Red Hanuman
21-02-2014, 12:09
Escludere la scappatoia del 'libero arbitrio': utilizzo di quasar distanti per testare il teorema di Bell
Gli astronomi propongono un esperimento che potrebbe mettere la parola fine all'ultima lacuna importante della disuguaglianza di Bell - un teorema vecchio di 50 anni - che, se violata da esperimenti, comporterebbe che il nostro universo non si basa sulle leggi della fisica classica, ma sulle meno evidenti leggi probabilistiche della meccanica quantistica. Tale visione quantistica permetterebbe fenomeni apparentemente controintuitivi come l’entanglement, in cui la misura di una particella si ripercuote immediatamente su di un'altra, anche se tali particelle correlate sono agli estremi opposti dell'universo. Tra le altre cose, l’entanglement - una caratteristica quantistica che Albert Einstein ha scetticamente denominato "azione spettrale a distanza" - sembra suggerire che le particelle entangled si possono influenzare a vicenda istantaneamente, ad una velocità molto superiore della velocità della luce.
Nel 1964, il fisico John Bell ha riassunto questa disparità apparente tra la fisica e la meccanica quantistica classica, affermando che se l'universo è basato sulla fisica classica, la misura di una particella entangled non deve influenzare la determinazione dell’altra particella - una teoria, nota come principio di località, in cui vi è un limite alla correlazione in cui due particelle possono essere. Bell ha ideato una formula matematica per la località, e ha presentato gli scenari che violano questa formula, seguendo invece le previsioni della meccanica quantistica.
Da allora, i fisici hanno testato il teorema di Bell misurando le proprietà delle particelle quantistiche entangled in laboratorio. Essenzialmente tutti questi esperimenti hanno dimostrato che queste particelle sono correlate più fortemente di quanto ci si aspetterebbe in base alle leggi della fisica classica - risultati che supportano la meccanica quantistica.
Tuttavia, gli scienziati hanno anche individuato alcuni importanti lacune nel teorema di Bell. Queste lacune suggeriscono che, mentre i risultati di tali esperimenti possono apparentemente sostenere le previsioni della meccanica quantistica, essi possono invece riflettere sconosciute "variabili nascoste" che danno l'illusione di un risultato quantistico, ma che può ancora essere spiegato in termini classici.
Anche se due delle principali scappatoie da allora sono stati chiuse, ne rimane una terza, che fisici chiamano "impostazione indipendente”, o più provocatoriamente, "libero arbitrio" (o libera volontà). Questa lacuna propone che le impostazioni di un rivelatore di particelle possono "cospirare" con eventi del passato causale condiviso dai rilevatori stessi per determinare quali valori delle proprietà delle particelle vengano misurate - uno scenario che, anche se inverosimile, implica che un fisico che esegue l'esperimento non ha pieno libero arbitrio nello scegliere l'impostazione di ciascun rilevatore. Un tale scenario comporterebbe misure parziali, suggerendo che le due particelle sono correlate più strettamente di quello che realmente sono, e dando più peso alla meccanica quantistica che della fisica classica.
"Sembra inquietante, ma ci siamo resi conto che questa è una possibilità logica che non è stata ancora chiusa", dice David Kaiser del MIT, professore Germeshausen di Storia della Scienza e docente presso il Dipartimento di Fisica. "Prima di azzardarci a dire che le equazioni della teoria quantistica ci impongono un mondo inevitabilmente pazzo e bizzarro, abbiamo chiuso ogni scappatoia logica concepibile, anche se può non sembrare plausibile nel mondo che conosciamo oggi?"
Ora Kaiser, insieme con Andrew Friedman (postdoc al MIT) e Jason Gallicchio (Università di Chicago), hanno proposto un esperimento per chiudere questa terza lacuna determinando le impostazioni di un rivelatore di particelle utilizzando una parte della luce più antica dell'universo: quella dei quasar lontani, o nuclei galattici attivi, che è stata emessa miliardi di anni fa.
L'idea, in sostanza, è che se due quasar ai lati opposti del cielo sono sufficientemente distanti tra loro, dovrebbero essere stati fuori dal contatto causale a partire dal Big Bang (circa 14 miliardi di anni fa), senza avere modo di comunicare tra di loro dall'inizio dell'universo - uno scenario ideale per determinare le impostazioni di ciascun rivelatore di particelle.
