Le Nazioni Unite hanno proclamato il 2025 Anno Internazionale della Scienza e della Tecnologia Quantistica. In questo saggio vorrei sottolineare la rilevanza culturale di questa proclamazione testimoniando come la Fisica Quantistica mi aiuti, come credente e fisico quantistico, a godere in modo indicibile della presenza di Dio nel mondo in cui viviamo e ci muoviamo.
La fisica quantistica contiene tre grandi paradossi: l’entanglement, il gatto di Schrödinger e l’irreversibilità. Il Premio Nobel per la Fisica 2022 è stato assegnato a John F. Clauser, Alain Aspect e Anton Zeilinger, “per gli esperimenti con fotoni entangled e le violazioni delle disuguaglianze di Bell”. Questo premio corona un secolo di lavoro sull’entanglement quantistico, a cui avviamo partecipato molti scienziati e che oggi sta portando a potenti tecnologie. Cercherò innanzitutto di spiegare questa affascinante caratteristica quantistica in modo generalmente comprensibile.
Tutti noi abbiamo esperienze quotidiane di controllo a distanza tramite segnali radio: se inserisco il vostro numero di cellulare sul mio IPhone a centinaia o migliaia di chilometri di distanza, il vostro cellulare squillerà, anche se non immediatamente, ma pochi millisecondi dopo. La comunicazione via segnali radio e velocissima, ma pure richiede tempo: alcuni secondi per raggiungere la Luna e alcuni minuti per raggiungere Marte – non posso guidare il rover Perseverance su Marte più velocemente della luce!
In un tipico esperimento di entanglement, una sorgente laser S emette coppie di fotoni: uno dei fotoni viene guidato da una fibra di vetro verso il laboratorio di Alice, mentre l’altro fotone viene guidato da una fibra di vetro in direzione opposta verso il laboratorio di Bob.
Nel laboratorio di Alice il fotone passa attraverso un dispositivo con due porte di uscita, una monitorata dal rivelatore A(1) e l’altra dal rivelatore A(0). Chiamiamo questo dispositivo ACD (Alice’s Choice Device) perché all’uscita dall’ACD viene effettuata una scelta: il fotone viene contato da A(1), e il risultato viene registrato come “1”, oppure da A(0), e il risultato viene registrato come “0”. Allo stesso modo, dal lato di Bob abbiamo un BCD, con i rilevatori B(1) e B(0), e i corrispondenti risultati “1” e “0”. Le cose accadono come se Alice e Bob lanciassero ognuno una moneta e annotassero “1” quando ottengono “Croce” e “0” quando ottengono “Testa”.
Facciamo in modo che la distanza tra S e ACD sia uguale a quella tra S e BCD, con una precisione di qualche micrometro: così siamo sicuri che non ci sia coordinamento tramite segnali radio tra ACD e BCD nel momento in cui i rivelatori contano i fotoni e i risultati vengono registrati. In altre parole, è come se Alice lanciasse la sua moneta sulla Terra e Bob lanciasse simultaneamente la sua su Marte.
Dopo molti lanci, Alice ottiene una lunga sequenza come questa:
1,0,0,1,0,1,11,0,0,0,1,0,1,0,1,1,1, …
Analizza la sequenza e osserva il 50% di “1”, il 50% di “0”, senza alcuna particolare regolarità. Conclude che il suo apparecchio si comporta come un buon generatore di numeri aleatori: aleatorietà nel laboratorio di Alice.
Lo stesso vale per Bob. aleatorietà nel laboratorio di Bob.
Poiché non ci può essere comunicazione radio tra i due laboratori nel momento in cui vengono prodotti i risultati, si dovrebbe osservare che il 50% delle volte Alice e Bob ottengono lo stesso risultato e il 50% delle volte ottengono risultati diversi.
Supponiamo ora che Alice e Bob si riuniscano, confrontino i loro risultati e, con grande sorpresa, si rendano conto che a ogni lancio ottengono lo stesso risultato: se Alice ha registrato “1”, Bob ha registrato “1”; se Alice ha registrato “0”, Bob ha registrato “0”.
È possibile?
SÌ, LO È. Si tratta dell’entanglement quantistico, che è stato dimostrato in centinaia di esperimenti.
