozione di variabili nascoste avesse senso.
Bell produsse un'equazione ora nota come disuguaglianza di Bell che è sempre corretta – e solo corretta – per le teorie delle variabili nascoste, e non sempre per la meccanica quantistica. Pertanto, se si scoprisse che l'equazione di Bell non è soddisfatta in un esperimento nel mondo reale, le teorie locali delle variabili nascoste possono essere escluse come spiegazione dell'entanglement quantistico.
Gli esperimenti dei premi Nobel 2022, in particolare quelli di Alain Aspect, sono stati i primi test della disuguaglianza di Bell. Gli esperimenti hanno utilizzato fotoni entangled, piuttosto che coppie di un elettrone e un positrone, come in molti esperimenti mentali. I risultati hanno definitivamente escluso l’esistenza di variabili nascoste, un attributo misterioso che predeterminerebbe gli stati delle particelle entangled. Nel complesso, questi e molti altri esperimenti successivi hanno confermato la meccanica quantistica. Gli oggetti possono essere correlati su grandi distanze in modi che la fisica prima della meccanica quantistica non può spiegare.
È importante sottolineare che non vi è alcun conflitto con la relatività speciale, che vieta la comunicazione a velocità superiore alla luce. Il fatto che le misurazioni su grandi distanze siano correlate non implica che l’informazione venga trasmessa tra le particelle. Due soggetti distanti tra loro che eseguono misurazioni su particelle entangled non possono sfruttare il fenomeno per trasmettere informazioni a una velocità superiore a quella della luce.
Oggi i fisici continuano a ricercare l’entanglement quantistico e a indagare sulle potenziali applicazioni pratiche. Sebbene la meccanica quantistica possa prevedere la probabilità di una misurazione con incredibile precisione, molti ricercatori rimangono scettici sul fatto che essa fornisca una descrizione completa della realtà. Una cosa è certa, però. Resta ancora molto da dire sul misterioso mondo della meccanica quantistica.
Andreas Muller è professore associato di fisica presso l'Università della Florida del Sud. Riceve finanziamenti dalla National Science Foundation.
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