Entanglement: dove tutto è intimamente connesso
Scienza e Fisica Quantistica
Scienza e Fisica Quantistica
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Ci si chiede in che cosa consista esattamente la natura dell’entanglement, da dove esso nasca, e per quale ragione esso si verifica nel mondo quantistico. Questo è sicuramente il quesito più difficile, a cui è veramente arduo rispondere. La fisica dei quanti ci spiega che l’entanglement si verifica realmente in natura, e si conosce anche piuttosto bene – sia a livello di teoria matematica che a livello di sperimentazione – come questo avviene, ma non conosciamo il perché. Possiamo solo prendere atto che questo fenomeno manda in pezzi tutte le concezioni della realtà che ci siamo costruiti per spiegare il mondo in cui viviamo.
Redazione - Scienza e Conoscenza - 08/06/2023
A cura di Elena Sanda Chira, coordinatrice della Collana Scienza e Conoscenza.
Il famoso autore e ricercatore Massimo Teodorani, nel suo capolavoro Entanglement- L’intreccio nel mondo quantistico: dalle particelle alla coscienza spiega questo misterioso fenomeno fisico che influisce costantemente non solo sul comportamento delle particelle, ma anche sulla nostra vita.
Entanglement - Libro
Che cos’è l’entanglement?
La meccanica quantistica ci dimostra che la fisica non serve solo per descrivere il mondo della nostra esperienza sensoriale ma anche per penetrare nei meandri di un mondo a noi invisibile, il quale sembra reggere da solo la struttura della realtà per intero. Le nozioni di realtà che ci siamo costruiti in qualche secolo di scienza galileiana si sono talmente consolidate a livello della nostra psiche e a livello di un comune consenso collettivo, che perfino Albert Einstein nel secolo scorso si era lasciato condizionare dal senso comune, al punto tale che per tutta la vita ritenne che la meccanica quantistica (che anche lui aveva contribuito a creare con la sua scoperta dell’effetto fotoelettrico) non fosse una teoria completa.
Secondo Einstein dovevano per forza esistere delle “variabili nascoste” con cui si potesse dispiegare in maniera causale e non sincronica – come invece appariva – la reale struttura della meccanica quantistica. Einstein riteneva che la scoperta di variabili nascoste nella meccanica quantistica ne avrebbe tolto il suo carattere probabilistico per sostituirlo con uno deterministico, diventando così una teoria completa, nella quale come nel caso Newtoniano, sia le variabili sia le quantità possono essere conosciute e predette con un grado di precisione arbitrario. E sicuramente il meccanismo dell’entanglement rappresentava la massima sfida al senso comune.
Chi mai a quel tempo tra gli scienziati di punta sarebbe stato disposto ad accettare che le nostre concezioni della realtà e dell’universo sono completamente inadeguate? Proprio su questo punto ebbe luogo una vera e propria sfida tra Einstein e il grande fisico teorico danese Niels Bohr, a quel tempo il principale propugnatore della meccanica quantistica. Ciò si manifestava con quelli che ancora oggi vengono definiti “esperimenti mentali”. Al tempo di Einstein il primo esperimento mentale che costituiva una sfida frontale alla meccanica quantistica, ebbe come oggetto proprio il meccanismo dell’entanglement. Il problema venne posto da Einstein e dai suoi collaboratori, l’israeliano Nathan Rosen e il russo Boris Podolsky, in questi termini: se davvero in fisica quantistica hanno luogo eventi sincronici – o per esprimerci in termini tecnici “non-locali” – allora le soluzioni sono due:
a) qualcosa non funziona nella meccanica quantistica e occorre trovare delle variabili nascoste che impediscono di trattare il problema in maniera causale e deterministica;
b) la teoria della relatività con il suo limite costituito dal valore finito della velocità della luce viene fortemente messa in dubbio.
Cos’è l’esperimento EPR?
L’esperimento mentale della disputa lanciata da Einstein, Podolsky e Rosen – poi definito come “esperimento EPR” – può essere formulato in maniera più semplice e diretta come saggiamente poi fece il loro collega David Bohm. Se noi prendiamo due particelle che per qualche ragione hanno interagito tra loro almeno una volta e poi le separiamo anche a distanze grandissime, nel momento in cui effettuiamo una misura su una delle due particelle noi determiniamo il collasso della funzione d’onda che ne descrive lo stato quantistico, rendendo manifesta una delle sue proprietà come ad esempio lo spin3 , ma allo stesso esatto momento l’operazione della misura sulla prima particella influenzerà istantaneamente l’altra particella a qualunque distanza essa si trovi dalla prima, la cui funzione d’onda anch’essa collasserà rendendo manifesta una sua proprietà.
