Immagini artistiche sui famosi esperimenti di Bell, con ballerini che personificano arrangiamenti sperimentali in laboratori separati dallo spazio-tempo. Le stringhe di uno e zero alludono alla violazione della libera scelta mentre la nuvola in mezzo si riferisce alla mancanza di località. Ispirato dalla profonda scoperta della teoria quantistica che certi esperimenti confutano ogni spiegazione mantenendo il realismo, località e libera scelta, gli scienziati confrontano il peso di ciascuna ipotesi per le spiegazioni causali delle correlazioni osservate. Attestazione:IFJ PAN/Iwona Michniewska
Abbiamo libertà di scelta o le nostre decisioni sono predeterminate? La realtà fisica è locale, o quello che facciamo qui e ora ha un'influenza immediata sugli eventi altrove? Le risposte a queste domande sono ricercate dai fisici nelle disuguaglianze di Bell. Si scopre che la libera scelta e il realismo locale possono essere abilmente misurati e confrontati. I risultati ottenuti rivelano relazioni sorprendenti di natura fondamentale e universale, andando ben oltre la stessa meccanica quantistica.
Causalità, località, e la libera scelta sono legate da alcune semplici formule note come disuguaglianze di Bell. Sofisticati esperimenti di ottica quantistica negli ultimi decenni hanno indiscutibilmente dimostrato che queste disuguaglianze sono state infrante. Oggi, i fisici si trovano di fronte a un dilemma:dovremmo accettare una visione del mondo reale in cui mettiamo in discussione l'assunto sulla libera scelta dello sperimentatore, o rifiutare l'ipotesi di località degli esperimenti? Scienziati dell'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze di Cracovia (IFJ PAN), la British City University di Londra (CUL) e la tedesca Technische Hochschule Mittelhessen di Giessen (THM) hanno affrontato questo problema. I risultati delle loro ricerche che vanno ben oltre la sola fisica sono discussi in un articolo appena pubblicato sulla prestigiosa Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ).
"Il realismo è un concetto fisico in cui descriviamo il mondo in termini di relazioni causa-effetto. Località significa che le azioni non possono diffondersi istantaneamente. Quindi, se la realtà fisica deve soddisfare i requisiti del realismo locale, il risultato dell'esperimento sarà influenzato solo da ciò che si trova nelle sue immediate vicinanze, e non da ciò che sta accadendo proprio ora in una lontana galassia, " spiega il dottor Pawel Blasiak, il primo autore dell'articolo.
Scelta libera, un concetto apparentemente tipicamente filosofico, può anche essere trattato come un problema fisico o addirittura matematico. In questo approccio, la libera scelta si riferisce alle variabili che descrivono i parametri di un esperimento, ovvero ciò che misuriamo in laboratorio. Supponiamo di poter scegliere liberamente queste variabili, indipendentemente da quello che è successo in passato.
Nell'ambito di una visione del mondo in cui si applicano realismo locale e libera scelta, si possono derivare le disuguaglianze di Bell e poi condurre un esperimento per verificarle. Le idee principali possono essere illustrate come segue. Alice e Bob lavorano in laboratori agli estremi opposti della galassia. Un giorno ognuno di loro riceve una scatola. Mettono le scatole sui loro tavoli e ad un certo punto, aprirli con attenzione. Una moneta che gira esplode fuori dalla scatola, che ciascuno degli sperimentatori preme sul tavolo con i palmi delle mani. Alice e Bob ora notano se la moneta è andata testa a testa o croce. Prossimamente, arrivano spedizioni più simili. Dopo un po, Alice e Bob hanno una lunga lista di osservazioni in cui premono le monete in vari modi. Nessuno dei due vede nulla di insolito nei loro dati:teste e croci compaiono nelle loro liste in maniera puramente casuale.
La situazione cambia drasticamente quando Alice e Bob si incontrano all'Intergalactic Science Congress. Confrontano i loro dati e improvvisamente si scopre che nelle stesse osservazioni, quando la moneta di Alice è caduta in croce, La moneta di Bob è sempre andata a testa a testa e viceversa. Così, entrambi presumono che non sia una coincidenza e che le correlazioni che osservano debbano essere attribuite a qualche causa comune in agguato nel passato di entrambi gli oggetti inviati dalla stessa fonte. Il misterioso speditore delle scatole avrebbe potuto semplicemente istruire ogni moneta come atterrare quando premuta contro il tavolo in un determinato modo. Se fosse davvero così, Alice e Bob potrebbero indovinare questa istruzione e annunciare una scoperta spettacolare. Sfortunatamente, i loro sforzi non portano a nulla!
