Starlight di 600 anni rafforza “L’azione spettrale di Einstein a una distanza”

Un gruppo di scienziati ha usato la luce delle stelle per testare una caratteristica della meccanica quantistica che ha dato i brividi ad Albert Einstein.

L'entanglement è ciò che Einstein chiamava "azione spettrale a distanza". È un fenomeno per cui una particella può effettivamente "sapere" qualcosa di un'altra particella istantaneamente, anche se queste due particelle sono separate da una grande distanza. Sembra andare contro l'idea che nulla, nemmeno l'informazione, possa viaggiare più veloce della velocità della luce.

Gli scienziati che studiano questo fenomeno vogliono essere sicuri che nulla nella loro configurazione sperimentale stia in qualche modo creando l'illusione dell'entanglement, forse attraverso qualche meccanismo fisico o fenomeno di cui gli scienziati non sono ancora a conoscenza. Nel tentativo di colmare una possibile scappatoia negli esperimenti di entanglement, un gruppo di ricercatori ha utilizzato la luce delle stelle come parte del loro esperimento. I ricercatori affermano che i risultati del loro lavoro forniscono ulteriore supporto a questo fenomeno "spettrale". [Entanglement quantistico: amore su scala subatomica]

Limite di velocità universale

Se gli esseri umani dovessero scoprire una specie intelligente che vive su un pianeta a 10 anni luce di distanza, ci vorrebbero 10 anni per inviare loro un messaggio che dice "ciao" e altri 10 anni perché la loro risposta torni sulla Terra. Se scoprissimo una civiltà su un pianeta ancora più lontano, potrebbero volerci molte vite umane solo per iniziare una conversazione.

Questa è la legge, secondo Einstein: niente può viaggiare più veloce della velocità della luce, quindi le comunicazioni condotte su vaste distanze cosmiche arrivano con un ritardo intrinseco.

Eppure, c'è una caratteristica della meccanica quantistica che sembra violare quel principio. La meccanica quantistica è un'area della fisica che si occupa di particelle subatomiche. In questo regno davvero piccolo, le cose si comportano in un modo che può sembrare totalmente contraddittorio rispetto a ciò che sperimentiamo nel mondo macroscopico. Un fenomeno quantistico chiamato entanglement postula che coppie di particelle entangled possono scambiare informazioni in modo efficace istantaneamente. In teoria, queste particelle potrebbero comunicare istantaneamente su vaste distanze cosmiche.

Questa idea sconcertò Einstein; non l'ha mai accettato del tutto. E ancora oggi, gli scienziati stanno lavorando per assicurarsi che questo strano fenomeno sia reale.

Intreccio

Una delle favole più famose della meccanica quantistica riguarda il povero gatto di Schrdinger, che è rimasto bloccato in uno stato incerto: il felino non era né vivo né morto finché qualcuno non ha aperto la scatola per scoprirlo. L'incertezza è un'altra delle caratteristiche davvero bizzarre della meccanica quantistica. Nel mondo reale, qualcosa può essere vivo o morto; nel mondo quantistico, c'è una terza opzione in cui lo stato dell'oggetto non è stato ancora determinato. Per rompere l'incertezza, qualcuno deve misurarla (aprire la scatola) e forzare l'oggetto (gatto) in uno stato (vivo/morto).

Le particelle entangled esistono anche, inizialmente, in uno stato incerto. Le particelle non possono essere vive o morte, quindi pensa a testa e croce. Se lanci una moneta 100 volte, è probabile che esca testa vicino a 50 volte e croce vicino a 50 volte. Se poi lancio la mia moneta 100 volte, c'è un'alta probabilità che anche la divisione sia vicina a 50/50. Ma se le nostre monete sono ingarbugliate, allora il risultato del tuo lancio determina l'esito del mio lancio, forse il nostro intreccio è tale che ogni volta che lanci testa, lancio croce. Se lanciamo le nostre monete abbastanza volte, il nostro intreccio comincerà a diventare ovvio, perché il mio risultato del mio lancio non è più casuale, ma determinato dal tuo lancio, e le probabilità che il mio lancio di croce ogni volta che giri la testa si abbassano e abbassano il più capovolgiamo.

È così che gli scienziati possono misurare l'entanglement. Invece di lanciare un paio di monete più e più volte, i ricercatori misurano le proprietà in molte, molte coppie di particelle aggrovigliate (l'entanglement può essere misurato in un paio di particelle solo una volta). Ma gli scienziati devono essere sicuri che ciò che stanno vedendo non è solo un caso casuale.

Una dichiarazione del Massachusetts Institute of Technology (MIT) pone la domanda: "E se ci fossero altri fattori o variabili nascoste correlati con l'impostazione sperimentale, facendo sembrare i risultati quantisticamente intrecciati, quando in realtà erano il risultato di alcuni meccanismo non quantistico?"

In altre parole, come possono gli scienziati essere sicuri che non ci sia qualche fattore invisibile che influenza i loro esperimenti e che fa sembrare che le particelle esaminate siano aggrovigliate, quando in realtà non lo sono?

