Nonlocalità temporale quantistica, la fisica va verso la metafisica ?

Il punto centrale della loro preoccupazione era quello che Schrödinger in seguito chiamò entanglement: cioè l’impossibilità di descrivere due sistemi quantici o particelle in modo indipendente, dopo che hanno interagito.

Fino alla sua morte, Einstein rimase convinto che l’entanglement dimostrasse come la meccanica quantistica fosse incompleta. Schrödinger pensava che l’entanglement fosse la caratteristica distintiva della nuova fisica, ma questo non significava che l’avesse accettata alla leggera.

“So naturalmente come l’hocus pocus funzioni matematicamente“, scrisse a Einstein il 13 luglio 1935. “Ma non mi piace una simile teoria“. Il famoso gatto di Schrödinger, sospeso tra la vita e la morte, apparve per la prima volta in queste lettere, un sottoprodotto del tentativo di articolare ciò che dava fastidio ai due grandi scienziati.

Il problema è che l’entanglement viola il modo in cui il mondo dovrebbe funzionare. Le informazioni non dovrebbero poter viaggiare più velocemente della velocità della luce, per esempio.

Ma in un articolo del 1935, Einstein e i suoi co-autori dimostrarono come l’entanglement conduca a quella che ora è chiamata nonlocalità quantistica , il legame inquietante che sembra esistere tra particelle intrappolate.

Se due sistemi quantici si incontrano e poi si separano, anche attraverso una distanza di migliaia di anni luce, diventa impossibile misurare le caratteristiche di un sistema (come la sua posizione, quantità di moto e polarità) senza guidare immediatamente l’altro in uno stato corrispondente. 

Fino ad oggi, la maggior parte degli esperimenti ha testato l’entanglement sulle lacune spaziali.

L’ipotesi è che la parte “non locale” della nonlocalità quantistica si riferisca all’entanglement delle proprietà attraverso lo spazio. Ma cosa succede se l’intreccio tra le particelle si verifica anche nel tempo? Esiste una nonlocalità temporale?

La risposta, a quanto pare, è sì.

Insomma, la meccanica quantistica già appare strana e controintuitiva di suo, ora l’introduzione del concetto di nonlocalità quantistica la rende strana elevata a potenza. Tanto più da quando, nel 2013, un gruppo di fisici dell’Università Ebraica di Gerusalemme riferì di aver impigliato con successo fotoni che non erano mai coesistiti.

Precedenti esperimenti riguardanti una tecnica chiamata “scambio di entanglement” avevano già mostrato correlazioni quantistiche nel tempo, ritardando la misura di una delle particelle entangled coesistenti; ma Eli Megidish ed i suoi collaboratori furono i primi a mostrare il coinvolgimento tra fotoni la cui durata non si sovrapponeva affatto.

Ecco come l’hanno fatto.

Innanzitutto, hanno creato una coppia di fotoni entangled, “1-2” (passaggio I nello schema sotto). Subito dopo, hanno misurato la polarizzazione del fotone 1 (una proprietà che descrive la direzione dell’oscillazione della luce) – quindi “lo hanno ucciso” (fase II).

Il Fotone 2 viene costretto su un percorso casuale all’interno del sistema mentre veniva creata una nuova coppia entangled, “3-4“, (fase III). Il fotone 3 fu quindi misurato insieme al fotone itinerante 2 in modo tale che la relazione di entanglement fosse “scambiata” dalle vecchie coppie (“1-2” e “3-4”) sulla nuova combo “2-3” ( punto IV).

Qualche tempo dopo (passo V), viene misurata la polarizzazione del sopravvissuto solitario, il fotone 4, ed i risultati vengono confrontti con quelli del fotone 1 morto da tempo (di nuovo al punto II).

Il risultato? I dati hanno rivelato l’esistenza di correlazioni quantistiche tra i fotoni “temporalmente non locali” 1 e 4. Cioè, l’entanglement può verificarsi attraverso due sistemi quantistici che non hanno mai coesistito.

Cosa diavolo può significare? Prima facie, sembra preoccupante affermare che la polarità della luce stellare in un lontano passato – diciamo, più del doppio della durata della Terra – ha comunque influenzato la polarità della luce stellare che cade attraverso un telescopio amatoriale che l’ha visualizzata quest’inverno.

Ancora più strano: forse implica che le misurazioni effettuate dal tuo occhio sulla luce stellare che caduta attraverso il tuo telescopio quest’inverno in qualche modo mostrasse la polarità di fotoni più vecchi di 9 miliardi di anni.

Per evitare che questo scenario sembri troppo bizzarro, Megidish ed i suoi colleghi non hanno potuto resistere alla speculazione su possibili e spettrali interpretazioni dei loro risultati.

Forse la misurazione della polarizzazione del fotone 1 nella fase II in qualche modo indirizza la futura polarizzazione del 4, oppure la misurazione della polarizzazione del fotone 4 al passo V riscrive, in qualche modo, lo stato di polarizzazione passato del fotone 1.

