Un esperimento per telepatici (e particelle entangled)

Se volessimo mettere alla prova una coppia di sedicenti telepatici (che chiameremo Alice e Bob) potremmo eseguire questo esperimento, ideato da Bell negli anni '60:

prendiamo i due individui e li mettiamo in due stanze separate in modo che non possano comunicare in nessun modo e gli mostriamo, ad ognuno con sequenze casuali,  dei cartelli con le lettere A, B e C.

Ad ogni lettera Alice e Bob scriveranno SI oppure NO su di un foglio e successivamente andremo ad analizzare le risposte per verificare con quale grado di accordo queste si presentino.

In questo caso, per esempio, salterebbe subito all'occhio che sia Alice che Bob danno risposte Concordi proprio quando viene loro mostrata la stessa lettera, facendo vacillare la nostra convinzione che la telepatia sia solo una bufala! Infatti non può trattarsi di una casualità visto che provando e riprovando gli esiti continuano a dare gli stessi risultati coincidenti.

Supponiamo che Albert Einstein sia ancora vivo e chiediamo a lui di darci una spiegazione di tale fenomeno a prima vista soprannaturale: il vecchio Albert ci ragiona qualche minuto e poi ci da la sua spiegazione: Alice e Bob si sono messi d'accordo prima!!

Infatti basterebbe che prima dell'esperimento i due telepatici (ormai smascherati) avessero memorizzato le risposte secondo un preciso schema e i risultati ci apparirebbero quelli nella tabella sopra.

Prendiamo un possibile caso di accordo preliminare:

Come si può vedere esistono nove possibilità di risposta in questo caso, ma si può ripetere la stessa prova con altri tipi di accordi preliminari (es. A=no B=si C=si) ed il risultato sarà sempre lo stesso: su nove possibilità ci saranno 5 casi di risposte concordi e solo 4 di risposte discordi. Questa differenza di 5 a 4 viene definita disuguaglianza di Bell, dal nome del teorizzatore di questo giochino.
In termini pratici ciò sta a significare che qualunque esperienza eseguita con tale procedura, se vi è un accordo preliminare, statisticamente ci sarà un maggior numero di risposte concordi nella misura di 5/9.

Ma Bell non aveva ideato tutto ciò per smascherare i finti telepatici ma per cercare di capire come fosse possibile che coppie di particelle particolari, definite entangled, potessero avere comportamenti "concordi" o "discordi" anche quando queste fossero state messe a distanze tali da non permettere alcuna comunicazione.

Come si crea l'entanglement di una coppia di particelle? La teoria ci dice che lo stato di un sistema chiuso si deve in qualche modo conservare e quindi le varie caratteristiche in esso contenute; quindi se riuscissimo a prelevare due particelle contenute in tale sistema, ognuna con caratteristiche proprie e le spedissimo in direzioni opposte ad una elevata distanza, gli stati di entrambe rimarrebbero correlati (entangled) visto che provengono dalla stessa origine e che il "totale" del sistema non può cambiare.

Se trasliamo l'esperimento precedente in uno equivalente di fisica delle particelle, potremmo immaginare un generatore di coppie di fotoni entangled che partono in direzioni opposte e che possono presentare entrambi tre diverse polarizzazioni (A,B,C); la polarizzazione corrisponde all'inclinazione che un onda elettromagnetica (luce) ha nello spazio. Dopo aver percorso una distanza quantisticamente enorme (cioè Alice e Bob non possono comunicare), i due rilevatori, Alice e Bob, "misurano" con un polarizzatore entrambe le particelle (si=fotone passa, no=fotone non passa).

In pratica quando i fotoni sono polarizzati allo stesso modo (entagled) se incontrano entrambe i polarizzatori girati con il loro stesso angolo (per esempio 0°) i fotoni li attraverseranno ed entrambe i rilevatori Alice e Bob faranno un click (corrisponde al si dell'esempio precedente); se i polarizzatori fossero entrambi girati a 120° rispetto l'angolo dei due fotoni, nessuno dei due rilevatori farebbe click (entrambi no). La cosa interessante è il comportamento dei fotoni quando incontrano il polarizzatore ad un angolo intermedio di 60°: per il 50% delle volte passano mentre il 50% dei casi non passano. E' come se nell'esperimento dei due telepatici non si fossero messi d'accordo sulla lettera B e quindi ci fossero risposte casuali in tale situazione.

Se usiamo la meccanica quantistica per fare previsioni sull'esperimento dei fotoni possiamo arrivare alle seguenti conclusioni:
- i fotoni correlati quantisticamente hanno la stessa polarizzazione e sono casualmente distribuiti con eguale probabilità orizzontali e verticali
- se Alice e Bob misurano la polarizzazione lungo la stessa direzione ottengono sempre lo stesso risultato (si/si , no/no)
- se misurano la polarizzazione su angoli diversi (es. Alice 120° e Bob 60°) la probabilità di accordo è pari ad 1/4

Facendo il calcolo delle probabilità di accordo o disaccordo vediamo che per i 3/9 dei casi la probabilità di accordo è 1 (cioè 100%) mentre per i 6/9 dei casi la probabilità è di 1/4 (cioè del 25%):

3/9 x 1+6/9 x 1/4 = 1/2

Quindi la previsione della meccanica quantistica viola la disuguaglianza di Bell che prevede, in caso di un accordo preliminare da parte di Alice e Bob (che per i fotoni significa avere già uno stato preordinato alla partenza),  una percentuale di casi concordi di 5/9.

