Un esperimento quantistico suggerisce che non esiste una realtà oggettiva

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Nel 1961, il fisico vincitore del Premio Nobel Eugene Wigner ha delineato un esperimento mentale che ha dimostrato uno dei paradossi meno noti della meccanica quantistica. L'esperimento mostra come la strana natura dell'universo permetta a due osservatori, diciamo, Wigner e l'amico di Wigner, di sperimentare realtà diverse.

Da allora, i fisici hanno utilizzato l'esperimento mentale di Wigner's Friend per esplorare la natura della misurazione e per discutere se possono esistere fatti oggettivi. Questo è importante perché gli scienziati effettuano esperimenti per stabilire fatti oggettivi. Ma se sperimentano realtà diverse, si dice, come possono essere d'accordo su quali potrebbero essere questi fatti?

Questo ha fornito un materiale divertente per la conversazione dopo cena, ma l'esperimento mentale di Wigner non è mai stato altro: solo un esperimento mentale.

L'anno scorso, tuttavia, i fisici hanno notato che i recenti progressi nelle tecnologie quantistiche hanno permesso di riprodurre il test di Wigner's Friend in un vero esperimento. In altre parole, dovrebbe essere possibile creare realtà diverse e confrontarle in laboratorio per scoprire se possono essere riconciliate.

E oggi Massimiliano Proietti della Heriot-Watt University di Edimburgo e alcuni colleghi affermano di aver eseguito per la prima volta questo esperimento: hanno creato realtà diverse e le hanno confrontate. La loro conclusione è che Wigner aveva ragione: queste realtà possono essere rese inconciliabili in modo che sia impossibile concordare su fatti oggettivi su un esperimento.

L'esperimento mentale originale di Wigner è in linea di principio semplice. Inizia con un singolo fotone polarizzato che, una volta misurato, può avere una polarizzazione orizzontale o una polarizzazione verticale. Ma prima della misurazione, secondo le leggi della meccanica quantistica, il fotone esiste contemporaneamente in entrambi gli stati di polarizzazione, una cosiddetta sovrapposizione.

Wigner ha immaginato un amico in un altro laboratorio che misurava lo stato di questo fotone e memorizzava il risultato, mentre Wigner osservava da lontano. Wigner non ha informazioni sulla misurazione del suo amico e quindi è costretto a presumere che il fotone e la sua misurazione siano in una sovrapposizione di tutti i possibili risultati dell'esperimento.

Wigner può anche eseguire un esperimento per determinare se questa sovrapposizione esiste o meno. Questo è un tipo di esperimento di interferenza che mostra che il fotone e la misurazione sono effettivamente in una sovrapposizione.

Dal punto di vista di Wigner, questo è un dato di fatto: la sovrapposizione esiste. E questo fatto suggerisce che una misurazione non può aver avuto luogo.

Ma questo è in netto contrasto con il punto di vista dell'amico, che ha effettivamente misurato la polarizzazione del fotone e l'ha registrata. L'amico può anche chiamare Wigner e dire che la misurazione è stata eseguita (a condizione che il risultato non venga rivelato).

Quindi le due realtà sono in contrasto tra loro. Ciò mette in discussione lo statuto oggettivo dei fatti accertato dai due osservatori, affermano Proietti e co.

Questa è la teoria, ma l'anno scorso Caslav Brukner, dell'Università di Vienna in Austria, ha escogitato un modo per ricreare l'esperimento Wigner's Friend in laboratorio per mezzo di tecniche che coinvolgono l'entanglement di molte particelle contemporaneamente.

La svolta che Proietti e compagni hanno fatto è portare a termine questo. In un esperimento all'avanguardia a 6 fotoni, realizziamo questo scenario esteso dell'amico di Wigner, dicono.

Usano questi sei fotoni entangled per creare due realtà alternative: una che rappresenta Wigner e una che rappresenta l'amico di Wigner. L'amico di Wigner misura la polarizzazione di un fotone e memorizza il risultato. Wigner esegue quindi una misurazione dell'interferenza per determinare se la misurazione e il fotone sono in sovrapposizione.

L'esperimento produce un risultato inequivocabile. Si scopre che entrambe le realtà possono coesistere anche se producono risultati inconciliabili, proprio come aveva previsto Wigner.

Ciò solleva alcune affascinanti domande che stanno costringendo i fisici a riconsiderare la natura della realtà.

L'idea che gli osservatori possano in definitiva riconciliare le loro misurazioni di un qualche tipo di realtà fondamentale si basa su diversi presupposti. La prima è che i fatti universali esistono effettivamente e che gli osservatori possono essere d'accordo su di essi.

Ma ci sono anche altre ipotesi. Uno è che gli osservatori hanno la libertà di fare le osservazioni che vogliono. E un altro è che le scelte che fa un osservatore non influenzano le scelte che fanno gli altri osservatori, un presupposto che i fisici chiamano località.

Se c'è una realtà oggettiva su cui tutti possono essere d'accordo, allora tutti questi presupposti valgono.

Ma il risultato di Proietti e compagni suggerisce che la realtà oggettiva non esiste. In altre parole, l'esperimento suggerisce che uno o più dei presupposti - l'idea che esista una realtà su cui possiamo essere d'accordo, l'idea che abbiamo libertà di scelta o l'idea di località - devono essere sbagliati.

Naturalmente, c'è un'altra via d'uscita per coloro che si aggrappano alla visione convenzionale della realtà. Questo è che c'è qualche altra scappatoia che gli sperimentatori hanno trascurato. In effetti, i fisici hanno cercato per anni di chiudere le scappatoie in esperimenti simili, anche se ammettono che potrebbe non essere mai possibile chiuderle tutte.

Tuttavia, il lavoro ha importanti implicazioni per il lavoro degli scienziati. Il metodo scientifico si basa su fatti, stabiliti attraverso misurazioni ripetute e concordati universalmente, indipendentemente da chi li ha osservati, affermano Proietti e co. Eppure, nello stesso articolo, minano questa idea, forse fatalmente.

Il passo successivo è andare oltre: costruire esperimenti creando realtà alternative sempre più bizzarre e inconciliabili. Nessuno sa dove questo ci porterà. Ma Wigner, e il suo amico, non sarebbero sicuramente sorpresi.

Rif: arxiv.org/abs/1902.05080 : Rifiuto sperimentale dell'indipendenza dall'osservatore nel mondo quantistico

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