5. Informazioni istantanee

In quest’ultimo articolo (ma poi seguiranno quelli di Red e poi… ecc., ecc., la strada è ancora lunga per costruire un Universo), vedremo come sia “facile” creare esperimenti “ad hoc” che implichino situazioni veramente assurde per le nostre percezioni, segnate inesorabilmente dalla realtà macroscopica quotidiana. A parte le conclusioni sbalorditive, vi prego di notare come il poter prevedere il risultato finale (anche se apparentemente inspiegabile) possa permettere delle applicazioni quotidiane su sistemi anche complessi che utilizzino l’azione di particelle microscopiche, come i fotoni, gli elettroni e non solo. L’uomo, quando vuole, è meraviglioso. Pur non capendoci niente, riesce a sfruttare la situazione per scopi pratici.

In realtà ve ne presento due, in qualche modo simili. Scegliete voi quello che preferite…

Consideriamo, per primo, l’esperimento di Aspect del 1982. Esso si basa su due fotoni correlati (ossia con caratteristiche simmetriche, dato che pure loro hanno un “carattere”, come vedremo più in là) sparati contemporaneamente lungo direzioni diverse. Anch’essi, alla fine, arrivano su un rivelatore in grado di contarli. Lungo il percorso di uno dei due, però, può essere inserito un filtro in grado di modificarne la direzione.

Il risultato fantastico è che quando devia il primo elettrone, devia immediatamente anche l’altro benché si trovi a più di tredici metri di distanza. Il fatto straordinario, già previsto e temuto da Einstein sin dal 1935, dà una chiara evidenza di una reazione, a seguito di una certa azione, che avviene praticamente “in tempo reale”, quasi ci fosse tra le particelle correlate una trasmissione di informazione istantanea che se ne infischia della insuperabilità della velocità della luce (immaginate le ricadute sul principio di simultaneità). Due fotoni gemelli che “sentono” lo stesso problema contemporaneamente. Non è che i gemelli monozigoti abbiano proprio questo tipo di particelle correlate nel loro neuroni?

Per chi volesse saperne un po’ di più, la Fig. 20 raffigura lo schema di massima dell’ apparecchiatura utilizzata da Aspect. Al centro abbiamo un atomo di Calcio eccitato, che produce una coppia di fotoni correlati che si muovono lungo percorsi opposti. Lungo uno di questi percorsi, di tanto in tanto e in maniera del tutto casuale, viene inserito un “filtro” (un cristallo birifrangente CB) che, una volta che un fotone interagisce con esso, può, con una probabilità del 50 %, deviarlo oppure lasciarlo proseguire indisturbato per la sua strada facendosi attraversare. Agli estremi di ogni tragitto previsto è posto un rivelatore di fotoni.

figura 20
Figura 20

Ora, la cosa straordinaria verificata da Aspect è che nel momento in cui viene inserito il cristallo birifrangente CB e si produce una deviazione del fotone 1 verso il rivelatore b, anche il fotone 2 (senza “ostacoli” davanti), “spontaneamente” e istantaneamente, devia verso il rivelatore d. Praticamente l’atto di inserire CB, con la conseguente deviazione del fotone 1, fa istantaneamente e a distanza deviare il fotone 2. Se non sono gemelli siamesi…

Cosa ci dice questo inspiegabile e sbalorditivo esperimento? Che bisogna abbandonare l’idea che le particelle correlate, situate in luoghi distanti, rappresentino enti distinti. Contemporaneamente, scompaiono anche buona parte degli ostacoli concettuali (e di fatto) che impediscono una comunicazione o un’azione non locale. Se agiamo su qualcosa otteniamo un’altra cosa anche se la loro interconnessione fa parte di una situazione descrivibile ma illogica. Possiamo fare succedere qualcosa in un luogo A, agendo sul luogo B, senza che vi sia nessun rapporto concreto tra i due luoghi e tra i fenomeni che vi avvengono. Ubiquità? Gemelli monozigoti? Velocità infinita? No, solo MQ! Come diceva il Premio Nobel per la Fisica Brian Josephson: “L’universo non è una collezione di oggetti, ma un’inseparabile rete di modelli di energia vibrante nei quali nessun componente ha realtà indipendente dal tutto: includendo nel tutto l’osservatore”.

