Che cos'è la Non Località? - prima parte
Scienza e Fisica Quantistica
Scienza e Fisica Quantistica
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Scopriamo insieme una delle stranezze più affascinanti della fisica quantistica, la non località, in una rassegna critica: dal teorema di Bell all’esperimento di Aspect, agli approcci non-locali del tessuto quantistico
Davide Fiscaletti - 04/01/2023
La meccanica quantistica può essere considerata la teoria fondamentale della scienza moderna che più ha contribuito a modificare la nostra comprensione dell’universo. Per quanto riguarda la geometria del mondo fisico, si può dire che la teoria quantistica introduce prospettive molto più ampie di quelle offerte da ogni teoria fisica precedente. In particolare, l’elemento più sorprendente ed intrigante che emerge dal formalismo quantistico sta nel fatto che le particelle subatomiche sono in grado di comunicare tra di loro informazioni in modo istantaneo, in altri termini sono connesse in modo non-locale.
Riguardo al fenomeno della non-località, tutto è iniziato a partire dalla pubblicazione nel 1935 da parte di Einstein, Podolski e Rosen, di un famoso articolo dal titolo La descrizione quantistica della realtà può considerarsi completa? in cui è stato sviluppato quello che è poi stato chiamato il paradosso, o meglio, argomento EPR (dalle iniziali dei tre autori). Consideriamo due particelle A e B che hanno condiviso una particolare esperienza di accoppiamento alla loro nascita e che poi vengono allontanate e portate in estremi opposti dell’universo; allora, in base al formalismo della meccanica quantistica, se ad un certo istante effettuiamo una misura sulla particella A, è possibile conoscere istantaneamente lo stato della particella B, a prescindere dalla distanza che c’è tra di esse.
Il paradosso EPR era, in realtà, una critica di Einstein all’idea che la meccanica quantistica sia una teoria completa nel descrivere la natura. I fisici hanno cercato di spiegare questo fenomeno assumendo che ci sia una sorta di "messaggero" che parte dalla particella A per raggiungere la particella B e informarla di assumere un certo comportamento. Ma l’informazione arriva istantaneamente e quindi l’idea di un ipotetico messaggero non solo non funziona, ma sembra avere poco senso.
Le correlazioni non-locali tra particelle subatomiche che caratterizzano esperimenti di tipo EPR risultano essere inspiegabili e incomprensibili all’interno di uno schema classico. Fenomeni di questo tipo hanno tuttavia trovato una loro compiuta spiegazione e formalizzazione in un noto teorema dimostrato nel 1964 dal fisico irlandese John Stewart Bell (che è considerato da molti esperti nel campo dei fondamenti concettuali della meccanica quantistica come il più importante recente contributo alla scienza): “Quando due particelle sono emesse in direzioni opposte e le proprietà di una di esse sono attualizzate da una misurazione, le proprietà dell’altra particella – anche esse misurate – saranno correlate indipendentemente dalla distanza che le separa”. La dimostrazione del teorema di Bell implica che un’esperienza avvenuta nel passato tra due particelle subatomiche crea tra di esse una forma di "connessione" per cui il comportamento di ciascuna delle due condiziona in modo diretto ed istantaneo il comportamento dell’altra a prescindere dalla distanza che c’è tra di esse.
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Ai giorni nostri, non è stata trovata ancora alcuna contro-argomentazione significativa in grado di mettere in discussione la validità del teorema di Bell. Tutti gli esperimenti effettuati finora – e particolarmente significativi sono, in questo senso, gli esperimenti di Alain Aspect (1981) al laboratorio di ottica di Orsay, di Yanhua Shih (2001) dell’Università del Maryland e di Nicolas Gisin (2003) dell’Università di Ginevra – hanno confermato il risultato ottenuto da Bell, vale a dire che la non località deve essere considerata una caratteristica fondamentale e irrinunciabile del mondo microscopico, che le particelle subatomiche sono capaci di comunicare istantaneamente a prescindere dalla loro distanza.
D’altra parte, nell’interpretazione di Copenaghen della meccanica quantistica la non-località emerge di fatto come un ospite inatteso nascosto dietro l’interpretazione puramente probabilistica della funzione d’onda e il meccanismo di "casualità" ad essa associato. Tuttavia, se si tiene conto dei risultati sperimentali sopra menzionati (nonché di risultati simili ottenuti da altri autori), bisogna ammettere che la non-località costituisce la carta di visita fondamentale della geometria del mondo quantistico e, di conseguenza, dovrebbe essere introdotta fin dall’inizio, come principio fondamentale, all’interno di ogni teoria volta a descrivere l’arena dei processi quantistici. I risultati sperimentali suggeriscono che la non-località deve essere considerata la proprietà essenziale che sta alla base del comportamento delle particelle subatomiche e della geometria del mondo quantistico. In questo articolo, ci proponiamo di sviluppare una rassegna critica degli approcci non-locali presenti nella letteratura volti a descrivere l’arena dei processi quantistici, il cosiddetto "tessuto spazio-temporale" della fisica quantistica.
La geometria non-locale nell’approccio del potenziale quantico di Bohm
L’idea del potenziale quantico, introdotta originariamente da David Bohm negli anni '50, può essere considerata la via più semplice e naturale per introdurre la non-località nel mondo quantistico. Nell’ambito dell’interpretazione di Bohm della meccanica quantistica, il potenziale quantico informa ogni particella dove andare, come se dietro alla realtà fenomenica spazio-temporale fatta di materia ed energia, esistesse un piano nascosto che la guida e la unisce a tutte le altre particelle in un’unica simbiosi cosmica. L’espressione matematica del potenziale quantico indica che l’azione di questo potenziale è di tipo spazio, vale a dire crea sulle particelle un’azione istantanea, proprio quella richiesta per comprendere i processi di tipo EPR.
Il potenziale quantico contiene un’informazione globale sui processi fisici, che può essere definita come "informazione attiva", contestuale al sistema sotto osservazione e al suo ambiente, la quale non è "esterna" allo spazio-tempo, ma piuttosto è un’informazione geometrica "intessuta" nello spazio-tempo. A questo proposito, possiamo dire che l’evoluzione dello stato di un sistema quantistico modifica l’informazione attiva globale e questa influisce a sua volta sullo stato del sistema quantistico ridisegnando la geometria non-locale dei processi. In questo quadro geometrodinamico possiamo anche dire che il potenziale quantico rappresenta le proprietà geometriche dello spazio dalle quali la forza quantistica, e quindi il comportamento delle particelle quantistiche, derivano.
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