Se un albero cade in una foresta e nessuno è lì ad ascoltarlo, fa rumore? Forse no, alcuni dicono.

E se qualcuno è lì per ascoltarlo? Se pensi che questo significhi ovviamente fatto fare un suono, potrebbe essere necessario rivedere tale parere.

Abbiamo trovato un nuovo paradosso nella meccanica quantistica, una delle nostre due teorie scientifiche più fondamentali, insieme alla teoria della relatività di Einstein, che mette in dubbio alcune idee di buon senso sulla realtà fisica.

Meccanica quantistica vs buon senso

Dai un'occhiata a queste tre affermazioni:

1. Quando qualcuno osserva accadere un evento, esso veramente accaduto.
2. È possibile effettuare scelte libere, o quantomeno, scelte statisticamente casuali.
3. Una scelta fatta in un luogo non può influenzare istantaneamente un evento lontano. (I fisici chiamano questa "località".)

Queste sono tutte idee intuitive, e ampiamente creduto anche dai fisici. Ma la nostra ricerca, pubblicato in Fisica della natura , mostra che non possono essere tutte vere, o la stessa meccanica quantistica deve crollare a un certo livello.

Questo è il risultato più forte di una lunga serie di scoperte nella meccanica quantistica che hanno capovolto le nostre idee sulla realtà. Per capire perché è così importante, diamo un'occhiata a questa storia.

La battaglia per la realtà

La meccanica quantistica funziona molto bene per descrivere il comportamento di piccoli oggetti, come atomi o particelle di luce (fotoni). Ma quel comportamento è... molto strano.

In molti casi, la teoria quantistica non fornisce risposte definitive a domande come "dov'è questa particella in questo momento?" Anziché, fornisce solo le probabilità su dove potrebbe essere trovata la particella quando viene osservata.

Per Niels Bohr, uno dei fondatori della teoria un secolo fa, non è perché ci mancano le informazioni, ma perché le proprietà fisiche come la "posizione" in realtà non esistono finché non vengono misurate.

E per di più, poiché alcune proprietà di una particella non possono essere osservate perfettamente contemporaneamente, come la posizione e la velocità, non possono essere vero contemporaneamente.

Non meno di Albert Einstein trovò questa idea insostenibile. In un articolo del 1935 con i colleghi teorici Boris Podolsky e Nathan Rosen, sosteneva che nella realtà doveva esserci più di quanto la meccanica quantistica potesse descrivere.

L'articolo considerava una coppia di particelle distanti in uno stato speciale ora noto come stato "entangled". Quando la stessa proprietà (diciamo, posizione o velocità) viene misurata su entrambe le particelle entangled, il risultato sarà casuale, ma ci sarà una correlazione tra i risultati di ciascuna particella.

Per esempio, un osservatore che misura la posizione della prima particella potrebbe prevedere perfettamente il risultato della misurazione della posizione di quella lontana, senza nemmeno toccarlo. Oppure l'osservatore potrebbe scegliere di prevedere invece la velocità. Questo aveva una spiegazione naturale, hanno discusso, se entrambe le proprietà esistevano prima di essere misurate, contrariamente all'interpretazione di Bohr.

Però, nel 1964 il fisico nordirlandese John Bell scoprì che l'argomentazione di Einstein non funzionava se si eseguiva una combinazione più complicata di diverso misurazioni sulle due particelle.

Bell ha mostrato che se i due osservatori scelgono casualmente e indipendentemente tra misurare l'una o l'altra proprietà delle loro particelle, come posizione o velocità, i risultati medi non possono essere spiegati in nessuna teoria in cui sia la posizione che la velocità erano proprietà locali preesistenti.

Sembra incredibile, ma gli esperimenti hanno ora dimostrato in modo conclusivo che le correlazioni di Bell si verificano. Per molti fisici, questa è la prova che Bohr aveva ragione:le proprietà fisiche non esistono finché non vengono misurate.

Ma ciò solleva la domanda cruciale:cosa c'è di così speciale in una "misura"?

L'osservatore, osservato

Nel 1961, il fisico teorico ungherese-americano Eugene Wigner ha ideato un esperimento mentale per mostrare cosa c'è di così complicato nell'idea di misurazione.

Ha considerato una situazione in cui il suo amico entra in un laboratorio ermeticamente sigillato ed esegue una misurazione su una particella quantistica:la sua posizione, dire.

Però, Wigner notò che se avesse applicato le equazioni della meccanica quantistica per descrivere questa situazione dall'esterno, il risultato è stato ben diverso. Invece della misurazione dell'amico che rende reale la posizione della particella, dal punto di vista di Wigner, l'amico rimane impigliato nella particella e infettato dall'incertezza che lo circonda.

Questo è simile al famoso gatto di Schrödinger, un esperimento mentale in cui il destino di un gatto in una scatola si intreccia con un evento quantistico casuale.

Per Wigner, questa era una conclusione assurda. Anziché, credeva che una volta che la coscienza di un osservatore fosse coinvolta, l'intreccio sarebbe "collasso" per rendere definitiva l'osservazione dell'amico.

E se Wigner si fosse sbagliato?

Il nostro esperimento

Nella nostra ricerca, abbiamo costruito su una versione estesa del paradosso dell'amico di Wigner, proposta per la prima volta da Časlav Brukner dell'Università di Vienna. In questo scenario, ci sono Due fisici, li chiamano Alice e Bob, ciascuno con i propri amici (Charlie e Debbie) in due laboratori lontani.