L’entanglement viola il principio della causalità
Cosa significa tutto questo? Significa che quando due particelle sono legate – o entangled – in realtà non abbiamo due funzioni d’onda che ne descrivano i rispettivi stati, ma una sola funzione d’onda, che collassa in simultanea per entrambe le particelle nel momento in cui ne osserviamo una. Ovviamente questo non solo viola il principio di causalità ma ingenera per forza un meccanismo che apparentemente determina la propagazione istantanea di segnali.
In caso contrario come fa la seconda particella a sapere istantaneamente quello che è successo alla prima? Ma si tratta davvero di segnali superluminali, come molti ancora a torto si sentono portati a pensare? Oppure è davvero come se le due particelle non fossero per nulla separate dallo spazio? Tutto questo è davvero sconvolgente, ma reale, se per “reale” si intende una descrizione più completa dell’Universo, che vada oltre quello che i nostri sensi percepiscono nel mondo della causalità. Non si tratta di segnali superluminali, ma del fatto che nella struttura più intima dell’Universo, dove tutto esiste intimamente legato al di là dello spazio e del tempo.
In sintesi, se noi abbiamo due particelle che hanno in qualche modo interagito tra loro e poi le separiamo, fino a che noi non effettuiamo una misura su una di esse, esse si troveranno in una specie di limbo comune, e cioè in uno stato di sovrapposizione quantistica descrivibile da un’unica funzione d’onda. Ma teniamo ben presente che qui non si tratta di una sola particella bensì di due particelle entangled descrivibili da un’unica funzione d’onda. Vediamo dunque che il principio di sovrapposizione e il fenomeno dell’entanglement sono intimamente legati.
Cosa ne pensa Schrödinger?
Descrivere due o più particelle entangled significa descrivere in realtà un solo stato quantistico. È come se le particelle entangled fossero una sola particella! Possiamo a questo proposito riportare direttamente le parole dello stesso Schrödinger: quando due sistemi, dei quali conosciamo gli stati sulla base della loro rispettiva rappresentazione, subiscono una interazione fisica temporanea dovuta a forze note che agiscono tra di loro, e quando, dopo un certo periodo di mutua interazione, i sistemi si separano nuovamente, non possiamo più descriverli come prima dell’interazione, cioè dotando ognuno di loro di una propria rappresentazione.
Traiamo dunque una prima conclusione che ci riporta agli assunti fondamentali della meccanica quantistica, la quale descrive le bizzarre proprietà della materia e dell’energia sulla scala dell’infinitamente piccolo. Queste proprietà sono le seguenti:
a) la “coerenza quantistica” in cui le particelle individuali sono tra loro unite in un’entità collettiva descritta da un’unica funzione d’onda;
b) lo “entanglement quantistico” non-locale in cui stati quantistici descriventi particelle tra loro separate sono tra loro intimamente connessi da una unica funzione d’onda;
c) la “sovrapposizione quantistica”, in cui le particelle esistono in due o più stati (o luoghi) simultaneamente;
d) il “collasso quantistico” di uno stato descritto da una data funzione d’onda, in cui particelle che si trovano in stati sovrapposti vanno soggette a una riduzione su ben specifiche scelte determinate dal processo di misura.
Forse l’incredibile coesione mostrata dal volo sincronizzato di stormi di uccelli rappresenta la miglior rappresentazione iconografica che la natura ci mostra di un fenomeno di portata vastissima. Un fenomeno che si propaga in maniera “auto-simile” dall’infinitamente piccolo all’infinitamente grande, passando attraverso il mondo biologico, l’uomo e la sua società: entanglement, ovvero: “intreccio”. Queste incredibili costanti che uniscono il mondo microscopico a quello macroscopico sembrano avere un loro corrispettivo nel mondo psichico e nelle sue sconcertanti manifestazioni ed è collegato direttamente a quello che chiamiamo Coscienza.
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