È la domanda centrale della meccanica quantistica, e nessuno conosce la risposta: Cosa succede davvero in una sovrapposizione – la particolare circostanza in cui le particelle sembrano essere in due o più posti o stati allo stesso tempo? Nel 2018 un team di ricercatori in Israele e Giappone ha proposto un esperimento che potrebbe finalmente permetterci di dire qualcosa di sicuro sulla natura di questo fenomeno sconcertante.
Il loro esperimento è stato progettato per consentire agli scienziati di dare un’occhiata di nascosto a dove un oggetto – in questo caso una particella di luce, chiamata fotone – risiede effettivamente quando è posto in una sovrapposizione. E i ricercatori prevedono che la risposta sarà ancora più strana e scioccante di “due posti allo stesso tempo”.
L’esempio classico di una sovrapposizione comporta lo sparo di fotoni in due fenditure parallele in una barriera. Un aspetto fondamentale della meccanica quantistica è che le particelle minuscole possono comportarsi come onde, così che quelle che passano attraverso una fenditura “interferiscono” con quelle che passano attraverso l’altra, le loro ondulazioni si amplificano o si annullano a vicenda per creare un modello caratteristico sullo schermo di un rilevatore. La cosa strana, però, è che questa interferenza si verifica anche se viene sparata una sola particella alla volta. La particella sembra in qualche modo passare attraverso entrambe le fessure contemporaneamente, interferendo con se stessa. Questa è una sovrapposizione.
E diventa ancora più strano: Misurare attraverso quale fenditura passa una tale particella indicherà invariabilmente che ne attraversa solo una, ma allora l’interferenza ondulatoria (la “quanticità”, se volete) svanisce. L’atto stesso della misurazione sembra far “collassare” la sovrapposizione. “Sappiamo che sta succedendo qualcosa di strano in una sovrapposizione”, dice il fisico Avshalom Elitzur dell’Istituto israeliano di ricerca avanzata. “Ma non è permesso misurarlo. Questo è ciò che rende la meccanica quantistica così diabolica.”
Per decenni i ricercatori si sono arenati in questa apparente impasse. Non possono dire esattamente cos’è una sovrapposizione senza guardarla, ma se provano a guardarla, scompare. Una soluzione potenziale – sviluppata dall’ex mentore di Elitzur, il fisico israeliano Yakir Aharonov, ora alla Chapman University, e dai suoi collaboratori – suggerisce un modo per dedurre qualcosa sulle particelle quantistiche prima di misurarle. L’approccio di Aharonov si chiama formalismo dei due stati vettoriali (TSVF) della meccanica quantistica e postula che gli eventi quantistici siano in un certo senso determinati da stati quantistici non solo nel passato, ma anche nel futuro. Cioè, il TSVF presuppone che la meccanica quantistica funzioni allo stesso modo sia in avanti che indietro nel tempo. Da questa prospettiva, le cause possono sembrare propagarsi all’indietro nel tempo, verificandosi dopo i loro effetti: un fenomeno chiamato retrocausazione.
Ma non è necessario prendere questa strana nozione alla lettera. Piuttosto nella TSVF, si può ottenere una conoscenza retrospettiva di ciò che è accaduto in un sistema quantistico selezionando il risultato: Invece di misurare semplicemente dove finisce una particella, un ricercatore sceglie un luogo particolare in cui cercarla. Questo si chiama post-selezione, e fornisce più informazioni di qualsiasi sbirciata incondizionata ai risultati. Questo perché lo stato della particella in ogni istante viene valutato retrospettivamente alla luce della sua intera storia, fino alla misurazione inclusa. La stranezza arriva perché sembra che il ricercatore – semplicemente scegliendo di cercare un particolare risultato – faccia sì che quel risultato accada. Ma questo è un po’ come concludere che se accendete la vostra televisione quando il vostro programma preferito è programmato, la vostra azione fa sì che quel programma venga trasmesso proprio in quel momento. “È generalmente accettato che la TSVF è matematicamente equivalente alla meccanica quantistica standard”, dice David Wallace, un filosofo della scienza della University of Southern California, specializzato in interpretazioni della meccanica quantistica. “Prendiamo, per esempio, una versione dell’esperimento della doppia fenditura ideato da Aharonov e dal suo collega Lev Vaidman dell’Università di Tel Aviv nel 2003, che hanno interpretato con la TSVF. La coppia ha descritto (ma non costruito) un sistema ottico in cui un singolo fotone agisce come un “otturatore” che chiude una fenditura facendo sì che un altro fotone “sonda” che si avvicina alla fenditura venga riflesso nel modo in cui è venuto. Applicando la post-selezione alle misure del fotone sonda, Aharonov e Vaidman hanno dimostrato che si potrebbe discernere un fotone otturatore in una sovrapposizione che chiude entrambe (o anche molte) fenditure contemporaneamente. In altre parole, questo esperimento di pensiero permetterebbe in teoria di dire con sicurezza che il fotone dell’otturatore è contemporaneamente “qui” e “là”. Anche se questa situazione sembra paradossale dalla nostra esperienza quotidiana, è un aspetto ben studiato delle cosiddette proprietà non locali delle particelle quantistiche, dove l’intera nozione di una posizione ben definita nello spazio si dissolve.
Nel 2016 i fisici Ryo Okamoto e Shigeki Takeuchi dell’Università di Kyoto hanno verificato sperimentalmente le previsioni di Aharonov e Vaidman utilizzando un circuito di trasporto della luce in cui il fotone shutter è creato utilizzando un router quantistico, un dispositivo che permette a un fotone di controllare il percorso preso da un altro. “Questo è stato un esperimento pionieristico che ha permesso di dedurre la posizione simultanea di una particella in due luoghi”, dice il collega di Elitzur, Eliahu Cohen, dell’Università di Ottawa in Ontario.