Attenzione: chi avesse voglia di riflettere un po’, capirebbe che questo esperimento ha già risolto uno dei problemi legati all’inflazione. Abbiamo particelle (e quindi anche oggetti macroscopici che sono composti da loro) troppo distanti per avere avuto scambio di informazioni, eppure si comportano nello stesso modo. La soluzione è ovvia… non vi pare? Niente paura, ci torneremo sopra e come!

L’esperimento compiuto all’inizio degli anni ’90 da Mandel, fa ancora un passo in avanti rispetto a quello di Aspect anche se in qualche modo gli assomiglia. Esso rappresenta senza dubbio un gioco di prestigio fantastico, ma perfettamente riproducibile. Pur non sapendo cosa in realtà succede fisicamente, sappiamo benissimo come utilizzarlo per scopi tecnologici.

Innanzitutto, ricreiamo una situazione simile a quella del fotone che transita attraverso le due fenditure, ma per mezzo di un dispositivo diverso, cioè uno specchio semi-riflettente (detto anche divisore): esso trasmette la luce al 50%, ovvero solo metà dell’intensità luminosa riesce ad attraversare lo specchio, mentre l’altra metà viene riflessa. Insomma, qualcosa di molto simile al CB di prima.

Analizzando i singoli fotoni, in una descrizione tradizionale, diremmo che la probabilità che un fotone attraversi lo specchio (invece di essere riflesso) è del 50%. Se consideriamo 100 fotoni, secondo la logica convenzionale, ci aspettiamo statisticamente che 50 fotoni attraversino lo specchio, mentre gli altri 50 vengano riflessi: il fascio iniziale di 100 fotoni sarà, quindi, diviso in due fasci diversi che percorrono cammini diversi. Questo però è vero solo se abbiamo modo di rivelare i singoli fotoni, altrimenti dobbiamo ammettere che ciascun fotone si trova in uno strano “stato di sovrapposizione”, cioè al 50% attraversa lo specchio e al 50% viene riflesso.

In altre parole, il percorso di ciascun fotone sarà indefinito, poiché “per metà” passa attraverso lo specchio e “per l’altra metà” viene riflesso, sebbene esso sia indivisibile. Ma queste cose le sappiamo già abbastanza bene.

Se noi non misuriamo esplicitamente il percorso seguito dal fotone e facciamo incidere i due percorsi potenziali su uno schermo, otteniamo la solita figura di interferenza, ovvero il fotone (pur rimanendo una particella singola) è passata da entrambi i percorsi e alla fine produce interferenza con se stesso. Fin qui avviene ciò che abbiamo già descritto fin troppe volte. La differenza fondamentale è che stavolta il misterioso sdoppiamento del singolo fotone non è causato dalle due fenditure bensì dallo specchio semi-riflettente.

figura 21
Figura 21

Come si vede nella Fig. 21 il laser 1 emette un fotone, lo specchio semi-riflettente 2 “divide” il fotone in due parti “fantasma”, ciascuna delle quali percorre un percorso diverso, 3 e 4. Gli specchi nei punti 3 e 4 sono “normali” e servono solo a indirizzare in maniera opportuna i due percorsi: le onde rimangono onde.

Su ciascun percorso vi è un “convertitore “. Non entriamo nei dettagli e fidatevi della perfezione dell’esperimento: garantisco al 100%. Ciascun convertitore, 5 e 6, divide il proprio fotone fantasma in due fotoni gemelli di energia dimezzata. Uno viene chiamato “fotone segnale” ed è indicato con S, mentre l’altro viene chiamato “fotone ausiliario” ed è indicato con A. Infine, i due percorsi S vengono rivelati sullo schermo 9, mentre i due percorsi A vengono indirizzati sul rivelatore ausiliario 8.

Vediamo come funziona l’intero sistema: il laser 1 spara un singolo fotone alla volta che incide sullo specchio semi-riflettente 2. Poiché noi non misuriamo quale percorso viene effettuato dal fotone, esso passa come onda da entrambi i percorsi 3 e 4, e nei convertitori 5 e 6 viene diviso in due onde gemelle di energia dimezzata. Alla fine, i due percorsi “segnale” (indicati con S) incidono sullo schermo 9 dove il fotone S farà interferenza con se stesso (cioè con l’altra parte di se stesso passato dall’altro percorso) e diventerà finalmente particella (è stato rilevato).

