L'anno prossimo ricorre il centenario dell'estate in cui il fisico teorico tedesco Werner Heisenberg cercò rifugio dalla febbre da fieno sull'isola di Helgoland, nel Mare del Nord. Lì, capì come esprimere le sconcertanti osservazioni spettroscopiche degli atomi – per cui assorbivano ed emettevano luce a frequenze caratteristiche e ben definite – in forma matematica. Il mentore di Heisenberg, il fisico danese Niels Bohr, aveva proposto che gli spettri potessero essere compresi presupponendo che gli elettroni di un atomo possano possedere solo energie specifiche, passando da un livello energetico a un altro emettendo o assorbendo un singolo “quanto” di luce con un'energia proporzionale alla sua frequenza. Quell’ipotesi quantistica per la luce era stata proposta da Albert Einstein nel 1905, e Bohr l’aveva sviluppata in una nuova teoria dell’atomo, sebbene priva di senso in termini classici.
Esprimendo le energie consentite di questi “salti quantici” come una matrice di valori osservati sperimentalmente, Heisenberg trasformò la ad hoc, la nascente teoria quantistica in una vera e propria meccanica quantistica. La sua algebra matriciale implicava che non fosse possibile conoscere simultaneamente sia la posizione che la quantità di moto di una particella con precisione arbitraria. Questo “principio di incertezza” suggerisce che la fisica quantistica impone dei limiti alla conoscenza che possiamo avere del mondo atomico.
Bohr, Heisenberg e i loro collaboratori a Copenaghen proseguirono sostenendo che questa restrizione è fondamentale. Non è che siamo condannati a rimanere ignoranti su come stanno esattamente le cose, ma piuttosto che non esiste un “come stanno le cose” significativo finché non vengono misurate. Il suggerimento scatenò una discussione bonaria ma tagliente tra Bohr ed Einstein che durò per gran parte della loro vita condivisa. “Einstein non poteva fare la concessione. Cancellerebbe oggetti individuali e separati, tratti essenziali di un’immagine del mondo accettabile”, scrivono John Heilbron e Jim Baggott nel loro nuovo libro Dramma quantistico: Dal dibattito Bohr-Einstein all'enigma dell'entanglement. Baggott, fisico e scrittore scientifico, e Heilbron, storico della scienza morto nel 2023, raccontano la storia della meccanica quantistica, dal suo inizio fino all'odierna avanguardia della tecnologia dell'informazione quantistica.
Einstein non si stancava mai di inventare nuove obiezioni alla visione di “Copenaghen”. Alla Conferenza Solvay del 1930 in Belgio, che riunì i principali fisici dell'epoca, egli confrontò Bohr con un esperimento mentale paradossale che coinvolgeva una scatola pesante appesa a una molla, contenente un fotone (che sfugge) e un orologio fisso. Bohr diede una risposta all'enigma che fuga molti dubbi ma sembra non aver soddisfatto Bohr stesso. "Se ne preoccupò per il resto della sua vita", dicono Heilbron e Baggott. "Uno schizzo approssimativo dell'apparato era sulla sua lavagna il giorno della sua morte."
L'opposizione di Einstein rivelò la natura profondamente controintuitiva della meccanica quantistica, soprattutto in un esperimento mentale ideato nel 1935 con i suoi colleghi più giovani Boris Podolsky e Nathan Rosen. Questo “esperimento EPR [Einstein-Podolsky-Rosen]” ha mostrato che, una volta che due particelle hanno interagito, la meccanica quantistica sembrava insistere sul fatto che le loro proprietà da allora in poi rimanessero interdipendenti, in modo tale che una misurazione suscita un’impossibile segnalazione istantanea tra le due. Erwin Schrödinger, che condivideva l'antipatia di Einstein per la visione di Copenhagen, chiamò questo effetto “entanglement”.
Per Einstein, il paradosso EPR poteva essere risolto solo presupponendo che le particelle entangled avessero proprietà fisse da sempre, anche se non osservabili e quindi caratterizzate da “variabili nascoste”. Il problema era che sia l'interpretazione di Bohr che quella di Einstein fornivano previsioni sperimentali identiche. Senza un modo ovvio per risolvere la questione, la questione fu messa da parte e molti ricercatori negli anni Quaranta e Cinquanta ritennero tali questioni “fondamentali” inutili o addirittura sconvenienti. A chi importava, quando la meccanica quantistica funzionava così bene nella pratica? Questo era l’atteggiamento notoriamente caratterizzato dal fisico americano David Mermin come “stai zitto e calcola”, particolarmente dominante nei pragmatici Stati Uniti. Interessarsi a tali questioni potrebbe equivalere a un suicidio professionale. "Non otterrai mai un dottorato di ricerca se ti lasci distrarre da tali frivolezze", è stato detto a Mermin ad Harvard, secondo il libro. Osserva che "era un periodo molto poco filosofico".