C'è un'altra svolta:Charlie e Debbie ora stanno misurando una coppia di particelle entangled, come negli esperimenti di Bell.

Come nell'argomento di Wigner, le equazioni della meccanica quantistica ci dicono che Charlie e Debbie dovrebbero rimanere entangled con le loro particelle osservate. Ma poiché quelle particelle erano già impigliate tra loro, Charlie e Debbie stessi dovrebbero rimanere invischiati, in teoria.

Ma cosa implica sperimentalmente?

Il nostro esperimento funziona così:gli amici entrano nei loro laboratori e misurano le loro particelle. Qualche tempo dopo, Alice e Bob lanciano una moneta ciascuno. Se sono teste, aprono la porta e chiedono al loro amico cosa hanno visto. Se è croce, eseguono una misurazione diversa.

Questa diversa misurazione dà sempre un esito positivo per Alice se Charlie è impigliato con la sua particella osservata nel modo calcolato da Wigner. Allo stesso modo per Bob e Debbie.

In ogni realizzazione di questa misurazione, però, qualsiasi registrazione dell'osservazione del loro amico all'interno del laboratorio è bloccata dal raggiungere il mondo esterno. Charlie o Debbie non ricorderanno di aver visto nulla all'interno del laboratorio, come svegliarsi dall'anestesia totale.

Ma è davvero successo, anche se non lo ricordano?

Se le tre idee intuitive all'inizio di questo articolo sono corrette, ogni amico ha visto un risultato reale e unico per la sua misurazione all'interno del laboratorio, indipendentemente dal fatto che Alice o Bob abbiano deciso in seguito di aprire la loro porta. Anche, ciò che Alice e Charlie vedono non dovrebbe dipendere da come atterra la lontana moneta di Bob, e viceversa.

Abbiamo mostrato che se così fosse, ci sarebbero dei limiti alle correlazioni che Alice e Bob potrebbero aspettarsi di vedere tra i loro risultati. Abbiamo anche mostrato che la meccanica quantistica prevede che Alice e Bob vedranno correlazioni che vanno oltre quei limiti.

Prossimo, abbiamo fatto un esperimento per confermare le previsioni della meccanica quantistica usando coppie di fotoni entangled. Il ruolo della misurazione di ciascun amico è stato giocato da uno dei due percorsi che ogni fotone può seguire nella configurazione, a seconda di una proprietà del fotone chiamata "polarizzazione". Questo è, il percorso "misura" la polarizzazione.

Il nostro esperimento è solo una prova di principio, poiché gli "amici" sono molto piccoli e semplici. Ma apre la questione se gli stessi risultati varrebbero per osservatori più complessi.

Potremmo non essere mai in grado di fare questo esperimento con veri umani. Ma sosteniamo che un giorno potrebbe essere possibile creare una dimostrazione conclusiva se l'"amico" è un'intelligenza artificiale di livello umano in esecuzione in un enorme computer quantistico.

Che cosa significa tutto questo?

Sebbene un test conclusivo possa essere a decenni di distanza, se le previsioni della meccanica quantistica continuano a valere, questo ha forti implicazioni per la nostra comprensione della realtà, anche più delle correlazioni di Bell. Per uno, le correlazioni che abbiamo scoperto non possono essere spiegate semplicemente dicendo che le proprietà fisiche non esistono finché non vengono misurate.

Ora viene messa in discussione l'assoluta realtà degli stessi risultati della misurazione.

I nostri risultati costringono i fisici ad affrontare il problema della misurazione a testa alta:o il nostro esperimento non si amplia, e la meccanica quantistica lascia il posto alla cosiddetta "teoria del collasso oggettivo, "oppure una delle nostre tre ipotesi di buon senso deve essere respinta.

Ci sono teorie, come de Broglie-Bohm, che postulano "azione a distanza, " in cui le azioni possono avere effetti istantanei altrove nell'universo. Tuttavia, questo è in diretto conflitto con la teoria della relatività di Einstein.

Alcuni cercano una teoria che rifiuti la libertà di scelta, ma o richiedono una causalità a ritroso, o una forma apparentemente cospirativa di fatalismo chiamata "superdeterminismo".

Un altro modo per risolvere il conflitto potrebbe essere quello di rendere la teoria di Einstein ancora più relativa. Per Einstein, diversi osservatori potrebbero non essere d'accordo su quando o dove succede qualcosa, ma che cosa succede era un fatto assoluto.

Però, in alcune interpretazioni, come la meccanica quantistica relazionale, QBismo, o l'interpretazione dei molti mondi, gli eventi stessi possono verificarsi solo in relazione a uno o più osservatori. Un albero caduto osservato da qualcuno potrebbe non essere un dato di fatto per tutti gli altri.

Tutto ciò non implica che tu possa scegliere la tua realtà. in primo luogo, puoi scegliere quali domande porre, ma le risposte le danno il mondo. E anche in un mondo relazionale, quando due osservatori comunicano, le loro realtà sono intrecciate. In questo modo può emergere una realtà condivisa.

Il che significa che se entrambi assistiamo alla caduta dello stesso albero e dici che non puoi sentirlo, potresti aver bisogno solo di un apparecchio acustico.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.