In seguito dal laser spareremo altri fotoni, uno alla volta, e alla fine come risultato vedremo una chiara figura di interferenza sullo schermo 9. Fin qui tutto come sempre. Ormai abbiamo capito il succo dell’esperimento. Tuttavia, non dimentichiamoci i fotoni ausiliari A. Anch’essi si incontrano in 8, con le ovvie conseguenze del caso. Anche lì sentiamo un “clic” ben noto, come quello che si verifica in 9.

Siamo stati molto bravi, ma non abbiamo fatto niente di speciale. Siamo riusciti a ottenere il solito esperimento moltiplicato per due, attraverso l’uso di specchi che non alterano per definizione lo stato probabilistico di onda. Benissimo: ora viene il bello. Vediamo che cosa succede se si inserisce un ostacolo nel punto 7. I percorsi di S e A sono ormai divisi e ci aspettiamo che essi siano indipendenti: l’ostacolo nel punto 7 non dovrebbe alterare la figura di interferenza nello schermo 9, poiché il punto 7 si trova su un altro percorso, anche molto distante, che porta al rivelatore ausiliario 8 e non allo schermo 9. In altre parole, si dovrebbe distrugge solo la figura di interferenza di 8.

E invece no! Se inseriamo l’ostacolo nel punto 7, interrompendo così il percorso di un fascio ausiliario, anche la figura di interferenza dei fasci “segnale”  S nello schermo 9 scompare! Eppure non abbiamo effettuato misure sui fasci “segnale” (che finiscono sullo schermo 9), ma solo su un fascio ausiliario (che finisce nel rivelatore 8). Anche se allontaniamo moltissimo i due fasci, A e S, tra di loro, quando operiamo sui fasci A incredibilmente influenziamo anche i fasci S.

Com’è possibile? Che cos’è cambiato rispetto al caso precedente quando non vi era un ostacolo nel punto 7?  State bene attenti a quanto sto per dire, mi raccomando! È cambiata la “conoscenza potenziale” che abbiamo sui fasci “segnale”. Poiché il percorso che passa dall’ostacolo 7 è interrotto, quando riveliamo un fotone sul rivelatore ausiliario 8, esso deve provenire necessariamente dal percorso che passa per lo specchio 3 (non può provenire dal percorso dello specchio 4, dato che è interrotto nel punto 7). Perciò, misurando la sua interazione col fotone segnale sullo schermo 9 noi saremmo in grado di dire con certezza che quel fotone “segnale” deve provenire dal percorso dello specchio 3, cioè sapremmo o -meglio ancora- dedurremmo che il fotone è passato “interamente” da questo percorso e conseguentemente non può essere passato dal percorso dello specchio 4 (ormai è diventato una particella dato che abbiamo scoperto la sua traiettoria attraverso la semplice deduzione). E’ ovvio, quindi, che non può fare interferenza (come nel caso delle due fenditure). Questo spiega perché la figura di interferenza nello schermo 9 viene distrutta se inseriamo un ostacolo 7 sul fascio ausiliario. Un esempio “concreto”? Non vi è bisogno di cogliere un ladro con le mani nel sacco per arrestarlo. Basta che le indagini fatte in una stanza chiusa della Polizia abbiano dimostrato la sua colpevolezza, attraverso prove inconfutabili. Magari il ladro è ormai scappato all’estero, ma la sua sorte è segnata (sempre che valga l’estradizione): per tutti è ormai un ladro a tutti gli effetti.

