Super Physics Smackdown: Relatività contro Meccanica Quantistica... Nello Spazio

Uno dei grandi enigmi della scienza moderna è che le leggi che governano l'universo su scala più grande sono completamente diverse da quelle che governano su scala più piccola.

È strano perché tutta la nostra intuizione sull'universo è che dovrebbe essere internamente coerente piuttosto che in contrasto con se stesso. Questo è il motivo per cui i fisici sono indissolubilmente legati all'idea che la relatività e la meccanica quantistica debbano essere manifestazioni di un'idea più grande e migliore che le comprenda entrambe.

Le differenze tra la relatività generale e la meccanica quantistica sono così grandi che ogni tentativo di riconciliarle finora è fallito. Tuttavia, questi tentativi sono stati del tutto teorici e ciò conferisce loro un'utilità limitata.

Ad esempio, i fisici misurano abitualmente il fenomeno quantistico dell'entanglement inviando coppie di fotoni entangled da una posizione all'altra. In questi esperimenti, l'emettitore e il ricevitore devono entrambi misurare la polarizzazione dei fotoni, ad esempio verticale o orizzontale. Ma ciò può accadere solo se entrambe le parti sanno qual è la direzione verso l'alto.

È facile da specificare quando sono vicini. Ma diventa molto più difficile se sono separati da distanze su cui entra in gioco la curvatura dello spaziotempo. Il problema qui è che la risposta è ambigua e dipende dal percorso che ogni fotone compie nello spaziotempo.

Gli sperimentatori possono risolverlo tracciando il percorso di ciascun fotone fino alla loro sorgente comune, se questa è nota. Ma allora, come fa ogni fotone a 'conoscere' il percorso che l'altro ha preso? I teorici possono solo indovinare.

Un altro problema sorge quando questo tipo di esperimenti viene eseguito con il mittente e il destinatario che viaggiano a velocità relativistiche. Questo introduce il ben noto problema della determinazione dell'ordine degli eventi, che Einstein, notoriamente, dimostrò dipende dai punti di vista degli osservatori.

Questo è in netto contrasto con la previsione della meccanica quantistica. Qui la misurazione di un fotone entangled determina istantaneamente il risultato di una futura misurazione sull'altro, indipendentemente dalla distanza tra loro.

Se la relatività ristretta assicura che l'ordine degli eventi sia ambiguo, cosa dà? Ancora una volta, i teorici sono in perdita.

Naturalmente, il modo per rispondere a queste domande è metterle alla prova e vedere.

Oggi, David Rideout dell'Università della California, San Diego e alcuni amici delineano vari modi per rompere queste noci e dicono che questo tipo di esperimenti dovrebbe essere possibile nel prossimo futuro.

Ciò è in gran parte dovuto al fatto che l'attrezzatura sperimentale richiesta è standard in molti laboratori di ottica, quindi la qualificazione per l'uso nello spazio dovrebbe essere semplice.

Due gruppi hanno già proposto di fare questo tipo di esperimenti nello spazio. Un gruppo vuole mettere un pacchetto in grado di produrre fotoni entangled sulla Stazione Spaziale Internazionale, per il teletrasporto sulla Terra. Un altro vuole mantenere l'attrezzatura quantistica a terra e far rimbalzare i fotoni su un semplice microsatellite in un'orbita terrestre bassa, un'opzione che dicono sarà più economica, più facile e migliore.

Nessuno dei due gruppi ha in mente una data di lancio e nemmeno i fondi garantiti per costruire la propria attrezzatura. Ma questo potrebbe cambiare, visto il crescente livello di interesse in quest'area e la possibilità che il lavoro cinese possa scavalcare gli sforzi occidentali.

Oltre a questo, ci sono opzioni a lungo termine per trasmettere fotoni da più lontano, ad esempio dalla Luna o da veicoli spaziali interplanetari.

Il quadro più ampio è che per trovare una nuova fisica, gli scienziati devono spingere gli esperimenti a nuovi limiti. I fisici non sono stati in grado di testare la relatività generale su scala quantistica (cioè la scala di Planck di 10^-34 m). Tuttavia, sono ora in corso sforzi per esplorare questa scala utilizzando interferometri atomici.

E fino ad ora, i fisici non sono stati in grado di testare la meccanica quantistica sulla scala della relatività generale, perché le distanze su cui la curvatura dello spazio-tempo diventa significativa sono così grandi. Abbiamo visto solo poche settimane fa che il record per il teletrasporto di oggetti quantistici è di soli 150 km, che è troppo poco perché la relatività generale possa operare la sua magia.

Rideout e co dicono che è destinato a cambiare nei prossimi anni. I paradossi della meccanica quantistica furono discussi per la prima volta da Einstein, Bohr e altri negli anni '20 e '30. Ma per vari motivi, non ultimo il cieco pregiudizio contro questo tipo di lavoro, fu solo negli anni '70 e '80 che i fisici iniziarono a testarli sperimentalmente.

I paradossi sollevati dall'incontro tra meccanica quantistica e relatività sono altrettanto antichi e probabilmente più profondi. Eppure, i fisici devono ancora iniziare uno sforzo concertato per esplorarli sperimentalmente.

È giunto il momento di afferrare questa ortica.

Rif: arxiv.org/abs/1206.4949 : Fondamentali esperimenti di ottica quantistica concepibili con satelliti che raggiungono distanze e velocità relativistiche

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