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Qual è la natura dei quanti: analogica o digitale?

Le teorie quantistiche affermano spesso che la realtà è caratterizzata da piccolissime entità puntiformi. Ma un approccio più vicino alle leggi della natura suggerisce, invece, che il mondo fisico possa essere in definitiva di tipo analogico piuttosto che digitale.

Circa un anno fa, il Foundational Questions Institute propose un sondaggio in cui chiedeva a fisici e filosofi: secondo Voi, la realtà fisica ha una natura digitale o analogica? Ci si aspettava una risposta predominante verso la natura digitale della realtà perché di fatto il termine “quanto” vuol dire, nella fisica quantistica, “discreto” e perciò “digitale”. Ma parecchie spiegazioni, però, si sono spostate sull’altro aspetto e cioè sul fatto che il mondo abbia una natura analogica. I sostenitori del digitale, per così dire, insistono comunque sul fatto che le quantità continue appaiono discrete se vengono osservate molto da vicino: queste entità sono situate in una sorta di griglia spaziata che dà l’illusione di una sequenza continua, come ad esempio i pixel dello schermo di un computer. Tuttavia, questa idea della natura discreta, a pixel appunto, dello spazio contraddice almeno una delle proprietà della natura e cioè l’asimmetria tra le versioni sinistrorse e destrorse delle particelle elementari. Verso la fine del 19° secolo, il matematico tedesco Leopold Kronecker affermava: “Dio ha creato i numeri interi, tutto il resto è opera dell’uomo”. Egli credeva che i numeri giocano un ruolo fondamentale nella matematica. Ma per i fisici di oggi, quella affermazione acquista un significato diverso poiché è opinione sempre più comune che la natura sia fondamentalmente discreta, cioè che i mattoni fondamentali della materia e dello spaziotempo si possano, come dire, contare uno a uno. Questa idea risale agli antichi greci e successivamente ha acquistato una ulteriore risonanza nell’era digitale. Molti fisici credono che la realtà possa essere descritta da una situazione simile a quella di un computer che è costituito da una serie discreta di bit d’informazione, mentre le leggi della fisica sono l’algoritmo, per così dire, un pò come la cascata dei numeri verdi che si vedono nel film Matrix. Ma allora chi avrà ragione?

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La struttura a forma di ‘schiuma’ dello spaziotempo quantistico

Illustrazione artistica del concetto di “schiuma” quantistica. La bolla in primo piano rappresenta un universo che evolve con le sue leggi fisiche.

Secondo un lavoro recente pubblicato dal fisico Jacob D. Bekenstein, della Hebrew University a Gerusalemme, esisterebbe un modo di misurare la struttura dello spaziotempo quantistico. Anziché utilizzare i grandi acceleratori di particelle, Bekenstein propone un esperimento basato semplicemente su un blocco di vetro, un laser e un rivelatore.

Il termine ‘schiuma quantistica’ (quantum foam), che viene utilizzato per descrivere la natura non continua e regolare dello spaziotempo su scale quantistiche, fu introdotto da John Wheeler nel 1955. Egli aveva notato un fatto importante e cioè che secondo le leggi della meccanica quantistica, alcune proprietà dello spaziotempo possiedono determinati gradi di incertezza. In seguito, i fisici svilupparono questa idea suggerendo il fatto che su scale quantistiche l’Universo è come composto da singole unità costituite da tantissimi buchi neri microscopici che emergono e svaniscono continuamente. Perciò, se vogliamo immaginare per un istante come potrebbe apparire questa situazione, ecco che emerge il quadro di una struttura quantistica dello spaziotempo a forma di ‘schiuma’. Nonostante ciò, fino ad oggi tutti i tentativi di misurare o di provare le varie teorie quantistiche sulla struttura dello spaziotempo non hanno portato a risultati entusiasmanti dato che stiamo considerando scale estremamente piccole dove le particelle esistono e si muovono nel cosiddetto spazio di Planck. Bekenstein propone, dunque, un nuovo approccio e afferma, nel suo articolo, che ciò che si deve fare è sparare semplicemente un singolo fotone attraverso un blocco di vetro e misurarne il suo spostamento. Per fare ciò, occorre utilizzare una dimensione giusta del blocco di vetro e una lunghezza d’onda del fotone in modo tale che se il fotone sposta il centro di massa del blocco di vetro, allora potrebbe trattarsi proprio di una lunghezza di Planck. In altre parole, se l’Universo ha effettivamente una struttura granulare, così come viene ipotizzato teoricamente, il fotone potrebbe interagire con una minuscola unità di questa struttura tale da ostacolare il suo percorso, altrimenti il fotone potrà continuare indisturbato. Ora, dato che la teoria suggerisce che esiste un numero indefinito di buchi neri microscopici in ogni parte dell’Universo, diventa ragionevole assumere che il centro di massa del blocco di vetro possa cadere in uno di essi impedendo così il movimento del blocco. Quindi, per rivelare la presenza di una struttura quantistica schiumosa dello spaziotempo, occorrerà analizzare tutte le traiettorie dei singoli fotoni che passano attraverso il blocco di vetro e vedere come si comportano utilizzando un rivelatore posto sulla parte opposta rispetto alla sorgente da cui vengono emessi i fotoni.

arXiv: Is a tabletop search for Planck scale signals feasible

Un esperimento di entanglement quantistico per lo studio dello spaziotempo

Alcuni fisici hanno proposto un esperimento per verificare quali sono le previsioni della meccanica quantistica quando si tenta di descrivere le proprietà dello spaziotempo. La proposta arriva da un gruppo internazionale di ricercatori provenienti dalla Svizzera, dal Belgio, dalla Spagna e da Singapore e si basa sulla disuguaglianza denominata “hidden influence inequality”.