Il fatto notevole è che si tratta di una sconcertante “azione a distanza”: agendo sul punto 7 alteriamo lo stato fisico in un luogo diverso, cioè sullo schermo 9, dove la figura di interferenza viene distrutta, e questo è dovuto solo al fatto che noi possiamo dedurre quale percorso ha seguito il fotone che incide sullo schermo 9. Non è necessaria una conoscenza diretta, ma basta  un’informazione, o, se preferite, un atto di consapevolezza. Questa conoscenza potenziale è sufficiente ad alterare lo stato fisico sul rivelatore dei segnali, distruggendo la figura di interferenza. Qualcuno potrebbe dirmi: “Sì, ma se lo scienziato o l’ispettore di polizia potrebbero non essere abbastanza intelligenti da fare il ragionamento deduttivo che inchioda il ladro”. No, la Natura ci considera tutti ugualmente “intelligenti”, proprio perché siamo fatti con le stesse particelle. Per le leggi dell’Universo non esistono ignoranti o luminari, esistono solo creature, le creature che ha costruito nei primi istanti di vita. Speriamo di non farle capire che purtroppo non è sempre vero… magari distruggerebbe tutto ciò che ha creato finora.  Sto scherzando ovviamente, ma non ne sono completamente sicuro. In fondo, anche l’incapacità di comprendere può essere considerata un’interferenza, un difetto anomalo e non sappiamo ancora come le particelle-onde si comportino in questi casi. Per chi ha voglia di pensare, non è difficile immaginarsi, allora, Universi paralleli o scelte casuali o quello che preferite. Dio forse gioca proprio a dadi. Anche Einstein potrebbe aver sbagliato…

In effetti, sembra che la meccanica quantistica dia un messaggio nuovo sulla struttura della realtà, e che sancisca la fine dell’oggettività materialistica, a favore di una concezione “idealistica”, in cui gli oggetti esistono in uno stato “astratto” e “ideale” che rimane teorico finché la percezione di un soggetto cosciente non lo rende reale. Oppure, senza farla tanto grossa, possiamo limitarci a notare che il classico modello materialistico è inadeguato a descrivere la realtà quantistica ed occorre rivolgersi a modelli che concepiscono l’Universo in termini di “informazione” piuttosto che di “materia”. Chiedetevi: “La Luna esiste anche quando non la guardiamo?”. Sembra ed è una domanda sciocca, ma per la MQ non è proprio così…

Mi lancio un po’ avanti non per sconfinare nella parte di Red, ma solo per costruire una specie di ponte. L’esplorazione del mondo subatomico ha rivelato la natura intrinsecamente dinamica della materia; ha mostrato che i costituenti dell’atomo, le particelle subatomiche, sono configurazioni dinamiche che non esistono in quanto entità isolate, ma in quanto parti integranti di una inestricabile rete di interazioni. Queste interazioni comportano un flusso incessante di energia che si manifesta come scambio di particelle; un’azione reciproca dinamica in cui le particelle sono create e distrutte in un processo senza fine, in una continua variazione di configurazioni di energia. Le interazioni tra particelle (presa di coscienza o certezza di un evento o ciò che volete) danno origine alle strutture stabili che formano il mondo materiale, il quale a sua volta non rimane statico, ma oscilla in movimenti ritmici. L’intero Universo è quindi impegnato in un movimento e in un’attività senza fine, in una incessante danza cosmica di energia. Questa danza comporta un’enorme varietà di configurazioni ma, sorprendentemente, queste rientrano in poche categorie distinte. Lo studio delle particelle subatomiche e delle loro interazioni rivela quindi l’esistenza di un ordine perfetto. Il Paese di Alice non è poi così pazzo come sembrerebbe. Siamo solo noi che non riusciamo a capire le sue regole precise e addirittura semplici.

La MQ ha bisogno di poche formule, in fondo. Le introduciamo solo per descrivere la realtà del microcosmo secondo vecchi modelli ormai troppo consolidati. Un segno chiarissimo della limitatezza del nostro cervello rispetto alla logica illogica del microcosmo.

Vedremo che tutto ciò che riguarda la MQ è già completamente “sbocciata” attraverso l’esperimento di Feynman. Red non dovrà far altro che mettere un po’ d’ordine tra queste pazze e bizzarre particelle (anzi descriverne l’ordine intrinseco), caratterizzarle, descriverne le interazioni e dedurre le forze, le transizioni di fase, e le forme di energia che scaturiscono come acqua di fonte. Poi il Big Bang, l’inflazione e tutto il resto saranno solo un gioco da ragazzi.

Sto scherzando ovviamente e Red ha un bell’impegno davanti, ve lo assicuro! Resta però una verità: Feynman e il suo esperimento rimangono uno dei punti più alti di tutta la Scienza, non solo degli ultimi due secoli, ma di tutta la storia umana. Un sommario semplice e meraviglioso di un mondo che nessuno, lui per primo, è stato ancora capace di capire. Forse ci vorrà una bambina, magari di nome Alice, a spiegarci (e non solo a descriverci) la nuova logica. Magari è già a casa vostra … datele un bacione da parte mia!