In parole povere, per la teoria, i fotoni non possono avere degli stati che già nella loro creazione sono preventivamente definiti (il famoso accordo preliminare che Einstein ci ha suggerito), ma gli stati dei fotoni stessi dipendono dalla misura, cioè dal passaggio nel filtro polarizzatore di Alice e Bob.
Infatti proprio Einstein, assieme a Boris Podolsky e Nathan Rosen, trenta anni prima aveva immaginato tramite il paradosso EPR che l'unica correlazione che ci poteva essere tra due particelle entangled era quella di qualche variabile nascosta (l'accordo preliminare) e per 30 anni questa spiegazione sembrò in qualche modo fare luce sull'entaglement quantistico.
Poi arrivarono Bell e successivamente i primi esperimenti in laboratorio e fu un successo incredibile per la teoria dei quanti quando i risultati stabilirono che era effettivamente il 50% dei casi concordi che si presentavano durante le misure e non i 5/9 come il teorema di Bell annunciava.

Le implicazioni sono profonde perché significa che due particelle, indipendentemente dalla loro distanza, se sono correlate quantisticamente, continuano ad essere unite nel loro destino: cioè l'Universo ci sembra così vasto da apparire infinito, ma potrebbe essere minuscolo per due particelle entangled. 

Molti dei concetti che ho espresso sopra prendono spunto dal filmato che potete vedere qui

Troll quantistici

Tutti gli esperimenti che hanno dato origine alle varie interpretazione della meccanica quantistica hanno qualcosa in comune; spingono le particelle nel loro micro universo a compiere strane evoluzioni che nel mondo fisico reale accadono raramente ed in alcuni casi mai.

Dall'entaglement quantistico all'esperimento delle due fenditure, i fisici hanno investigato la natura spingendosi ai confini della comprensione sfruttando le proprietà degli oggetti quantici che però nel mondo macroscopico non sono praticamente mai osservabili;

prendiamo ad esempio l'esperimento EPR che descrive la correlazione quantistica di una coppia di oggetti appositamente creata per avere qualità complementari: in laboratorio si potrebbe dar origine ad un elettrone ed un antielettrone per poi separarli prima che possano annichilirsi e spedirli a distanza l'uno dall'altro in modo che neanche la luce possa percorrere tale distanza in tempo utile (normalmente si usano degli economici fotoni ma l'immagine delle antiparticelle mi intriga di più).

Il problema è che tutto il procedimento da mettere in atto per testare la correlazione (entaglement) tra i due oggetti è qualcosa di assolutamente arbitrario e forzato, e che in natura non accadrebbe praticamente mai, e lasciate libere, a seguito di una creazione di particella ed antiparticella, queste si annichilirebbero in qualche nanosecondo: tra l'altro proprio la propensione della natura a non creare coppie correlate quantisticamente per poi separarle, sta alla base delle difficoltà che i ricercatori hanno incontrato prima nel realizzare l'esperimento EPR ed oggi stanno incontrando nella realizzazione del computer quantistico.

Ciò che vorrei dire è che gli esperimenti sono alla base della conoscenza in quanto permettono di capire, anche da stranezze ed anomalie, le caratteristiche di alcuni aspetti della natura, ma ciò non significa che la natura delle cose sia così strana ed anomala. Gli oggetti che vediamo e percepiamo attorno a noi sono reali e come diceva Einstein "la luna esiste anche quando non la vediamo"; questo non vuol dire che creare per esempio nuovi atomi artificiali per allungare la tabella periodica degli elementi sia una cosa sbagliata, ma rimane il fatto che quegli elementi non esistono sulla Terra e non saranno mai stabili e scompariranno in un attimo se lasciati liberi.


Facciamo riferimento ad un altro celebre esperimento, quello della doppia fenditura, che è alle fondamenta della interpretazione che le particelle siano degli oggetti che percepiscono lo sguardo indiscreto dell'osservatore, e si comportino di conseguenza ingannando gli studiosi che prima percepiscono la natura ondulatoria della particella ma dopo averla osservata ne rilevano la sua composizione corpuscolare; il fatto è che l'oggetto quantistico è il conseguente anello di congiunzione tra energia ondulatoria e pacchetto di materia, e se è vero che l'energia equivale in qualche modo alla massa, ci deve essere per forza un momento di transizione tra questi due aspetti della natura apparentemente così distanti. La particella è proprio l'anello di congiunzione, il punto di transizione di stato ed è per questo ci può apparire sia come onda che come corpuscolare.