“Siamo interessati a capire se possiamo spiegare alcuni fenomeni fisici senza sacrificare il nostro senso comune delle cose che avvengono in uno spaziotempo continuo e regolare a cui siamo abituati” spiega Jean-Daniel Bancal del Centre for Quantum Technologies. Il fatto interessante è che sembra esistere una prospettiva reale per realizzare un tale esperimento. Sin da quando venne introdotta agli inizi degli anni ’20, la teoria dei quanti prevede un comportamento bizzarro delle particelle elementari, come ad esempio l’entanglement quantistico di due particelle che si comportano come se fossero una sola anche quando si trovano a grandi distanze. Questo fenomeno sembra violare il nostro senso comune di causa ed effetto, un comportamento che i fisici chiamano ‘non locale’. Inizialmente fu Einstein che mise l’attenzione sulle preoccupanti implicazioni di quanto previsto dalla meccanica quantistica e che egli stesso definì come “una azione fantasma a distanza”. Negli anni ’60, John Bell propose il primo esperimento per verificare se il fenomeno dell’entanglement quantistico avesse effettivamente senso. Il test, denominato “disuguaglianza di Bell”, permette di verificare se il comportamento di due particelle dipenda da alcune condizioni iniziali nascoste. Secondo Bell, nessuna teoria fisica locale e deterministica a variabili nascoste può riprodurre le previsioni della meccanica quantistica. Se le misure violano la disuguaglianza di Bell, allora coppie di particelle possono fare ciò che vogliono in base ai principi della meccanica quantistica. Successivamente, a partire dagli anni ’80, vari esperimenti hanno trovato ripetutamente la violazione della disuguaglianza di Bell dando così ragione alla teoria dei quanti. Tuttavia, una serie di altri esperimenti convenzionali sulle disuguaglianze di Bell non hanno eliminato del tutto la speranza di contravvenire ai principi della relatività. Alcuni test hanno già dimostrato che nel caso in cui si prendono in considerazione i segnali luminosi per descrivere i fenomeni fisici, si trova che essi dovrebbero propagarsi con una velocità superiore a quella della luce, addirittura con un fattore di dieci mila volte superiore. Ma questo crea un grosso problema per la teoria della relatività di Einstein dato che la velocità della luce rappresenta, come tutti sappiamo, una costante universale e quindi un limite invalicabile. Nonostante ciò, i fisici hanno trovato una scappatoia: tali segnali potrebbero rappresentare delle cosiddette “variabili nascoste” utili a nulla e perciò non violare i principi della relatività. Però, quando consideriamo il regime quantistico questa disuguaglianza si dimostra non vera. Ad esempio, per derivare la disuguaglianza di Bell nel caso dell’entanglement di quattro particelle, i ricercatori hanno considerato tutti i possibili comportamenti delle quattro particelle che sono connesse da certe variabili nascoste e che si muovono con velocità finite. Da un punto di vista matematico, queste variabili nascoste definiscono un sistema a 80 dimensioni. L’area di verificabilità della disuguaglianza di Bell è definita dal bordo sotteso dall’ombra in uno spazio a 44 dimensioni proiettata dal sistema a 80 dimensioni. I ricercatori hanno dimostrato che le previsioni della meccanica quantistica possono stare al di fuori di questa regione d’ombra il che vuol dire che si sta andando contro una delle assunzioni. In altre parole, al di fuori di questa regione, le variabili non possono rimanere più nascoste oppure devono essere dotate di una velocità infinita. La domanda è: cosa succede se viene confermata la natura quantistica del nostro mondo? Cosa vuol dire? Abbiamo due scelte: la prima sembra sfidare la relatività e rendere visibili le variabili nascoste, il che implica accettare una comunicazione in cui i segnali luminosi si propagano con velocità superiori a quella della luce; la seconda vuole che le variabili nascoste siano infinitamente veloci oppure che debba esistere qualche processo che ha un effetto equivalente quando viene osservato nel nostro spaziotempo. Il test attuale non è in grado di fare la distinzione. Comunque sia, in entrambi i casi ciò implicherebbe che l’Universo sia fondamentalmente non locale nel senso che ogni bit di Universo può essere connesso istantaneamente ad ogni altro bit situato in un’altra parte dello spazio. Certamente si tratta di soluzioni estreme che vanno al di là del nostro senso comune ma sono preferibili al caso in cui la comunicazione tra due eventi avviene con una velocità superiore a quella della luce. Insomma, i risultati di questo esperimento rafforzano l’idea in base alla quale le correlazioni quantistiche sorgono in qualche modo al di fuori dello spaziotempo, nel senso che nessuna storia nello spazio e nel tempo può descriverle.

Blog: Spreadquantum

[Press release: Looking beyond space and time to cope with quantum theory]

J-D. Bancal, S. Pironio, A. Acín, Y-C. Liang, V. Scarani & N. Gisin (2012). Quantum non-locality based on finite-speed causal influences leads to superluminal signalling Nature Physics DOI: http://dx..org/10.1038/NPHYS2460

Jean-Daniel Bancal, Stefano Pironio, Antonio Acin, Yeong-Cherng Liang, Valerio Scarani, Nicolas Gisin (2012). Quantum nonlocality based on finite-speed causal influences leads to superluminal signaling Nature Physics arXiv: arXiv:1110.3795
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