cosa succederebbe se l'ordine degli eventi scomparisse su scala molto piccola? ⏳

Da poco più di un decennio i fisici studiano uno strano fenomeno nel mondo quantistico. Su scale molto piccole, l’ordine temporale tra i diversi eventi potrebbe non essere sempre ben definito.

La fisica quantistica descrive il mondo microscopico con una precisione impressionante. Le sue previsioni non sono mai state contraddette dagli esperimenti. Ma è anche rinomato per la sua stranezza.

In effetti, gli oggetti microscopici si comportano in modo controintuitivo. Innanzitutto, le loro proprietà (come la posizione e la velocità) a volte possono assumere solo determinati valori molto specifici. Per fare un'analogia con il nostro mondo macroscopico, tutto accade come se, quando ci muoviamo in linea retta, potessimo muoverci solo a “salti” di un metro, senza mai riuscire ad avere una posizione intermedia. Due entità sembrano quindi potersi influenzare a vicenda a grandissime distanze, a velocità superiori a quelle della luce. Infine, alcuni oggetti hanno proprietà (come il loro positrone o la velocità) che si trovano in “sovrapposizioni quantistiche” di diversi valori. Cosa significa per un oggetto trovarsi in una “sovrapposizione” di più posizioni? L'oggetto non è da nessuna parte? Ovunque contemporaneamente? Queste domande animano fisici e filosofi da decenni.

Un'altra stranezza nel mondo quantistico

Tuttavia, quest'ultimo decennio ha visto l'emergere di nuove scoperte che sollevano il complessità portare il problema a un livello superiore. Il lavoro di fisici sparsi in tutto il mondo indica che quando si verificano due eventi nel mondo quantistico, l’ordine temporale tra questi eventi è talvolta indefinito.

Al nostro livello è sempre possibile capire se una persona ha starnutito prima di scusarsi o viceversa. La fisica quantistica suggerisce che, su piccola scala, a volte nessuna di queste due possibilità è corretta.

Tuttavia, l’ordine temporale tra i diversi eventi è fortemente legato alle relazioni causali. Infatti, una causa deve sempre precedere il suo effetto. Pertanto, se l’ordine temporale tra i diversi eventi non è definito, lo stesso potrebbe valere per il loro ordine causale.

Come possiamo dare un senso a un mondo in cui le cose non accadono secondo un ordine ben definito? Questa domanda è una sfida per i filosofi della scienza. Verranno senza dubbio proposte risposte coraggiose e potremmo dover accettare una profonda messa in discussione della nostra visione del mondo fisico.

Un'esperienza inquietante

In laboratorio possiamo osservare ordini causali indefiniti, ad esempio grazie al “quantum switch”, un esperimento molto particolare effettuato in diverse occasioni. Descriviamo in dettaglio uno di questi risultati sperimentali. Due sperimentatori eseguono ciascuno un'operazione sulla stessa particella di luce, chiamata fotone. Queste manipolazioni consistono, ad esempio, nel modificare una proprietà di questo fotone, che chiamiamo “modalità spaziale”. L'ordine tra le due operazioni è determinato, non dagli scienziati stessi, ma dal valore di un'altra proprietà del fotone, chiamata “polarizzazione”.

Quando la polarizzazione del fotone è in una “sovrapposizione quantistica” di due valori distinti, e dopo che un terzo sperimentatore ha misurato questa polarizzazione alla fine dell'esperimento, l'intera disposizione sperimentale non può essere descritta, né dallo scenario in cui la particella era prima manipolato dal primo sperimentatore prima di essere inviato al secondo, né dallo scenario opposto.

Questa intrigante ricerca è ancora nelle sue fasi iniziali. Permetteranno di studiare il comportamento delle relazioni temporali o causali su scala molto piccola, nel mondo quantistico. È importante riuscire a dare un senso alla mancanza di ordine temporale o causale tra gli eventi. In effetti, l’ordine degli eventi nel tempo (e nello spazio) costituisce il fondamento su cui gli esseri umani costruiscono la loro comprensione di ogni cosa.

Ad esempio, quando un oggetto si rompe dopo una caduta, lo spieghiamo con l'impatto con il suolo, dopo che ha seguito una traiettoria ben precisa nell'aria. Allo stesso modo, la storia dell’umanità è raccontata attraverso un continuo susseguirsi di eventi accaduti in vari luoghi del mondo, in tempi ben precisi.

Per preservare i nostri modi classici di ragionamento, dobbiamo quindi capire cosa succede alle nozioni di tempo e spazio nel mondo quantistico. Dobbiamo anche dare un senso alla loro possibile assenza. Per rispondere a queste domande, alcuni filosofi e fisici ritengono, ad esempio, che il futuro possa influenzare il passato. Altri contemplano l'idea che il tempo e lo spazio possano essere solo il “sottoprodotto” di fenomeni più fondamentali, la cui natura deve ancora essere compresa.

Infine, la scoperta dell'”interruttore quantistico” e degli ordini causali indefiniti potrebbero rivelarsi utili nel campo dell'informatica quantistica e per lo sviluppo di futuri “computer quantistici” di nuovo tipo. In effetti, l’esistenza di questi fenomeni potrebbe essere sfruttata per svolgere nuovi compiti. Potrebbero anche consentire di eseguire determinati calcoli in modo più efficiente rispetto ai computer quantistici più standard.

Pertanto, la recente ricerca nel campo della fisica quantistica promette possibili rivoluzioni, sia filosofiche che tecnologiche.

Di Laurie Letertre – Dottoranda in filosofia della fisica, Université Grenoble Alpes (UGA).
Cyril Branciard, ricercatore del CNRS, ha riletto questo articolo e l'autore desidera ringraziarlo.