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L'Entanglement,
uno dei
grandi misteri della fisica.

Un ottimo
libro:
Titolo:
Entanglement. Il più grande mistero della fisica.
Autore: Aczel Amir D. - Editore: Raffaello
Cortina - 2004 - Traduttore: M. Pagani
Pagine: XIX-260 - Prezzo: € 21,00
Un saggio del
matematico Aczel potrebbe svelarci un enigma della fisica: l’« Entanglement ».
di Claudio Bartocci - By:
www.lastampa.it - 9-7-2004
Sembra
incredibile che una minima azione su una particella abbia
immediatamente effetto sulla particella gemella anche se questa è
stata spedita a miliardi di anni luce.
Eppure, questa
straordinaria proprietà sembrerebbe una caratteristica ineliminabile
della teoria della fisica più accreditata e potente di cui oggi
disponiamo: la meccanica quantistica. Nota con il termine tecnico
di "entanglement quantistico", un intreccio tra particelle,
costituisce la sfida maggiore per fisici e filosofi da quando
Werner Heisenberg cominciò a scandagliare i misteri
dell'infinitamente piccolo.
Fra tutte le teorie scientifiche, grandi o piccole, nate nel
secolo scorso, nessuna ha contribuito, crediamo, a modificare
tanto radicalmente la nostra vita quotidiana quanto la meccanica
quantistica. Quando ascoltiamo la radio, guardiamo la televisione,
usiamo il computer, il cellulare o qualsiasi elettrodomestico con
componenti elettroniche, sfruttiamo fenomeni fisici - quelli che
regolano il funzionamento di transistor, fasci di elettroni,
microchip - che non appartengono al dominio della meccanica o
dell'elettromagnetismo classici. Ma l'importanza e l'onnipresenza
delle sue applicazioni non deve far dimenticare che la fisica
quantistica (la cui nascita si fa tradizionalmente risalire a un
articolo del grande fisico Max Planck datato 1900) è stata anche la maggiore
rivoluzione intellettuale degli ultimi cento anni, che ha
definitivamente fatto a pezzi un'idea radicata fin dai tempi di
Aristotele: la fiducia nel senso comune, se necessario
adeguatamente affinato e scaltrito, come fondamento inconcusso
dell'indagine scientifica.
Facciamo un piccolo esempio: una pallina da tennis lanciata contro
una parete con due finestre può uscire passando attraverso l'una o
l'altra finestra, ma non attraverso le due finestre
contemporaneamente - nessuno sano di mente metterebbe in dubbio
una verità così lapalissiana, almeno all'apparenza. Tuttavia, un
elettrone che incontri una barriera con due fenditure, passa
attraverso entrambe contemporaneamente. E non solo. Nella fisica
di Newton e di Maxwell un'onda e una particella sono due oggetti
con proprietà differenti; nella meccanica quantistica un elettrone
può rimbalzare come una particella e interferire con se stesso
come un'onda. Il principio del terzo escluso va dunque a carte
quarantotto nella teoria dei quanti, e insieme alla logica
classica si devono rivedere profondamente anche altre strutture
concettuali (in primo luogo quella di causalità) che
contribuiscono a forgiare la nostra visione del mondo.
Malgrado la sua importanza nella storia delle idee del Novecento,
la fisica quantistica rimane in larga misura ignorata nei
programmi scolastici e continua a essere percepita dai più come un
qualcosa di esoterico, che nulla avrebbe a che spartire con la
cultura con la C maiuscola. Si deve dunque accogliere con favore
la pubblicazione per i tipi di Cortina dell'ultima fatica di Amir
Aczel (matematico ed esperto divulgatore), un volume dal titolo
alquanto criptico, Entanglement (trad. it. Massimiliano Pagani,
pp. XIX+260, € 21,00, nel 2004), che costituisce un'ottima introduzione ad
uno dei concetti più elusivi e sorprendenti dell'universo
quantistico.
Albert Einstein, universalmente noto per la formulazione della
teoria della relatività, diede anche un importante contributo alla
nascente fisica dei quanti. In un articolo del 1905 (indubbiamente
il suo annus mirabilis) fornì una brillante spiegazione
dell'effetto fotoelettrico basata sull'ipotesi che la luce fosse
composta da particelle discrete (successivamente dette fotoni).
