Prima del 1900 avevamo una perfetta comprensione delle leggi che governano l’universo fisico tramandateci dal grande Isaac Newton. Queste sono le leggi che insegniamo ancora ai ragazzi delle scuole superiori di tutto il mondo, le leggi della cosiddetta fisica classica. Al centro della prospettiva di Newton c’è l’idea che se descrivi come è il mondo in questo momento, indicando la posizione e la velocità di tutti gli elementi e descrivi le forze che agiscono su quegli elementi, avrai delle leggi che predicono con esattezza come sarà il mondo in qualsiasi momento successivo.
La fisica classica procede in modo semplice, deterministico e potente. Ha la capacità di determinare il futuro. Questo modello funziona per fare previsioni del futuro: per esempio, quale posizione avrebbe in un dato momento un pendolo mentre oscilla, oppure dove una palla sarebbe atterrata quando sarebbe stata lanciata, oppure dove la luna sarebbe stata nella sua orbita attorno alla Terra. Tutte queste previsioni e tutte le altre sono state fatte con estrema precisione.
Questa è stata la fisica fino ai primi anni del 20° secolo. A questo punto, però, gli scienziati iniziarono ad acquisire la capacità di esplorare il microcosmo, il mondo degli atomi e delle particelle subatomiche. In questo regno subatomico, le previsioni della matematica di Newton si sono rivelate sbagliate. I dati rivelavano che c’era bisogno di nuove leggi per comprendere il mondo microscopico. Nel giro di pochi decenni, una generazione di scienziati del calibro di Albert Einstein, Max Planck, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrodinger e Max Bohr, e molti altri, hanno inaugurato una nuova comprensione della realtà, chiamata meccanica quantistica.
Ora la meccanica quantistica ha le sue potenti formule matematiche, ma la nuova idea centrale della meccanica quantistica si può cogliere anche senza la matematica. Se Newton descrive il mondo così com’è ora e come sarà domani, la meccanica quantistica ti dice com’è probabile che il mondo sia adesso e la probabilità di come sia il mondo domani. Per la meccanica quantistica, queste probabilità descrivono la realtà più profonda e precisa dell’interazione fisica.
Vien meno così la rigida certezza e determinismo con cui la fisica classica descriveva il mondo. Da parte di Einstein ci fu molta resistenza di Einstein nei confronti della natura probabilistica della meccanica quantistica. È noto il detto di Einstein: Dio non gioca a dadi. Einstein non negava che le probabilità quantistiche descrivevano il mondo microscopico, ma la probabilità si riferiva alla teoria e non alla realtà dell’interazione delle particelle subatomiche. Secondo Einstein, la meccanica quantistica era solo una teoria provvisoria che alla fine sarebbe stata sostituita da una comprensione più profonda che non si sarebbe basata sulle probabilità. Per questo Einstein lavorò instancabilmente per esporre le qualità della meccanica quantistica che lui sperava sarebbe stato così ovviamente inaccettabile e contraria alle aspettative di qualsiasi persona ragionevole. La meccanica quantistica con la sua teoria della probabilità non era la storia finale e non descriveva come funziona il mondo.
Nel 1935 con due colleghi Boris Podolski e Nathan Rosen, Einstein credeva di aver finalmente trovato il tallone d’Achille della meccanica quantistica, scoprendo una proprietà inerente alla Meccanica Quantistica che venne chiamata “entanglement” quantistico. In breve, Einstein e i suoi colleghi scoprirono che secondo la matematica della meccanica quantistica, se due oggetti interagiscono e poi vengono del tutto separati tra loro, nel momento in cui si effettua una successiva misurazione su uno di quegli oggetti, la misurazione su uno dei due oggetti ha immediatamente un’influenza istantanea sull’altro oggetto, indipendentemente dalla distanza tra loro.
Einstein chiamò questa strana connessione quantistica “azione spettrale (spooky) a distanza”. La cosa sconvolse profondamente la sua convinzione che oggetti ampiamente separati sono indipendenti l’uno dall’altro. L’entanglement quantistico era lì a mostragli che c’era una connessione quantistica invisibile in grado di collegare oggetti distanti insieme o come dice il nome impigliandoli Einstein non poteva accettare questa visione quantistica della realtà e quindi concluse che qualcosa non funzionava nella meccanica quantistica, non poteva essere la storia completa e definitiva.
Si tratta del “Paradosso di Einstein – Podolsky – Rosen” (Paradosso EPR) cioè un esperimento mentale da loro proposto con cui si sosteneva che la descrizione della realtà fisica fornita dalla meccanica quantistica era incompleto. In un articolo del 1935 intitolato “La descrizione quantomeccanica della realtà fisica può essere considerata completa?”, costoro sostenevano che l’esistenza di “elementi della realtà” che non facevano parte della teoria quantistica e ipotizzavano che si doveva costruire una teoria che li contenesse. Per anni nessuno ha prestato molta attenzione al risultato dell’EPR soprattutto perché la meccanica quantistica ha funzionato e inoltre nessuno ha potuto vedere un modo per testare la speculazione di Einstein secondo cui un giorno la meccanica quantistica sarebbe stata sostituita da una comprensione più profonda che non avrebbe bisogno di probabilità. Ma nel 1964 un fisico di nome John Stewart Bell dimostrò matematicamente che c’era un modo per testare la visione più convenzionale della realtà, cioè mettendo alla prova l’opinione di Einstein secondo cui le particelle hanno sempre caratteristiche definite e non ci sono connessioni “spettrali”, quindi, nessun entanglement quantistico.
Il premio Nobel per la fisica di quest’anno 2022nè stato assegnato ad Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger, i cui Collective Works hanno messo a test con esiti efficaci la visione convenzionale della realtà di Einstein. L’entanglement quantistico è reale. Inoltre, si è potuto dimostrare che la meccanica quantistica e l’entanglement possono essere sfruttati per varie applicazioni: dal Quantum Computing al teletrasporto quantistico; dalla crittografia quantistica che è un modo per usare l’entanglement e inviare messaggi segreti in un modo che non possa essere intercettato o spiato.
Il premio Nobel per la fisica di quest’anno, quindi, conferma la comprensione che si ha della meccanica quantistica, come di qualcosa molto strano e mistico. Ci sono aspetti strani e quasi mistici nella teoria quantistica. La cosa più divertente della meccanica quantistica è che normalmente pensiamo il mondo costituito di sfere di biliardo di vario colore: rosse o gialle o bianche. Guardiamo una biglia ed è rossa, e un’altra è gialla, e un’altra è bianca. Guardando ciascuna singolarmente, pensiamo che la nostra osservazione non abbia nulla a che fare non le altre biglie. Questo è quanto pensa e fa la fisica classica.
Nella meccanica quantistica funziona in modo diverso, puoi avere stati di meccanica quantistica che sono chiamati entangled. In tale stato, guardando semplicemente questa biglia, dicendo che è gialla, in qualche modo si viene ad influenzare ciò che sta accadendo all’altra biglia. Questa è la spettrale o strana proprietà della meccanica quantistica.
I vincitori del premio Nobel della fisica di quest’anno ci hanno fatto capire cosa succede nella realtà del mondo subatomico.
ApertaMente 