Il premio Nobel Murray Gell-Mann accusò Bohr di aver fatto il lavaggio del cervello a una generazione di fisici inducendoli a pensare che gli enigmi della meccanica quantistica fossero stati tutti risolti da tempo
Nel suo libro 1999 Dialogo quantistico, storica della scienza Mara Beller accusò Bohr e i suoi colleghi di imporre la loro ortodossia di Copenaghen e di marginalizzare o ridicolizzare interpretazioni alternative come le “onde pilota” di David Bohm e la “funzione d’onda universale” di Hugh Everett, nota anche come l’interpretazione dei “molti mondi” della meccanica quantistica. Il premio Nobel Murray Gell-Mann accusò Bohr di aver fatto il lavaggio del cervello a una generazione di fisici inducendoli a pensare che gli enigmi della meccanica quantistica fossero stati tutti risolti da tempo. Ma Heilbron e Baggott dimostrano che è più giusto attribuire la colpa all’apatia della comunità in generale. Come ha detto Paul Dirac a proposito degli enigmi metafisici della teoria: “Molte persone vivono vite lunghe e fruttuose senza mai preoccuparsi di [loro]”.
Trent'anni di 'contromisura'
Questo atteggiamento, tuttavia, iniziò a cambiare nel 1964, quando il Il fisico nordirlandese John Bell hanno trovato un modo per distinguere i cosiddetti modelli a variabili nascoste dalla semplice meccanica quantistica. Tutto ciò di cui aveva bisogno era una seria riflessione: "Non c'era nulla nella disuguaglianza di Bell che non fosse noto ai fondatori della teoria quantistica", dicono gli autori.
Ironicamente, Bell inventò il suo celebre test perché voleva trovare un difetto nella meccanica quantistica bohriana. Lo stesso fece la prima persona a condurre il test sperimentalmente, John Clauser, in collaborazione con Stuart Freedman presso l'Università della California a Berkeley. Eppure quell’esperimento, e molti altri condotti successivamente, hanno infallibilmente supportato la sola meccanica quantistica ed escluso qualsiasi variabile nascosta – almeno quelle che si applicano a livello locale per assegnare a ciascuna particella proprietà fisse in una data posizione prima della misurazione. (Ciò non significa che Bohr abbia ragione, anche se sembra quasi impossibile salvare la posizione di Einstein). I premi Nobel Anton Zeilinger e Alain Aspect. Lungi dall’essere vuote filosofiche, tali studi ora sostengono tecnologie come l’informatica quantistica e la crittografia quantistica.
Dramma quantistico racconta una storia complessa con un vasto cast. Sebbene gli autori a volte pretendano molto dai loro lettori, non ho mai letto un resoconto migliore: equilibrato, autorevole e condito di arguzia elegante. Descrivendo un viaggio in Giappone fatto da molti dei primi pionieri quantistici, Heilbron e Baggott descrivono come, passeggiando davanti a una pagoda, “Heisenberg si arrampicò spontaneamente su di essa e, stando sul suo apice (larghezza ∆q) su un piede in un vento ululante, mantenne felicemente un’incertezza ∆p troppo piccola per farlo cadere.”
Questo libro non sarà tutto per tutte le persone. Come nel caso del libro precedente di Heilbron Niels Bohr: una brevissima introduzione, la sua descrizione dell'atomo di Bohr è così tecnica da essere quasi impenetrabile a tutti tranne che agli specialisti, creando un formidabile ostacolo così presto nel libro. E ci sono altre occasioni, come nelle descrizioni dei test di Bell, in cui si desidera una concisa sintesi del significato qualitativo tra i dettagli. A volte al lettore vengono lanciati una serie di commenti di esperti senza molte indicazioni su come affrontare le loro contraddizioni.
Ma se questo rende il libro talvolta impegnativo per il lettore generale, il profitto per la perseveranza è considerevole. Come autore di un resoconto di livello popolare della meccanica quantistica, esito a suggerire di lasciare da parte tali sforzi a favore di questo volume più sostanzioso, ma consiglierei sicuramente di trattare tutti questi resoconti con cautela finché non avrete letto questo.
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- Fonte: https://physicsworld.com/a/entangled-entities-bohr-einstein-and-the-battle-over-quantum-fundamentals/
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