Come spiega Kaiser, l’esperimento dovrebbe essere strutturato più o meno così: un’attrezzatura di laboratorio consistente in un generatore di particelle, come ad esempio un atomo radioattivo che sputa fuori coppie di particelle entangled accoppiata ad un rilevatore che misuri una proprietà della particella A, mentre un altro rivelatore fa lo stesso per particella B. Una frazione di secondo dopo che le particelle vengono generate, ma poco prima che i rilevatori vengano regolati, gli scienziati dovrebbero usare le osservazioni telescopiche dei quasar distanti per determinare quali proprietà ogni rivelatore misurerà della rispettiva particella. In altre parole, il quasar A determina le impostazioni da rilevare sulla particella A ed il quasar B imposta il rivelatore di particelle per B.
Il ragionamento dei ricercatori è che, poiché l'impostazione di ciascun rilevatore è determinata da fonti che non hanno avuto nessuna comunicazione o storia condivisa fin dall'inizio dell'universo, sarebbe praticamente impossibile per questi rivelatori "cospirare" con qualsiasi cosa nel loro passato comune per dare una misura parziale, quindi il setup sperimentale potrebbe chiudere la scappatoia del "libero arbitrio". Se, dopo più misurazioni con questo setup sperimentale, gli scienziati scoprono che le misurazioni delle particelle sono stati correlate più di quanto previsto dalle leggi della fisica classica, dice Kaiser, allora l'universo come lo vediamo deve invece basarsi sulla meccanica quantistica.
"Penso sia giusto dire che questa [scappatoia] è l'ultima frontiera, a rigor di logica, che si frappone tra queste enormi impressionanti test sperimentali accumulati e l'interpretazione di tali test come prova che il mondo è governato dalla meccanica quantistica", afferma Kaiser.
Ora che i ricercatori hanno proposto un approccio sperimentale, sperano che altri possano mettere in pratica tale esperimento, tramite l’osservazione di quasar distanti.
"All'inizio, non sapevamo se la nostra impostazione avrebbe richiesto costellazioni di satelliti spaziali futuristici, o telescopi di 1.000 metri sul lato oscuro della luna", dice Friedman. "Così naturalmente siamo stati felici di apprendere, con nostra grande sorpresa, che il nostro esperimento era realizzabile nel mondo reale con la tecnologia attuale, e abbastanza interessante per gli sperimentatori che collaborano con noi da spingerli a farlo nei prossimi anni."
Aggiunge Kaiser: "Ci siamo detti, 'Giochiamoci il tutto per tutto. Usiamo la storia del cosmo dal Big Bang, accidenti!' Ed è molto eccitante sapere che è effettivamente realizzabile. "
Articolo originale QUI (http://www.sciencedaily.com/releases/2014/02/140220112515.htm).
Gli astronomi propongono un esperimento che potrebbe mettere la parola fine all'ultima lacuna importante della disuguaglianza di Bell - un teorema vecchio di 50 anni - che, se violata da esperimenti, comporterebbe che il nostro universo non si basa sulle leggi della fisica classica, ma sulle meno evidenti leggi probabilistiche della meccanica quantistica. Tale visione quantistica permetterebbe fenomeni apparentemente controintuitivi come l’entanglement, in cui la misura di una particella si ripercuote immediatamente su di un'altra, anche se tali particelle correlate sono agli estremi opposti dell'universo. Tra le altre cose, l’entanglement - una caratteristica quantistica che Albert Einstein ha scetticamente denominato "azione spettrale a distanza" - sembra suggerire che le particelle entangled si possono influenzare a vicenda istantaneamente, ad una velocità molto superiore della velocità della luce.
Nel 1964, il fisico John Bell ha riassunto questa disparità apparente tra la fisica e la meccanica quantistica classica, affermando che se l'universo è basato sulla fisica classica, la misura di una particella entangled non deve influenzare la determinazione dell’altra particella - una teoria, nota come principio di località, in cui vi è un limite alla correlazione in cui due particelle possono essere. Bell ha ideato una formula matematica per la località, e ha presentato gli scenari che violano questa formula, seguendo invece le previsioni della meccanica quantistica.
Da allora, i fisici hanno testato il teorema di Bell misurando le proprietà delle particelle quantistiche entangled in laboratorio. Essenzialmente tutti questi esperimenti hanno dimostrato che queste particelle sono correlate più fortemente di quanto ci si aspetterebbe in base alle leggi della fisica classica - risultati che supportano la meccanica quantistica.
Tuttavia, gli scienziati hanno anche individuato alcuni importanti lacune nel teorema di Bell. Queste lacune suggeriscono che, mentre i risultati di tali esperimenti possono apparentemente sostenere le previsioni della meccanica quantistica, essi possono invece riflettere sconosciute "variabili nascoste" che danno l'illusione di un risultato quantistico, ma che può ancora essere spiegato in termini classici.