Un fisico di nome John Bell ha mostrato che se esiste l'entanglement, allora deve esserci un grado minimo di correlazione tra le particelle entangled quando gli scienziati le misurano; questo è noto come disuguaglianza di Bell o teorema di Bell.

In alcuni esperimenti di entanglement, il rivelatore misura una proprietà delle particelle di luce chiamata polarità; il rivelatore deve essere orientato in una delle due direzioni e possono passare solo fotoni polarizzati nella stessa direzione (una delle due possibilità). Per assicurarsi che il rivelatore non sia in qualche modo influenzato da una di quelle forze misteriose che potrebbero corrompere l'esperimento, i ricercatori utilizzeranno generatori di numeri casuali per determinare la direzione del rivelatore.

Quella scelta casuale viene fatta "nella frazione di secondo tra quando il fotone lascia la sorgente e arriva al rivelatore", secondo la dichiarazione del MIT. "Ma c'è una possibilità, per quanto minima, che variabili nascoste, o influenze non quantistiche, possano influenzare un generatore di numeri casuali prima che trasmetta la sua decisione in una frazione di secondo al rivelatore di fotoni", afferma la dichiarazione.

Questa particolare "scappatoia" in un esperimento che verifica la disuguaglianza di Bell è nota come "scappatoia della libertà di scelta". Nel 2014, un paio di scienziati si sono riuniti e hanno avuto una nuova idea su come evitare quelle possibili influenze, usando la luce delle stelle come la cosa che determina casualmente la direzione del rivelatore. Ora, quei ricercatori hanno messo alla prova la loro idea. [Come funziona l'entanglement quantistico (infografica)]

"Al centro dell'entanglement quantistico c'è l'alto grado di correlazioni nei risultati delle misurazioni su queste coppie [di particelle]", ha affermato nella dichiarazione David Kaiser, professore di fisica al MIT e coautore dello studio. "Ma cosa accadrebbe se uno scettico o un critico insistessero sul fatto che queste correlazioni non fossero dovute a queste particelle che agiscono in un modo completamente quantomeccanico? Vogliamo chiarire se esiste un altro modo in cui quelle correlazioni potrebbero essersi intrufolate senza che ce ne siamo accorti".

Misurare la luce delle stelle

Ogni fotone di luce stellare che raggiunge un telescopio ha una lunghezza d'onda particolare. Nel nuovo studio, condotto a Vienna, in Austria, i ricercatori hanno installato un paio di telescopi e hanno iniziato a raccogliere fotoni (telescopi e rivelatori sono stati collocati sui tetti dell'università, così come sul tetto della Banca nazionale austriaca). Hanno selezionato una lunghezza d'onda di riferimento e ogni fotone che ha colpito il telescopio avrebbe avuto una lunghezza d'onda più o meno lunga di quel punto di riferimento. Un fotone con una lunghezza d'onda più lunga ha commutato il rivelatore in un orientamento e una lunghezza d'onda più corta lo ha spostato nell'altro orientamento.

"Con stelle luminose come queste, il numero di fotoni in arrivo può essere come una manichetta antincendio", ha affermato nella dichiarazione Andrew Friedman, un ricercatore associato del MIT e coautore del nuovo studio. "Quindi abbiamo questi rivelatori molto veloci che possono registrare rilevamenti di fotoni cosmici su scale temporali di subnanosecondi".

I ricercatori hanno misurato circa 100.000 coppie di fotoni entangled con questo metodo e i loro risultati hanno suggerito che le particelle erano veramente entangled.

Le stelle più lontane utilizzate nell'esperimento sono distanti circa 600 anni luce, il che significa che i fotoni sono stati emessi 600 anni fa. Se quei fotoni fossero in qualche modo legati allo stato dei fotoni entangled, quella connessione avrebbe dovuto essere stabilita 600 anni fa, secondo la dichiarazione.

"Questo esperimento respinge l'ultima volta in cui la cospirazione potrebbe essere iniziata", ha affermato nella dichiarazione Alan Guth, professore di fisica al MIT e un altro coautore del nuovo studio. "Stiamo dicendo che, affinché qualche folle meccanismo simuli la meccanica quantistica nel nostro esperimento, quel meccanismo doveva essere in atto 600 anni fa per pianificare il nostro esperimento qui oggi e per aver inviato fotoni del giusto messaggi per riprodurre i risultati della meccanica quantistica. Quindi è molto inverosimile".

Lo studio non elimina completamente la possibilità che qualche forza misteriosa agisca sull'esperimento, ma pone certamente restrizioni più severe su come e quando una cosa del genere potrebbe accadere.

"Il patrimonio immobiliare lasciato agli scettici della meccanica quantistica si è notevolmente ridotto", ha detto Kaiser. "Non ce ne siamo sbarazzati, ma l'abbiamo ridotto di 16 ordini di grandezza".

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