Ora Elitzur e Cohen hanno collaborato con Okamoto e Takeuchi per inventare un esperimento ancora più strabiliante. Credono che permetterà ai ricercatori di dire con certezza qualcosa sulla posizione di una particella in una sovrapposizione in una serie di punti diversi nel tempo, prima che sia stata fatta qualsiasi misurazione effettiva. Lungo ognuno di questi percorsi potrebbe interagire con un fotone dell’otturatore in una sovrapposizione. Si può considerare che queste interazioni avvengano all’interno di scatole etichettate A, B e C, una delle quali è situata lungo ciascuno dei tre possibili percorsi del fotone. Osservando l’autointerferenza del fotone della sonda, si può concludere retrospettivamente con certezza che la particella dell’otturatore era in una data scatola in un momento specifico.
L’esperimento è progettato in modo che il fotone della sonda possa mostrare interferenza solo se ha interagito con il fotone dell’otturatore in una particolare sequenza di luoghi e tempi: cioè, se il fotone dell’otturatore era in entrambe le scatole A e C in un certo momento (t1), poi in un momento successivo (t2) solo in C, e in un momento ancora successivo (t3) sia in B che in C. Quindi l’interferenza nel fotone della sonda sarebbe un segno definitivo che il fotone dell’otturatore ha fatto questa bizzarra, logica-difettosa sequenza di apparizioni disgiunte tra le scatole in tempi diversi – un’idea che Elitzur, Cohen e Aharonov hanno proposto come una possibilità nel 2017 per una singola particella diffusa su tre scatole. “Mi piace il modo in cui questo documento inquadra le domande su ciò che sta accadendo in termini di intere storie piuttosto che di stati istantanei”, dice il fisico Ken Wharton della San José State University, che non è coinvolto nel nuovo progetto. “Parlare di ‘stati’ è un vecchio pregiudizio pervasivo, mentre le storie complete sono generalmente molto più ricche e interessanti.”
Questa ricchezza, sostengono Elitzur e i suoi colleghi, è ciò a cui il TSVF dà accesso. L’apparente scomparsa delle particelle in un luogo e in un momento – e la loro ricomparsa in altri tempi e luoghi – suggerisce una visione straordinaria dei processi sottostanti coinvolti nell’esistenza non locale delle particelle quantistiche. Attraverso la lente della TSVF, dice Elitzur, questa esistenza tremolante e mutevole può essere compresa come una serie di eventi in cui la presenza di una particella in un luogo è “annullata” dalla sua “contropartita” nello stesso luogo. Lo confronta con l’idea introdotta dal fisico britannico Paul Dirac negli anni ’20, che sosteneva che le particelle possiedono antiparticelle e che, se unite, una particella e un’antiparticella possono annichilirsi a vicenda. All’inizio questa nozione sembrava solo un modo di dire, ma presto portò alla scoperta dell’antimateria. La scomparsa delle particelle quantistiche non è un “annichilimento” in questo stesso senso, ma è in qualche modo analogo: queste putative contropartite, ipotizza Elitzur, dovrebbero possedere energia negativa e massa negativa, permettendo loro di annullare le loro controparti.
Quindi, anche se la visione tradizionale “due posti contemporaneamente” della sovrapposizione potrebbe sembrare abbastanza strana, “è possibile che una sovrapposizione sia un insieme di stati che sono ancora più folli”, dice Elitzur. “La meccanica quantistica ti dice solo la loro media”. La post-selezione permette quindi di isolare e ispezionare solo alcuni di questi stati con una risoluzione maggiore, suggerisce. Una tale interpretazione del comportamento quantistico sarebbe, dice, “rivoluzionaria” – perché comporterebbe un serraglio finora sconosciuto di stati reali (ma molto strani) alla base di fenomeni quantistici controintuitivi.
Okamoto e i suoi colleghi di Kyoto hanno ora effettuato l’esperimento proposto usando fotoni, ma stanno ancora analizzando i risultati. Tuttavia, dice Cohen, “i risultati preliminari si accordano bene con la teoria”. Dice che i ricercatori giapponesi stanno ora apportando miglioramenti alla configurazione per ridurre le barre di errore.
Per ora alcuni osservatori esterni non stanno esattamente aspettando con il fiato sospeso. “L’esperimento è destinato a funzionare”, dice Wharton, ma aggiunge che “non convincerà nessuno di nulla, poiché i risultati sono previsti dalla meccanica quantistica standard”. In altre parole, non ci sarebbe alcuna ragione convincente per interpretare il risultato in termini di TSVF piuttosto che uno dei molti altri modi in cui i ricercatori interpretano il comportamento quantistico.
Elitzur concorda che il loro esperimento avrebbe potuto essere concepito utilizzando la visione convenzionale della meccanica quantistica che prevaleva decenni fa – ma non lo è mai stato. “Non è una buona indicazione della solidità della TSVF?”, chiede. E se qualcuno pensa di poter formulare un quadro diverso di “ciò che sta realmente accadendo” in questo esperimento usando la meccanica quantistica standard, aggiunge, “Beh, che facciano pure!”
E’ fiducioso che il lavoro annunci “niente meno che una rivoluzione all’interno della meccanica quantistica”. Ora che i metodi di misurazione sono diventati abbastanza precisi, dice, “si può essere sicuri che nozioni come la retrocausazione diventeranno parte integrante della realtà quantistica”.