Situazioni paradossali si stanno diffondendo come un virus in tutta la società. Ora sembra che abbiano persino infettato la scienza – almeno il regno quantico. Questo potrebbe sembrare impossibile. Dopo tutto, il metodo scientifico si basa sulle nozioni affidabili di osservazione, misurazione e ripetibilità. Un fatto, come stabilito da una misurazione, dovrebbe essere oggettivo, in modo tale che tutti gli osservatori possano concordare con esso.
Ma in un articolo recentemente pubblicato su Science Advances, mostriamo che, nel micro-mondo di atomi e particelle che è governato dalle strane regole della meccanica quantistica, due diversi osservatori hanno diritto ai propri fatti. In altre parole, secondo la teoria dei mattoni della natura stessa, i fatti possono effettivamente essere soggettivi.
Gli osservatori hanno un ruolo fondamentale nel mondo quantistico. Secondo la teoria, le particelle possono trovarsi in più luoghi o stati contemporaneamente – questa si chiama sovrapposizione. Ma stranamente, questo è il solo caso in cui non sono stati osservati. Nel momento in cui osservi un sistema quantistico, osservando una posizione o uno stato specifici, la sovrapposizione s’interrompe. Il fatto che la natura si comporti in questo modo è stato dimostrato più volte in laboratorio, ad esempio nel famoso esperimento a doppia fenditura (vedi video sotto).
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Nel 1961, il fisico Eugene Wigner propose un provocatorio esperimento mentale. Mettendo in dubbio cosa accadrebbe quando applicando la meccanica quantistica ad un osservatore che viene osservato da sé stessi. Immagina che un amico di Wigner lanci una moneta quantistica – che si trova in una sovrapposizione di testa e croce – all’interno di un laboratorio chiuso. Ogni volta che l’amico lancia la moneta, osserva un risultato definito. Possiamo dire che l’amico di Wigner dimostra un fatto: il risultato del lancio della moneta è sicuramente testa o croce.
Wigner non ha accesso a questa informazione dall’esterno e, secondo la meccanica quantistica, deve descrivere l’amico e la moneta per essere in una sovrapposizione di tutti i possibili risultati dell’esperimento. Questo perché sono “impigliati” – collegati in modo spettrale in modo che se manipoli l’uno manipoli anche l’altro. Wigner ora può in linea di principio verificare questa sovrapposizione utilizzando un cosiddetto “esperimento di interferenza” – un tipo di misurazione quantistica che consente di svelare la sovrapposizione di un intero sistema, confermando che due oggetti sono intrecciati.
Quando Wigner e l’amico confronteranno, in seguito, le note, l’amico si aspetterá di vedere risultati definiti per ogni lancio di monete. Wigner, tuttavia, ogni volta che osserverà l’amico e la moneta in una sovrapposizione avrá risultati diversi.
Questo presenta un enigma. La realtà percepita dall’amico non può essere riconciliata con la realtà all’esterno. Originariamente Wigner non considerava questo paradosso, sosteneva che sarebbe assurdo descrivere un osservatore cosciente come un oggetto quantico. Tuttavia, in seguito si allontanò da questa visione e, secondo i libri di testo formali sulla meccanica quantistica, la descrizione risulta perfettamente valida.
L’esperimento
Lo scenario è rimasto a lungo un interessante esperimento mentale. Ma riflette la realtà? Scientificamente, ci sono stati pochi progressi su questo fino a poco tempo fa, quando Časlav Brukner all’Università di Vienna ha dimostrato che, secondo alcuni presupposti, l’idea di Wigner può essere utilizzata per dimostrare formalmente che le misurazioni nella meccanica quantistica sono soggettive per gli osservatori.
Brukner ha proposto un modo per testare questa nozione traducendo lo scenario degli amici di Wigner in un quadro creato per la prima volta dal fisico John Bell nel 1964. Brukner ha considerato due coppie di Wigner e amici, in due scatole separate, conducendo misurazioni su uno stato condiviso – dentro e fuori dalla rispettiva scatola. I risultati possono essere riassunti per essere infine utilizzati per valutare una cosiddetta “disuguaglianza di Bell”. Se questa disuguaglianza viene violata, gli osservatori potrebbero avere fatti alternativi.
Ora per la prima volta abbiamo eseguito questo test sperimentalmente presso l’Università Heriot-Watt di Edimburgo su un computer quantistico su piccola scala composto da tre coppie di fotoni intrecciati. La prima coppia di fotoni rappresenta le monete e le altre due vengono utilizzate per eseguire il lancio della moneta – misurando la polarizzazione dei fotoni – all’interno della rispettiva scatola. Al di fuori delle due caselle, rimangono due fotoni su ciascun lato che possono essere misurati.
Nonostante utilizzi la tecnologia quantistica all’avanguardia, ci sono volute settimane per raccogliere dati sufficienti da soli sei fotoni per generare statistiche sufficienti. Ma alla fine siamo riusciti a dimostrare che la meccanica quantistica potrebbe effettivamente essere incompatibile con l’assunzione di fatti oggettivi: abbiamo violato la disuguaglianza!
La teoria, tuttavia, si basa su alcuni presupposti. Questi includono che i risultati della misurazione non sono influenzati dai segnali che viaggiano al di sopra della velocità della luce e che gli osservatori sono liberi di scegliere quali misure effettuare. Questo può o non può essere il caso.
Un’altra domanda importante è se i singoli fotoni possono essere considerati osservatori. Nella proposta di teoria di Brukner, gli osservatori non devono essere consapevoli, devono semplicemente essere in grado di stabilire fatti sotto forma di un risultato di misurazione. Un rivelatore inanimato sarebbe quindi un osservatore valido. E la meccanica quantistica dei libri di testo non ci dà alcun motivo per credere che un rivelatore, che può essere fatto piccolo come pochi atomi, non dovrebbe essere descritto come un oggetto quantico come un fotone. Potrebbe anche essere possibile che la meccanica quantistica standard non si applichi a grandi scale di lunghezza, ma testare questo è un problema separato.
Questo esperimento mostra quindi che, almeno per i modelli locali di meccanica quantistica, dobbiamo ripensare la nostra nozione di obiettività. I fatti che sperimentiamo nel nostro mondo macroscopico sembrano rimanere sicuri, ma sorge una grande domanda su come le interpretazioni esistenti della meccanica quantistica possano accogliere fatti soggettivi.
Alcuni fisici vedono questi nuovi sviluppi come interpretazioni rafforzanti che consentono a più di un risultato di verificarsi per un’osservazione, ad esempio l’esistenza di universi paralleli in cui ogni risultato si verifica. Altri lo vedono come prove convincenti per teorie intrinsecamente dipendenti dall’osservatore come il bayesismo quantistico, in cui le azioni e le esperienze di un agente sono preoccupazioni centrali della teoria. Ma altri ancora lo considerano un forte indicatore che forse la meccanica quantistica crollerà al di sopra di certe scale di complessità.
Chiaramente queste sono tutte domande profondamente filosofiche sulla natura fondamentale della realtà. Qualunque sia la risposta, un futuro interessante attende.
