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Entanglement

 

Amore…. fisica quantistica. Completamente indipendente, eppure stranamente parallelo. Per prima cosa, sono entrambi misteriosi – non capiamo davvero come uno dei due funzioni. Ma condividono qualcos’altro – ciò che gli scienziati chiamano “entanglement”.

Le persone si intrecciano tra loro quando si innamorano e può iniziare quando non si avvicinano da nessuna parte, forse catturandosi per la prima volta gli occhi attraverso una stanza affollata.

L’entanglement quantistico è uno dei fenomeni deliziosamente bizzarri alla base della meccanica quantistica.

L’idea di base dell’entanglement quantistico è che due particelle possono essere intimamente collegate tra loro anche se separate da miliardi di anni luce di spazio; un cambiamento indotto in uno influenzerà l’altro.

Nel 1964, il fisico John Bell postulò che tali cambiamenti possono avvenire istantaneamente, anche se le particelle sono molto distanti.

 

Il teorema di Bell è considerato un’idea importante nella fisica moderna, ma sembra avere poco senso. Dopotutto, Albert Einstein aveva dimostrato anni prima che le informazioni non potevano viaggiare più velocemente della velocità della luce.

 

In effetti, Einstein descrisse notoriamente il fenomeno dell’entanglement come “azione spettrale a distanza”.

Sfortunatamente per Einstein, l’entanglement, “spettrale” o no, è apparentemente reale, come hanno dimostrato i ricercatori.

I ricercatori hanno affermato ancora una volta che la meccanica quantistica, per quanto strana possa sembrare, funziona in tutti i modi in cui possiamo provarla.

Per capire quanto sia realmente inquietante l’entusiasmo, aiuta a fare un passo indietro e pensare a cosa succede agli oggetti sensibili, “classici” quando li separi. (Gli oggetti classici sono abbastanza grandi, o interagiscono abbastanza fortemente con i loro ambienti, affinché gli effetti quantomeccanici si dissolvano).

Immagina di avere un detonatore e una bomba. Se li separo dall’altra parte della strada e attivo il detonatore, può far scattare la bomba solo inviando un segnale alla velocità della luce o più lentamente. Solo dopo che la bomba avrà ricevuto il segnale, farà esplodere.

La teoria quantistica, tuttavia, suggerisce che gli oggetti che sono stati accuratamente preparati insieme e collocati in uno stato quantistico combinato possono, anche se separati attraverso la galassia, rimanere “intrecciati”, purché nessuno dei due abbia interazioni significative con altri oggetti per rompere l’entanglement . Se eseguo una misurazione su uno di due oggetti aggrovigliati, lo stato dell’altro oggetto verrà influenzato istantaneamente, indipendentemente dalla distanza dei due oggetti.

Di per sé, questo potrebbe non sembrare così inquietante. Dopotutto, se separo due gemelli identici attraverso la galassia e poi osservo che un gemello ha i capelli rossi, ho istantaneamente determinato che anche l’altro gemello ha i capelli rossi. La vera inquietudine arriva solo quando si considera ciò che comporta realmente una misurazione nella meccanica quantistica.

Immagina una coppia di elettroni. Gli elettroni si comportano come se stessero ruotando; inoltre, poiché trasportano una carica elettrica, agiscono come piccoli magneti, il che significa che, usando la radiazione elettromagnetica, è possibile manipolare i loro giri. La nostra coppia di elettroni, ad esempio, può essere impostata in modo che i loro giri puntino in direzioni opposte lungo lo stesso asse. Possiamo dire che tali elettroni sono “anti-allineati”.

Ora supponiamo che, in seguito, provo a misurare l’asse attorno al quale gira uno degli elettroni. Se gira in una direzione attorno a quell’asse, si comporta come un magnete con il suo polo nord che punta in una direzione che possiamo chiamare “su”; se ruota nell’altra direzione, il suo polo nord punta verso il basso. Poiché gli elettroni sono anti-allineati, se scopro che uno sta puntando verso l’alto, allora so che il suo partner deve essere rivolto verso il basso.