La parte che segue potete saltarla a piedi uniti, essendo frutto solo e soltanto della mia mente contorta. Permettetemi, però, una riflessione molto personale (ma esiste ancora l’oggettività nel Paese della MQ?). Il mondo macroscopico che ci circonda sembra seguire la regola fondamentale di causa-effetto. In altre parole, tutto ciò che capita è legato a una causa più o meno macroscopica. Addirittura il caos è in qualche modo legato a una variazione infinitesima delle condizioni iniziali. In maniera veramente “rozza”, niente al mondo sembra in grado di scegliere il proprio futuro. Anche gli animali, in fondo, attraverso l’istinto, seguono regole analoghe.

L’unica  “cosa” che sembra andare contro questa legge universale, dettata dalla freccia del tempo, è il cervello umano (quello “vero”, però, merce ormai rarissima). Possiamo chiamarla razionalità, libertà, intelligenza o come preferite. Attraverso l’esperimento di Feynman, però, ci siamo accorti che non è così. Le particelle elementari (e non solo l’elettrone e il fotone) hanno davanti a loro (ma per loro anche il tempo assume una valenza diversa, come vedremo attraverso la reversibilità delle leggi fondamentali) una situazione estremamente libera. Sono ovunque e hanno infinite possibilità di agire.

Cosa fa il cervello umano? Anch’esso ha teoricamente davanti infinite (o quasi) scelte e solo l’interazione con qualcosa che accade lo costringe a fare una scelta. Esiste una vera differenza tra le possibilità della mente e quelle delle particelle elementari. Direi proprio di no. L’entità “mente” è in fondo una particella elementare, proprio quella che noi associamo alla diversità tra l’essere umano senziente e tutto il resto. Cosa potrei allora concludere? Che gli alieni, ossia i personaggi dotati di una ragione e di una capacità di pensiero, sono già tra noi, anzi noi stessi siamo fatti di loro.

Pensate a quello che chiamiamo “carattere” di una persona. Cosa vuol significare? In parole semplici, la differenza di azione e/o reazione, a parità di libertà o di possibilità, tra un cervello e un altro. Una combinazione tale da far reagire in modo diverso alle stesse sollecitudini. Un’onda e nient’altro. Ebbene, per le particelle elementari capita lo stesso. Anch’esse hanno un loro “carattere”, un certo “spin”, un certo “profumo”, ecc. Cervelli in libertà, onde di probabilità o di possibilità? Senz’altro, ma legate tra loro da un legame ancora negato a noi esseri pensanti (molto rozzi): la capacità di informarsi in tempo reale, di agire a distanza, di adeguarsi a ciò che i fratelli e le sorelle hanno “deciso” di fare. Non illudiamoci troppo a pensare che siamo noi con i nostri esperimenti e le nostre azioni a modificare il comportamento delle particelle elementari. Pensateci bene… sono proprio loro che ci comandano.

Va beh… scusate… ho fatto filosofia spicciola che può o non può interessare la descrizione della MQ. Io, nel mio piccolo, la ritengo estremamente utile per poter dire -seguendo le parole di Feynman- : “Ho capito di non aver capito”. Nessuna paura, però… le particelle elementari ce lo insegneranno.

In ogni modo, la MQ che abbiamo appena cominciato a conoscere, risolve già il problema “storico” sulla natura della luce. Essa, quando non è rivelata si comporta come un’onda (l’interferenza lo prova in modo inconfutabile). Quando la osserviamo o anche solo deduciamo la sua esistenza in un certo punto, diventa immediatamente una particella, il fotone. E non c’è  da meravigliarsi, dato  che  la sua possibilità di essere ovunque viene annullata. Questa doppia “natura”, nascosta accuratamente dal microcosmo, è stata dimostrata in modo meraviglioso dall’esperimento di Feynman. A questo punto, siamo veramente in grado di apprezzarne la genialità. Vedremo che la costante di Plank, il principio d’indeterminazione, gli orbitali atomici, il “carattere” delle particelle, la simettria e la sua rottura, la formazione della materia, le transizioni di fase, il vuoto quantico, ecc., ecc.  “aleggiano” più o meno nascoste tra le due fantastiche fenditure.