Negli anni a seguire, tuttavia, Einstein assunse il ruolo di
osservatore critico degli sviluppi della meccanica quantistica e
avversò con decisione quella formulazione in chiave probabilistica
della teoria, dovuta principalmente a Niels Bohr, nota sotto il
nome di « interpretazione di Copenaghen ». Il duello fra Einstein e
Bohr, che si protrasse per circa trenta anni, conobbe i suoi
momenti di più intensa teatralità durante le Conferenze Solvay del
1927, 1930 e 1933: il primo inventava esperimenti mentali
diabolicamente ingegnosi volti a mettere in scacco
l'interpretazione di Copenaghen, il secondo parava i colpi
cercando di individuare la falla nel ragionamento dell'avversario.
Mentre nel 1927 e nel 1930 Bohr riuscì a neutralizzare
efficacemente gli attacchi di Einstein, diverso fu il caso per
l'argomentazione escogitata da quest'ultimo nel corso della
Conferenza Solvay del 1933 ed espressa con maggior precisione in
un articolo scritto in collaborazione con i fisici Nathan Rosen e
Boris Podolsky pubblicato nel 1935.
In meccanica quantistica, secondo il famoso principio di
indeterminazione di Heisenberg, è impossibile misurare con
arbitraria precisione, a un dato istante, sia la posizione sia la
velocità di una particella. Ma immaginiamo una particella che si
disintegri in due particelle, che schizzino via in direzioni
opposte a uguale velocità: se misuriamo la posizione di una delle
due particelle e la velocità dell'altra, riusciremo, unendo le
informazioni raccolte, a conoscere sia la velocità sia la
posizione di ogni singola particella (abbiamo semplificato, ma
l'idea è più o meno questa). Insomma, due particelle
opportunamente predisposte - particelle entangled, come si dice -
rimarrebbero soggette a una «correlazione» a distanza che agirebbe in
maniera istantanea: più che un fenomeno fisico sembrerebbe quasi
una "magia".
L'esperimento mentale di Einstein-Podolsky-Rosen lasciava aperte
solo due possibilità: o esistono proprietà fisiche nascoste che
eludono la descrizione della realtà fornita dalla meccanica
quantistica (e allora questa teoria è incompleta) o si verificano
effetti non locali che ci obbligano a rivedere radicalmente la
nostra concezione dello spazio e del tempo.
Dovevano passare trenta anni perché le intuizioni puramente
speculative di Einstein-Podolsky-Rosen fossero espresse in una
forma suscettibile di verifica sperimentale. Il fisico irlandese
John S. Bell (1928-1990) in un articolo magistrale del 1964
dimostrò in maniera matematicamente rigorosa, sulla base di certe
disuguaglianze, che la meccanica quantistica è incompatibile con
l'ipotesi dell'esistenza di «variabili nascoste». Nel 1972 John F.
Clauser e Stuart Freedman dell'Università della California a
Berkeley, effettuarono un primo esperimento ispirato alle idee
innovatrici di Bell, seguiti l'anno successivo da Ed S. Frey e
Randal C. Thomson della Texas A&M University. Ma fu nei primi anni
'80 che il fisico francese Alain Aspect realizzò una serie di
esperimenti decisivi nel suo laboratorio dell'Università di Orsay,
a Parigi: utilizzando atomi di calcio eccitati come sorgente di
fotoni entangled, Aspect mostrò che la disuguaglianza di Bell
viene violata, fornendo così una inconfutabile prova sperimentale
a sostegno del carattere non locale della meccanica quantistica.
Nel 1997 Nicolas Gisin e la sua équipe dell'Università di Ginevra
eseguirono con un successo una versione dell'esperimento di Aspect
in cui i rivelatori si trovavano a un distanza di 11 chilometri
l'uno dall'altro.
La più spettacolare applicazione del fenomeno dell'entanglement è
il teletrasporto quantistico, una procedura che permette di
trasferire lo stato fisico di una particella a un'altra
particella, anche molto lontana dalla prima. Sembra un'idea
davvero strampalata, concepibile solo in un film di fantascienza
(chi non ricorda il transporter che, nella serie Star Trek,
immediatamente materializza il capitano Kirk a bordo della nave
spaziale Enterprise?). Eppure, nel 1997 due gruppi di ricerca -
uno diretto da Anton Zeilinger a Vienna, l'altro da Francesco De
Martini a Roma - riuscirono a teletrasportare un singolo fotone.
Nessuno sa con certezza se il teletrasporto si potrà realizzare
anche per atomi e molecole, o addirittura per oggetti
macroscopici, esseri umani inclusi. Ma questo primo passo già
compiuto dischiude orizzonti inimmaginabili fino a pochi decenni
or sono. La fisica quantistica rivelerebbe quindi una realtà molto diversa da
quella che ci suggerisce la nostra esperienza sensoriale, e molto
più ricca di mistero. |