Se le relazioni istantanee tra elementi distanti sembrano strane, le interazioni tra particelle che esistono in tempi diversi rasentano l’assurdo – eppure potrebbero accadere realmente.


In copertina: Paolo Scirpa, Senza titolo (2008) – Asta Pananti del 14/03/2018

Questo testo è la traduzione italiana di un articolo precedentemente uscito su Aeon

di Elise Crull

Nell’estate del 1935, Albert Einstein ed Erwin Schrödinger si impegnano in una ricca, poliedrica e talvolta frenetica corrispondenza sulle implicazioni della nuova teoria della meccanica quantistica. Il fulcro della loro preoccupazione è quel che Schrödinger ha successivamente definito entanglement: l’incapacità di descrivere indipendentemente due sistemi quantistici o due particelle dopo che hanno interagito.

Einstein rimane convinto fino alla morte che l’entanglement dimostri che la meccanica quantistica è incompleta. Schrödinger invece pensa che l’entanglement sia il tratto distintivo di una nuova fisica, ma comunque non lo accetta con leggerezza. “Naturalmente so come funziona l’abracadabra dal punto di vista matematico”, scrive a Einstein il 13 luglio 1935, “Ma questa teoria non mi piace”. Il famoso gatto di Schrödinger, sospeso tra la vita e la morte, appare per la prima volta in queste lettere, come un sottoprodotto della lotta per sviscerare quel che preoccupa i due scienziati.

Il problema è che l’entanglement viola il funzionamento del mondo. Le informazioni non possono viaggiare più velocemente della velocità della luce, ma in un documento del 1935, Einstein e i suoi co-autori mostrano come l’entanglement porta a quella che oggi si chiama non-località quantistica, l’inquietante legame che sembra esistere tra particelle in correlazione. Se due sistemi quantistici si incontrano e poi si separano, anche a distanza di migliaia di anni luce, diventa impossibile misurare le caratteristiche di un sistema (come la sua posizione, il suo momento e la sua polarità) senza immediatamente indirizzare l’altro in uno stato corrispondente.

Fino ad oggi, la maggior parte degli esperimenti ha messo alla prova l’entanglement in spazi vuoti. L’ipotesi è che la parte “non locale” della non-località quantistica si riferisca alla correlazione di proprietà nello spazio. Ma cosa succede se l’entanglement avviene anche attraverso il tempo? Esiste qualcosa come la non-località temporale?

La risposta, a quanto pare, è sì. Proprio quando si pensava che la meccanica quantistica non potesse divenire ancora più strana, nel 2013 un team di fisici dell’Università Ebraica di Gerusalemme hanno detto di essere riusciti a creare un entanglement tra fotoni che non coesistevano nello stesso lasso temporale. Degli esperimenti precedenti che implicano una tecnica chiamata “entanglement swapping” avevano già mostrato delle correlazioni quantistiche nel tempo, ritardando la misurazione di una delle particelle correlate; ma Eli Megidish e i suoi collaboratori sono stati i primi a mostrare un entanglement tra fotoni la cui durata di vita non si sovrapponeva affatto.

Ecco come hanno fatto. In primo luogo, hanno creato una coppia correlata di fotoni,”1-2″ (fase I della figura). Poco dopo, hanno misurato la polarizzazione del fotone 1 (una proprietà che descrive la direzione dell’oscillazione della luce),”uccidendolo” (fase II). Il fotone 2 è stato inviato su una falsa pista mentre è stata creata una nuova coppia correlata “3-4” (fase III). Il fotone 3 è stato poi misurato insieme al fotone itinerante 2 in modo tale che la relazione di entanglement fosse “scambiata” dalle vecchie coppie (1-2 e 3-4) sul nuovo gruppo “2-3” (fase IV). Poco dopo (fase V), si misura la polarizzazione del solo sopravvissuto, il fotone 4, e si confrontano i risultati con quelli del fotone 1 che era già morto (di nuovo la fase II).

Figura 1. Diagramma temporale: (I) Nascita dei fotoni 1 e 2, (II) rivelazione del fotone 1, (III) rinascita dei fotoni 3 e 4, (IV) proiezione di Bell dei fotoni 2 e 3, (V) rivelazione del fotone 4.

Insomma, i dati hanno rivelato l’esistenza di correlazioni quantistiche tra i fotoni 1 e 4 “temporalmente non-locali”. La correlazione, dunque, può avvenire attraverso due sistemi quantistici che non sono mai coesistiti.

Che cosa vuol dire tutto ciò in termini pratici? A prima vista, pare che la polarità della luce stellare del lontano passato – per esempio, due volte più vecchia della vita della Terra – abbia influenzato la polarità della luce stellare che cogliete attraverso i vostri telescopi. Un risultato ancora più bizzarro è che le misurazioni effettuate dai vostri occhi sulla luce stellare che avete colto quest’inverno attraverso il vostro telescopio in qualche modo abbia dettato la polarità dei fotoni di oltre 9 miliardi di anni fa.