In entrambe le direzioni avanti e indietro, le correlazioni quantistiche abbracciano il vuoto causale tra la morte di un fotone e la nascita dell’altro.

Solo applicando un po’ di relatività l’inquietudine diminuisce.

Nello sviluppare la sua teoria della relatività speciale, Einstein spostò il concetto di simultaneità dal suo piedistallo newtoniano.

Di conseguenza, la simultaneità passò dall’essere una proprietà assoluta a una proprietà relativa.

Non esiste un singolo cronometrista per l’Universo; precisamente quando qualcosa sta accadendo dipende dalla tua posizione precisa rispetto a ciò che stai osservando, questa è la tua struttura di riferimento.

Quindi la chiave per evitare uno strano comportamento causale (guidare il futuro o riscrivere il passato) nei casi di separazione temporale è accettare che gli eventi di chiamata “simultanei” abbiano poco peso metafisico.

È solo una proprietà specifica del frame, una scelta tra molte alternative ma ugualmente valide: una questione di convenzione o di tenuta dei registri.

La lezione ci porta direttamente alla nonlocalità quantistica sia spaziale che temporale.

I misteri relativi alle coppie di particelle impigliate sono sostanzialmente disaccordi sull’etichettatura, provocati dalla relatività.

Einstein ha dimostrato che nessuna sequenza di eventi può essere metafisicamente privilegiata – può essere considerata più reale – rispetto a qualsiasi altra. Solo accettando questa intuizione si possono fare progressi su questi enigmi quantistici.

I vari fotogrammi di riferimento nell’esperimento dell’Università Ebraica (la cornice del laboratorio, il fotone 1, il fotone 4 e così via) hanno i loro “storici”, per così dire.

Mentre questi storici non sono d’accordo su come sono andate le cose, nessuno di loro può rivendicare un angolo di verità. Una diversa sequenza di eventi si svolge all’interno di ciascuno, secondo quel punto di vista spaziotemporale.

Chiaramente, quindi, qualsiasi tentativo di assegnare proprietà specifiche del frame in generale o di legare proprietà generali a un particolare frame, causerà controversie tra gli storici.

Mentre potrebbe esserci un disaccordo legittimo su quali proprietà dovrebbero essere assegnate a quali particelle e quando, non ci dovrebbe essere disaccordo sull’esistenza stessa di queste proprietà, particelle ed eventi.

Queste scoperte inseriscono un altro cuneo tra le nostre care intuizioni della fisica classica e le realtà empiriche della meccanica quantistica.

Come fu vero per Schrödinger e per i suoi contemporanei, il progresso scientifico coinvolge lo studio dei limiti di certe visioni metafisiche.

Il gatto di Schrödinger, mezzo vivo e mezzo morto, è stato creato per illustrare come l’intrico di sistemi conduca a fenomeni macroscopici che sfidano la nostra abituale comprensione delle relazioni tra gli oggetti e le loro proprietà: un organismo come un gatto è vivo o morto. Non c’è nessuna via di mezzo.

La maggior parte dei resoconti filosofici contemporanei sulla relazione tra gli oggetti e le loro proprietà abbracciano l’intrico unicamente dalla prospettiva della nonlocalità spaziale.

Ma c’è ancora un lavoro significativo da fare per incorporare la nonlocalità temporale – non solo nelle discussioni sulle proprietà degli oggetti, ma anche nei dibattiti sulla composizione materiale (come la relazione tra un pezzo di argilla e la statua che forma) e le relazioni parziali (come una mano si riferisce a un arto, o un arto a una persona).

Ad esempio, il “rompicapo” di come le parti si adattano a un intero complessivo presuppone dei confini spaziali chiari tra i componenti sottostanti, tuttavia la nonlocalità spaziale mette in guardia contro questa visione. La nonlocalità temporale complica ulteriormente questo quadro: come si descrive un’entità le cui parti costituenti non sono nemmeno coesistenti?

Discernere la natura dell’entanglement spesso è un’idea scomoda. Non è chiaro quale metafisica sostanziale potrebbe emergere dal controllo di nuove affascinanti ricerche di studiosi come Megidish e altri fisici.

In una lettera a Einstein, Schrödinger nota ironicamente (e dispiegando una strana metafora): “Si ha la sensazione che siano proprio le affermazioni più importanti della nuova teoria che possono davvero essere racchiuse in questi stivali spagnoli – ma solo con difficoltà“.

Non possiamo permetterci di ignorare la nonlocalità spaziale o temporale nella metafisica futura: che gli stivali si adattino o no, dovremo indossarli.

Elise Crull è l’assistente professore di storia e filosofia della scienza al City College di New York. È co-autrice del prossimo libro “The ‘Einstein Paradox: dibattiti su nonlocalità e incompletezza nel 1935”.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su Aeon ed è stato ripubblicato sotto Creative Commons.