Forza Red, siamo tutti con te!

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51 Commenti    |    Aggiungi un Commento

  1. cari amici quantistici,
    ho concluso la prima parte del viaggio. Adesso, leggete, rileggete e riflettete, tenendo sempre presente che cercare di trovare una logica o architettare soluzioni realistiche vi porterebbe sempre più lontani dalla MQ. Ciò che vi dirà Red sembrerà più logico, dato che introduce qualche semplice formula e concetti apparentemente più realistici. Non illudetevi, però. Lasciate che la vostra mente continui a viaggiare in un Paese dove niente è prevedibile e niente è sicuro.

    Purtroppo, la vista mi sta andando giù velocemente e faccio fatica a leggere e a scrivere. Approfittate di questi giorni di "pace". Sappiate solo che può darsi che non riesca a rispondere subito... La prossima settimana sarò "assente" , ma non penso per più di 5-6 giorni. In ogni modo Red è sicuramente disponibile a darmi il suo aiuto per i dubbi che sorgeranno inevitabilmente.

    A presto...

  2. Grazie Vincenzo,questo viaggio nella MQ è stato magnifico!Forse,chissà,questa misteriosa "informazione" che arriva all'istante la usiamo tutti i giorni e forse non ce ne accorgiamo,secondo me lo chiamiamo "pensiero".Finalmente posso dire di aver capito di non avere capito.Grazie ancora!


    Orione2000

  3. Ancora Grazie Mille Enzo...

    una sola ulteriore domanda che forse esce un pò dalla trattazione:

    quando due fotoni (o particelle in generale) si possono definire "correlate"?

  4. Citazione Originariamente Scritto da Davide Visualizza Messaggio
    Ancora Grazie Mille Enzo...

    una sola ulteriore domanda che forse esce un pò dalla trattazione:

    quando due fotoni (o particelle in generale) si possono definire "correlate"?
    aspetta, aspetta... non corriamo... se no Red si arrabbia

  5. Citazione Originariamente Scritto da Davide Visualizza Messaggio
    quando due fotoni (o particelle in generale) si possono definire "correlate"?
    E' una questione un po'.... Aggrovigliata....

  6. Citazione Originariamente Scritto da Vincenzo Zappalà Visualizza Messaggio
    aspetta, aspetta... non corriamo... se no Red si arrabbia
    Vai tra..... Le probabilità sono basse....

  7. Grazie Enzo, bellissimo e chiarissimo as usual.
    Il pensiero di associare la MQ al modo di lavorare del cervello mi stuzzica da tempo, avevo letto anche un articolo a riguardo.
    Se non ti spiace e se é possibile, potresti spiegarmi un po piú in dettaglio come funzionano i convertitori 5 e 6 del secondo esperimento?
    Per il resto direi che c'é un bel po' di materiale su cui riflettere.....una gioia insomma!
    Aspetto gli articoli del mitico Red per fare domande piú specifiche.....cosí, giusto per incoraggiarlo con una minaccia

  8. Citazione Originariamente Scritto da Red Hanuman Visualizza Messaggio
    Vai tra..... Le probabilità sono basse....

    Ho capito... sto correndo troppo...scusate, ma questa domanda era sulla punta della lingua da un bel pò di tempo....

  9. Grazie Enzo per il tuo lodevole sforzo di spiegarci cose che nessun libro di fisica, che ho letto fino ad ora sulla MQ, è stato in grado di chiarirmi così come lo hai fatto tu.

    Riposati tranquillo, che a RED ci pensiamo noi!!

  10. che dire? grazie enzo...rileggerò tutto un pò alla volta,non so quanto ho capito di non capire e viceversa,comunque ci hai dato una valanga di informazioni con un metodo geniale ed unico, introducendoci accuratamente e a gradi,ripetendo i concetti allo sfinimento tramite un percorso logico ed elementare,in un territorio illogico,impervio e complicato...non ci sono parole...senza dimenticare come,anche in una piccola comunità virtuale come questa, ci hai unito creando "l'evento"....non ci sono più posti a sedere... in merito alle tue ulltime considerazioni filosofiche...
    eh, fossero tutte come la tua, le menti "contorte"