Per evitare che questo scenario risultasse troppo strano, Megidish e i suoi colleghi hanno speculato a lungo sulle possibili e inquietanti interpretazioni dei loro risultati. Forse la misurazione della polarizzazione del fotone 1 al passo II in qualche modo indirizza la polarizzazione futura di 4, o la misurazione della polarizzazione del fotone 4 al passo V in qualche modo riscrive lo stato di polarizzazione passato del fotone 1. Sia avanti che indietro, le correlazioni quantistiche coprono il vuoto causale tra la morte di un fotone e la nascita dell’altro.

Un pizzico di relatività aiuta a mandare giù la stranezza. Nello sviluppare la teoria della relatività speciale, Einstein ha deposto il concetto di simultaneità dal suo piedistallo newtoniano. Di conseguenza, la simultaneità è passata da proprietà assoluta a proprietà relativa. Non c’è un cronometrista unico per l’Universo; il momento esatto in cui qualcosa sta accadendo dipende dalla vostra posizione rispetto a ciò che osservate, ovvero il vostro “sistema di riferimento”. La chiave per evitare un comportamento causale troppo strano nei casi di separazione temporale (come dirigere il futuro o riscrivere il passato) è accettare che gli eventi “simultanei” abbiano poco peso metafisico. Si tratta solo di una proprietà specifica della cornice, una scelta tra molte alternative ugualmente praticabili – una questione di convenzione, o di registrazione.

Questo ci riporta alla non-località quantistica spaziale e temporale. I misteri che riguardano le coppie correlate di particelle si traducono in disaccordi sull’etichettatura, causati dalla relatività. Einstein ha dimostrato che nessuna sequenza di eventi può essere metafisicamente privilegiata – ovvero può essere considerata più reale – di un’altra. Solo accettando questa intuizione si possono fare dei progressi nei puzzle quantistici.

I vari sistemi di riferimento dell’esperimento dell’Università Ebraica (il sistema del laboratorio, il sistema del fotone 1, il sistema del fotone 4 e così via) hanno, per così dire, dei diversi “storici”. Sebbene questi storici non siano d’accordo su come sono andate le cose, nessuno di loro può pretendere di aver ragione. Per ciascuno di loro, infatti, si sviluppa una diversa sequenza di eventi, secondo un determinato punto di vista spazio-temporale. Chiaramente, dunque, un qualsiasi tentativo di assegnare delle proprietà specifiche al sistema in generale, o di legare delle proprietà generali a un sistema particolare, causerà delle controversie tra gli storici. Ma ecco: mentre ci potrebbe essere un disaccordo legittimo su quali proprietà dovrebbero essere assegnate a quali particelle e quando, non ci dovrebbe essere disaccordo circa l’esistenza di queste proprietà, particelle ed eventi.

Questi risultati spingono un ulteriore cuneo tra le nostre intuizioni “classiche” e la realtà empirica della meccanica quantistica. Come è stato vero per Schrödinger e i suoi contemporanei, il progresso scientifico implica l’investigazione dei limiti di certe visioni metafisiche. Il gatto di Schrödinger, sia vivo che morto, è stato creato per illustrare come l’entanglement dei sistemi porti a fenomeni macroscopici che sfidano la nostra abituale comprensione delle relazioni tra gli oggetti e le loro proprietà: un organismo come un gatto è morto o vivo. Non c’è una via di mezzo.

La maggior parte della filosofia contemporanea che tratta del rapporto tra gli oggetti e le loro proprietà considera l’entanglement solo nella prospettiva della non-località spaziale. C’è ancora molto lavoro da fare per incorporare la non-località temporale – non solo nelle discussioni su oggetti e proprietà, ma anche nei dibattiti sulla composizione materiale (come il rapporto tra un blocco di argilla e la statua che va a formare), e le relazioni tra interi e parti (come il rapporto di una mano con un arto, o di un arto con una persona). Ad esempio, il “puzzle” di come le parti si integrino in un insieme unico presuppone dei chiari confini spaziali tra le componenti sottostanti, ma la non-località spaziale ci mette in guardia da questo punto di vista. La non-località temporale complica ulteriormente il quadro: come si descrive un’entità le cui parti costitutive non coesistono?

Discutere della natura dell’entanglement potrebbe risultare difficile. Non è chiaro quale metafisica possa emergere dallo scrutinio di nuove affascinanti ricerche da parte di fisici del calibro di Eli Megidish e altri. In una lettera a Einstein, Schrödinger nota con ironia (e attraverso una strana metafora): “Si ha la sensazione che siano proprio le affermazioni più importanti della nuova teoria a dover essere infilate negli stivali – ma solo con grande difficoltà”. Non possiamo permetterci di ignorare la non-località spaziale o temporale nella futura metafisica: che gli stivali si adattino o meno, dovremo comunque indossarli.


Elise Crull è assistente di storia e filosofia della scienza al City College di New York. È l’autrice, insieme a Guido Bacciagaluppi, del libro The ‘Einstein Paradox’: Debates on Nonlocality and Incompleteness in 1935

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