Il Premio Nobel per la fisica quest'anno è stato assegnato "per esperimenti con fotoni entangled, che hanno stabilito la violazione delle disuguaglianze di Bell e hanno aperto la strada alla scienza dell'informazione quantistica".

Per capire cosa significa e perché questo lavoro è importante, dobbiamo capire come questi esperimenti abbiano risolto un lungo dibattito tra i fisici. E un attore chiave in quel dibattito è stato un fisico irlandese di nome John Bell.

Negli anni '60, Bell capì come tradurre una domanda filosofica sulla natura della realtà in una domanda fisica a cui la scienza potesse rispondere, e lungo la strada ruppe la distinzione tra ciò che sappiamo sul mondo e su come il mondo è realmente .

Entanglement quantistico

Sappiamo che gli oggetti quantistici hanno proprietà che di solito non attribuiamo agli oggetti della nostra vita ordinaria. A volte la luce è un'onda, a volte è una particella. Il nostro frigorifero non lo fa mai.

Quando si tenta di spiegare questo tipo di comportamento insolito, possiamo immaginare due tipi generali di spiegazione. Una possibilità è che percepiamo chiaramente il mondo quantistico, così com'è, e sembra proprio che sia insolito. Un'altra possibilità è che il mondo quantistico sia proprio come il mondo ordinario che conosciamo e amiamo, ma la nostra visione di esso è distorta, quindi non possiamo vedere chiaramente la realtà quantistica, così com'è.

Nei primi decenni del 20° secolo, i fisici erano divisi su quale spiegazione fosse giusta. Tra coloro che pensavano che il mondo quantistico fosse insolito c'erano figure come Werner Heisenberg e Niels Bohr. Tra coloro che pensavano che il mondo quantistico dovesse essere proprio come il mondo ordinario, e la nostra visione di esso è semplicemente nebbiosa, c'erano Albert Einstein ed Erwin Schrödinger.

Al centro di questa divisione c'è un'insolita previsione della teoria quantistica. Secondo la teoria, le proprietà di alcuni sistemi quantistici che interagiscono rimangono dipendenti l'una dall'altra, anche quando i sistemi sono stati spostati a grande distanza l'uno dall'altro.

Nel 1935, lo stesso anno in cui ha ideato il suo famoso esperimento mentale che coinvolge un gatto intrappolato in una scatola, Schrödinger ha coniato il termine "entanglement" per questo fenomeno. Ha affermato che è assurdo credere che il mondo funzioni in questo modo.

Il problema dell'entanglement

Se i sistemi quantistici entangled rimangono davvero connessi anche quando sono separati da grandi distanze, sembrerebbe che in qualche modo comunichino tra loro istantaneamente. Ma questo tipo di connessione non è consentita, secondo la teoria della relatività di Einstein. Einstein definì questa idea "azione spettrale a distanza".

Sempre nel 1935, Einstein, insieme a due colleghi, ideò un esperimento mentale che mostrava che la meccanica quantistica non può darci l'intera storia sull'entanglement. Pensavano che ci dovesse essere qualcosa di più nel mondo che non possiamo ancora vedere.

Ma con il passare del tempo, la questione di come interpretare la teoria quantistica è diventata una nota accademica. La domanda sembrava troppo filosofica e negli anni '40 molte delle menti più brillanti della fisica quantistica erano impegnate a utilizzare la teoria per un progetto molto pratico:costruire la bomba atomica.

Fu solo negli anni '60, quando il fisico irlandese John Bell si rivolse al problema dell'entanglement, che la comunità scientifica si rese conto che questa domanda apparentemente filosofica poteva avere una risposta tangibile.

Teorema di Bell

Utilizzando un semplice sistema entangled, Bell estese l'esperimento mentale di Einstein del 1935. Ha mostrato che non c'era modo che la descrizione quantistica potesse essere incompleta mentre proibiva "un'azione spettrale a distanza" e corrispondeva ancora alle previsioni della teoria quantistica.

Non una buona notizia per Einstein, a quanto pare. Ma questa non è stata una vittoria istantanea per i suoi avversari.

Questo perché negli anni '60 non era evidente se le previsioni della teoria quantistica fossero effettivamente corrette. Per dimostrare davvero il punto di Bell, qualcuno ha dovuto mettere alla prova sperimentale questa argomentazione filosofica sulla realtà, trasformata in un vero sistema fisico.

E questo, ovviamente, è il punto in cui due dei premi Nobel di quest'anno entrano nella storia. Prima John Clauser, e poi Alain Aspect, eseguirono gli esperimenti sul sistema proposto da Bell che alla fine dimostrò che le previsioni della meccanica quantistica erano accurate. Di conseguenza, a meno che non accettiamo "azioni spettrali a distanza", non ci sono ulteriori resoconti di sistemi quantistici entangled in grado di descrivere il mondo quantistico osservato.

Quindi Einstein si sbagliava?

È forse una sorpresa, ma questi progressi nella teoria quantistica sembrano aver mostrato che Einstein si sbagliava su questo punto. Cioè, sembra che non abbiamo una visione nebbiosa di un mondo quantistico che è proprio come il nostro mondo ordinario.

Ma anche l'idea che percepiamo chiaramente un mondo quantistico intrinsecamente insolito è troppo semplicistica. E questo fornisce una delle lezioni filosofiche chiave di questo episodio della fisica quantistica.

Non è più chiaro che possiamo ragionevolmente parlare del mondo quantistico al di là della nostra descrizione scientifica di esso, cioè al di là delle informazioni ne abbiamo.

Come ha affermato il terzo premio Nobel di quest'anno, Anton Zeilinger:"La distinzione tra realtà e nostra conoscenza della realtà, tra realtà e informazione, non può essere fatta. Non c'è modo di fare riferimento alla realtà senza utilizzare le informazioni che abbiamo a riguardo. "

Questa distinzione, che comunemente supponiamo sia alla base della nostra normale immagine del mondo, è ora irrimediabilmente sfocata. E dobbiamo ringraziare John Bell.

Sentiamo per John Bell però. Voglio dire Cristo, davvero. Fu grazie a lui che i fondamenti quantistici divennero fisica sperimentale e non filosofia. (Niente contro la filosofia, ma è bene avere risposte a volte.)

— Philip Ball (@philipcball) 4 ottobre 2022