C’è un problema, tuttavia. La meccanica quantistica afferma che l’effettiva direzione di spin di entrambi gli elettroni non viene determinata prima della misurazione; l’unica cosa certa è che gli spin sono anti-allineati. Ancora più strano, fino a quando non sono stati misurati, entrambi gli elettroni ruotano su e giù contemporaneamente. Il loro stato misurato è probabilistico: tutto ciò che si può dire è che esiste una probabilità di cinquanta e cinquanta che, una volta misurato uno degli elettroni, verrà “fissato” in uno stato di rotazione verso l’alto o verso il basso. Poiché i due elettroni si trovano in un singolo stato quantico – poiché sono intrecciati – nel momento in cui misuro lo spin di un elettrone, fisso la direzione dello spin dell’altro elettrone. È come se, lanciando una moneta e tirando su “teste”, costringo un’altra moneta a salire “croce”.

Finché i due elettroni rimangono intrappolati, questo legame persiste, anche se sono separati attraverso la galassia. Se misuro un elettrone nel mio laboratorio, il secondo elettrone è influenzato dalla misurazione del primo elettrone senza ritardo – istantaneamente – anche se un segnale che viaggia alla velocità della luce richiederebbe millenni per attraversare la distanza tra di loro.

Quel legame istantaneo è l’ “azione inquietante a distanza” di cui Einstein era così scettico. Ai suoi tempi, ovviamente, nessuno aveva effettivamente osservato l’entanglement; era solo una previsione della teoria quantistica. Nel 1935 Einstein, insieme a due collaboratori, Boris Podolsky e Nathan Rosen, scrisse un famoso articolo sostenendo che l’entanglement era così folle che, se la meccanica quantistica lo predisse, l’intero sistema doveva essere imperfetto. Nessun sistema che ha fatto tali previsioni potrebbe descrivere l’Universo in modo accurato.

Einstein e i suoi collaboratori stavano pensando in modo classico, immaginando che gli elettroni fossero oggetti separati quando separati. Ma, quantomeccanicamente, i due elettroni fanno parte di un singolo stato quantico, non importa quanto siano distanti. Non sono oggetti indipendenti e ben separati. In effetti, la meccanica quantistica ci dice che, finché non misuriamo la posizione di entrambi gli elettroni, non possiamo dire con certezza dove si trova. Può essere, in un certo senso, ovunque contemporaneamente.

Nel corso degli anni, alcuni fisici hanno incanalato lo scetticismo di Einstein. Hanno proposto che ci sia un meccanismo classico nascosto che non conosciamo, che in qualche modo sta fissando i risultati in modo da creare l’apparenza di entanglement. Forse, ad esempio, il setup di laboratorio sta predeterminando in qualche modo le direzioni di spin degli elettroni prima che vengano separati. Questa congettura ha presentato ai fisici un vicolo cieco: come potremmo mai sapere che qualche meccanismo nascosto non funzionava?

John Bell nel 1964 scrisse un bellissimo documento che dimostrava che, se un esperimento di entanglement avesse funzionato in modo affidabile, si sarebbe potuto effettuare un insieme specifico di misurazioni sulle particelle che producevano un risultato quantitativo che non poteva essere spiegato da alcun meccanismo classico che potesse predeterminare gli spin prima che fossero misurati.

Nell’ultimo mezzo secolo, molti gruppi hanno usato il teorema di Bell nel tentativo di affermare che l’entanglement quantomeccanico è reale. Nel frattempo, tuttavia, gli scettici hanno sottolineato che, in ogni esperimento, potrebbero esserci state sottili scappatoie. È stato possibile, ad esempio, che i sistemi che avrebbero dovuto essere separati potrebbero essere stati effettivamente accoppiati in modi nascosti.

L’entanglement ora sembra essere un caso empiricamente chiuso, almeno fino a quando qualcuno può argomentare in modo convincente che c’è qualche scappatoia non esclusa da questo esperimento (che alcuni fisici hanno già iniziato a fare). Se ciò accade, altri ricercatori tenteranno inevitabilmente di produrre un esperimento ancora migliore in cui il Teorema di Bell sarà soddisfatto mentre la nuova scappatoia è esclusa. Il ciclo si ripeterà fino a quando non rimarranno più scappatoie o fino a quando quelle che rimangono sembrano così poco plausibili da non valere lo sforzo di esplorarle.

 

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