Il mondo quantico è la terra di mezzo, non quella di confine: quello che troveremo al di là, che siano stringhe, membrane o minuscole dimensioni arrotolate, sarà in ogni caso un mondo fatto esclusivamente di energia, di vibrazione e di spazio; sempre meglio dei troll e dei folletti.

Non esiste più quel "locale" di una volta...

Basta digitare su di un motore di ricerca il termine "quantistico" oppure "entanglement" per capire che il significato prettamente scientifico di queste parole sia stato utilizzato per giustificare il nascere di movimenti mistico/religiosi in stile "new age": da dove nasce la connessione tra la seria ricerca dei fisici del secolo scorso e questa ondata di pseudo-spiritualità?

L'origine delle visioni più mistiche della meccanica quantistica devono essere ricercate nella sua interpretazione più ortodossa e primordiale, quella cosiddetta di Copenaghen, in cui si delineavano le caratteristiche di un mondo fisico nuovo, quello appunto quantistico, che non aveva più nulla a che vedere con quello classico del macrocosmo di cui tutti abbiamo esperienza quotidiana; in particolare nel mondo dei quanti, secondo l'interpretazione concordata dai maggiori esperti nel 1927, non valevano più i principi di realtà e di località, che ora cercherò di spiegare meglio.

Il realismo fisico, quello tanto caro ad Einstein, è definito dalla proprietà degli oggetti di possedere caratteristiche misurabili preesistenti all'osservazione (e quindi alla misurazione) per cui il fatto che un oggetto sia al centro di un esperimento o meno, non cambia la realtà fisica di quell'oggetto che si evolverebbe comunque indipendentemente dal nostro esame: la fisica dei quanti non sembrerebbe ammettere questa realtà perché ad ogni nostra misurazione l'oggetto quantistico (pensiamo ad un elettrone od un altra particella) cambia la propria caratteristica ed il proprio comportamento.

Per spiegare con un analogia questa evoluzione della fisica del microcosmo pensiamo a cosa accade quando immergiamo un termometro in un bicchiere pieno d'acqua per misurarne la temperatura: anche se in modo impercettibile l'immersione del termometro (che avrà una certa temperatura) andrà a turbare la temperatura dell'acqua nel bicchiere che però, essendo un oggetto macroscopico, non si accorgerà quasi della nostra azione; se però riduciamo sempre di più le dimensioni del bicchiere fino a fargli contenere una sola molecola di acqua, comprendiamo subito che il gesto di mettere a contatto il termometro con questa minuscola goccia, cambierà inevitabilmente la temperatura della stessa. Purtroppo ciò che accade a livello di particelle è ancora più complesso di ciò che ho provato a descrivere con l'esempio appena citato e comportamenti duali (onda o particella) hanno fatto emergere un mondo microscopico completamente bizzarro e casuale fino ad originare una interpretazione non realistica della fisica delle microcosmo: quindi secondo l'interpretazione di Copenaghen gli oggetti quantistici si trovano in una sovrapposizione di stati fino a quando qualcuno non li osserva (il famoso gatto vivo e morto di Schrödinger).

Il principio di non località è ancora più sconvolgente di quello del non realismo ed infatti è quello più  utilizzato dai vari santoni per giustificare una connessione universale che vedrebbe l'umanità ed il cosmo stesso in uno stato di entanglement: tralasciando le visioni mistiche, effettivamente a livello quantistico succede una cosa completamente lontana dalla nostra esperienza quotidiana che ci induce immediatamente a pensare più alla magia che alla scienza.
Se prendiamo due particelle create appositamente con caratteristiche complementari (ad esempio con spin opposti) e le allontaniamo ad enorme distanza una dall'altra, nel momento stesso in cui interagisco con una delle due, l'altra istantaneamente ed indipendentemente dalla distanza reagirà come se fosse collegata alla prima; in pratica si assiste ad un teletrasporto dell'informazione quantistica e questo ha creato speculazioni su possibili ed imminenti costruzioni della macchina per il teletrasporto, di invisibili connessioni celebrali tra tutti gli uomini sulla Terra, di possibili giustificazioni alla telecinesi e chi più ne ha più ne metta.

Innanzi tutto chiariamo immediatamente che entrambi i principi di non realtà e non località sono validi esclusivamente per il microscopico mondo delle particelle, poi specifichiamo che il principio di non realtà è stato messo in discussione da interpretazioni più moderne come la decoerenza quantistica e la meccanica di Bohm ed infine rassegnamoci al fatto che scendendo a scale infinitesimamente piccole la materia non si comporta come siamo abituati a pensare ed effettivamente il principiò di non località è stato dimostrato tramite il teorema di Bell e diversi esperimenti di tipo EPR.
Se fosse ancora vivo Einstein probabilmente dovrebbe rassegnarsi oggi al fatto che nonostante tutti i  suoi sforzi di dimostrare il contrario, non c'è proprio più il "locale" di un tempo...