Disperato, Alice e Bob chiedono aiuto al geniale teorico John. Per prima cosa si chiede quali assunzioni i due scienziati abbiano adottato nel loro lavoro come vere e certe. "Crediamo che le correlazioni che abbiamo osservato dovrebbero essere spiegabili da una serie di cause ed effetti che si propagano nel tempo, " dice Alice. Bob chiarisce, "Pensiamo anche che nessuna causa influisca immediatamente sull'esperimento se è abbastanza lontano dal laboratorio". Entrambi credono fermamente che il modo in cui aprono le scatole non sia imposto loro in alcun modo e sono assolutamente convinti che siano loro a prendere la decisione su come premere sulla moneta. Con loro grande sorpresa, John spiega con calma che tutte queste ipotesi non possono essere conciliate con le correlazioni che osservano.
Infatti, Le disuguaglianze di Bell furono scoperte dal fisico nordirlandese John Stewart Bell nel 1964. Si ispirò al famoso problema dell'"azione spettrale a distanza", posato da Albert Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen nel 1935. Negli esperimenti fisici, dove il ruolo delle monete è svolto dai fotoni e teste e code sono le loro polarizzazioni osservate in varie direzioni, queste disuguaglianze sono effettivamente rotte. fisica contemporanea, perciò, ha un dilemma fondamentale:è meglio abbandonare l'idea di realismo locale, o forse mettere in discussione la libera scelta degli scienziati? Pochi fisici sono disposti a mettere in discussione il realismo che presuppone una causalità in linea con la freccia del tempo. Quindi o qualcosa "non va" con il presupposto del realismo locale o con la libera scelta degli sperimentatori.
"Il fatto che la realtà stia rompendo la disuguaglianza di Bell ci induce a porre domande intriganti. Ad esempio:quanto spesso, pur mantenendo la piena località, dovremmo rompere la libera scelta per ricreare le correlazioni osservate negli esperimenti? Ad ogni misurazione, La maggior parte delle volte, o forse solo a volte? Allo stesso modo, se manteniamo la libera scelta, quante volte dovremmo rompere una località?" si chiede il dott. Blasiak.
I risultati della ricerca del gruppo polacco-britannico-tedesco forniscono una risposta sorprendente. Si scopre che per ricreare le correlazioni registrate, pur mantenendo la libera scelta, la località dovrebbe essere violata altrettanto spesso quanto la libera scelta pur mantenendo la località. Per qualche (sconosciuto) motivo, la natura non favorisce minimamente né la località né la libera scelta.
Gli scienziati sono riusciti a ricavare formule per calcolare quanto spesso Alice e Bob avrebbero dovuto rompere la località o la libera scelta per ricreare le correlazioni osservate (in meccanica quantistica e non solo). In particolare, si scopre che il formalismo della meccanica quantistica impone che con il massimo entanglement tra fotoni, la rottura della località o della libera scelta si verifica ad ogni misura (che generalizza i risultati precedenti riguardanti la località stessa).
"La cosa più interessante è che il teorema di Bell non è affatto un'affermazione della meccanica quantistica, ma della teoria della probabilità, quindi ha un carattere universale. Anche i teoremi da noi dimostrati non si limitano alla fisica quantistica stessa, ma si applicano a tutte le situazioni che trattano di correlazioni riguardanti sistemi separabili, " sottolinea il dottor Blasiak.
"A parte la fisica in senso stretto, la rottura della località o della libera scelta non deve essere drammatica. Nella ricerca sul comportamento umano, basterebbe che Alice sussurri qualcosa a Bob per violare la località, " nota il prof. Emmanuel Pothos, uno psicologo al CUL. Un altro esempio è dato dal Prof. Christoph Gallus, economista di THM:"Se Alice e Bob sono giocatori in borsa, le loro scelte possono essere correlate semplicemente utilizzando determinate informazioni pubbliche".
L'universalità delle dipendenze riscontrate apre le porte ad applicazioni molto pratiche, come lo studio dei meccanismi del flusso di informazioni nei sistemi complessi. Vale la pena sottolineare che la natura generale di questo tipo di considerazioni deriva dalla natura stessa della domanda sulle cause delle correlazioni osservate, fondamentale e comune a tutta la scienza.