Anche se due delle principali scappatoie da allora sono stati chiuse, ne rimane una terza, che fisici chiamano "impostazione indipendente”, o più provocatoriamente, "libero arbitrio" (o libera volontà). Questa lacuna propone che le impostazioni di un rivelatore di particelle possono "cospirare" con eventi del passato causale condiviso dai rilevatori stessi per determinare quali valori delle proprietà delle particelle vengano misurate - uno scenario che, anche se inverosimile, implica che un fisico che esegue l'esperimento non ha pieno libero arbitrio nello scegliere l'impostazione di ciascun rilevatore. Un tale scenario comporterebbe misure parziali, suggerendo che le due particelle sono correlate più strettamente di quello che realmente sono, e dando più peso alla meccanica quantistica che della fisica classica.
"Sembra inquietante, ma ci siamo resi conto che questa è una possibilità logica che non è stata ancora chiusa", dice David Kaiser del MIT, professore Germeshausen di Storia della Scienza e docente presso il Dipartimento di Fisica. "Prima di azzardarci a dire che le equazioni della teoria quantistica ci impongono un mondo inevitabilmente pazzo e bizzarro, abbiamo chiuso ogni scappatoia logica concepibile, anche se può non sembrare plausibile nel mondo che conosciamo oggi?"
Ora Kaiser, insieme con Andrew Friedman (postdoc al MIT) e Jason Gallicchio (Università di Chicago), hanno proposto un esperimento per chiudere questa terza lacuna determinando le impostazioni di un rivelatore di particelle utilizzando una parte della luce più antica dell'universo: quella dei quasar lontani, o nuclei galattici attivi, che è stata emessa miliardi di anni fa.
L'idea, in sostanza, è che se due quasar ai lati opposti del cielo sono sufficientemente distanti tra loro, dovrebbero essere stati fuori dal contatto causale a partire dal Big Bang (circa 14 miliardi di anni fa), senza avere modo di comunicare tra di loro dall'inizio dell'universo - uno scenario ideale per determinare le impostazioni di ciascun rivelatore di particelle.
Come spiega Kaiser, l’esperimento dovrebbe essere strutturato più o meno così: un’attrezzatura di laboratorio consistente in un generatore di particelle, come ad esempio un atomo radioattivo che sputa fuori coppie di particelle entangled accoppiata ad un rilevatore che misuri una proprietà della particella A, mentre un altro rivelatore fa lo stesso per particella B. Una frazione di secondo dopo che le particelle vengono generate, ma poco prima che i rilevatori vengano regolati, gli scienziati dovrebbero usare le osservazioni telescopiche dei quasar distanti per determinare quali proprietà ogni rivelatore misurerà della rispettiva particella. In altre parole, il quasar A determina le impostazioni da rilevare sulla particella A ed il quasar B imposta il rivelatore di particelle per B.
Il ragionamento dei ricercatori è che, poiché l'impostazione di ciascun rilevatore è determinata da fonti che non hanno avuto nessuna comunicazione o storia condivisa fin dall'inizio dell'universo, sarebbe praticamente impossibile per questi rivelatori "cospirare" con qualsiasi cosa nel loro passato comune per dare una misura parziale, quindi il setup sperimentale potrebbe chiudere la scappatoia del "libero arbitrio". Se, dopo più misurazioni con questo setup sperimentale, gli scienziati scoprono che le misurazioni delle particelle sono stati correlate più di quanto previsto dalle leggi della fisica classica, dice Kaiser, allora l'universo come lo vediamo deve invece basarsi sulla meccanica quantistica.
"Penso sia giusto dire che questa [scappatoia] è l'ultima frontiera, a rigor di logica, che si frappone tra queste enormi impressionanti test sperimentali accumulati e l'interpretazione di tali test come prova che il mondo è governato dalla meccanica quantistica", afferma Kaiser.
Ora che i ricercatori hanno proposto un approccio sperimentale, sperano che altri possano mettere in pratica tale esperimento, tramite l’osservazione di quasar distanti.
"All'inizio, non sapevamo se la nostra impostazione avrebbe richiesto costellazioni di satelliti spaziali futuristici, o telescopi di 1.000 metri sul lato oscuro della luna", dice Friedman. "Così naturalmente siamo stati felici di apprendere, con nostra grande sorpresa, che il nostro esperimento era realizzabile nel mondo reale con la tecnologia attuale, e abbastanza interessante per gli sperimentatori che collaborano con noi da spingerli a farlo nei prossimi anni."
Aggiunge Kaiser: "Ci siamo detti, 'Giochiamoci il tutto per tutto. Usiamo la storia del cosmo dal Big Bang, accidenti!' Ed è molto eccitante sapere che è effettivamente realizzabile. "
Articolo originale QUI (http://www.sciencedaily.com/releases/2014/02/140220112515.htm).