Einstein ha definito l’“entanglement quantistico” una “azione fantasma a distanza” che “non può essere riconciliata con l’idea che la fisica debba rappresentare una realtà nel tempo e nello spazio”, l’idea che i segnali che producono gli eventi correlati NON possano propagarsi più velocemente della luce. Insieme a Boris Podolski e Nathan Rosen, Einstein scrisse nel 1935 il famoso articolo EPR, in cui sosteneva che la meccanica quantistica è incompleta e che le particelle entangled si comportano allo stesso modo perché sono emesse dalla sorgente come “gemelli genetici” portatori di “programmi genetici” nascosti che li fanno reagire allo stesso modo, quando si trovano in intorni simili.
L’articolo EPR provocò una grande controversia che rimase irrisolta fino all’arrivo di John Stewart Bell. John scoprì una proprietà matematica, le cosiddette “disuguaglianze di Bell” citate nell’annuncio del Premio Nobel, che permette di decidere per esperimento tra la spiegazione di Einstein e la Meccanica Quantistica. La scoperta fu pubblicata nel 1964.
Da allora sono stati condotti molti esperimenti che escludono la spiegazione di Einstein delle “variabili nascoste” (cioè, programmi nascosti) e confermano che l’entanglement quantistico è reale. Ciò significa che esistono eventi correlati in condizioni tali da escludere qualsiasi coordinamento tramite segnali radio. Tra questi esperimenti ci sono quelli premiati col Nobel del 2022.
Tuttavia, questi esperimenti non escludono la spiegazione che uno dei risultati, ad esempio quello di Alice, possa essere considerato la causa (prima nel tempo) e l’altro l’effetto (dopo nel tempo). Per escludere questa possibilità, è necessario mettere in moto i dispositivi ACD e BCD per creare una configurazione relativistica in cui la scelta del risultato nel laboratorio di Alice avviene prima della scelta del risultato nel laboratorio di Bob, e la scelta nel laboratorio di Bob avviene prima della scelta nel laboratorio di Alice. Con un tale ordine temporale relativistico, il risultato di Alice non può tenere conto del risultato di Bob e il risultato di Bob non può tenere conto del risultato di Bob: di conseguenza, la correlazione tra i risultati di Alice e di Bob dovrebbe scomparire. Questo è il cosiddetto esperimento “before-before” con dispositivi di misura in movimento, che completa gli esperimenti convenzionali di entanglement con dispositivi a riposo.
L’ispirazione per questo esperimento mi venne durante un Colloquio che organizzai con John Bell il 22 gennaio 1990, al CERN di Ginevra, per discutere le implicazioni filosofiche della sua scoperta (l’intervento di Bell e la discussione che ne seguì sono registrati in questo video). Pochi mesi dopo, un Colloquio simile si è potuto ripetere a Colonia (Germania), e questa volta tra i relatori non c’era solo John Bell, ma anche Anton Zeilinger, uno dei tre vincitori del Premio Nobel 2022 (gli atti sono pubblicati in questo libro). Le discussioni con John e Anton rafforzarono il mio interesse per l’esperimento.
Negli anni successivi, divenni amico di Marcel Odier, un banchiere privato di Ginevra, entusiasta dell’esperimento e disposto a sponsorizzarlo. Purtroppo John Bell morì il 1° ottobre 1990. Marcel e io ci recammo più volte a Innsbruck per visitare Anton Zeilinger, con il quale avemmo proficue discussioni. Nel 1997 ho potuto pubblicare l’esperimento insieme a Valerio Scarani (cfr. artícolo in PLA), e infine ho potuto realizzarlo nel 2001 insieme a Nicolas Gisin, André Stefanov e Hugo Zbinden presso il Laboratorio di Ottica Quantistica dell’Università di Ginevra (cfr. articoli in PRL e PRA).
L’esperimento ha dimostrato che le correlazioni quantistiche non scompaiono, escludendo quindi una spiegazione basata sulla “causalità nel tempo”, ossia sull’idea che esista una relazione di causa-effetto tra gli eventi correlati.
Questo ha importanti implicazioni per la nostra comprensione dello spazio e del tempo:
Gli eventi lontani correlati costruiscono un unico effetto nolocale che spunta (si materializza) nello spazio-tempo, ma la causa è al di là dello spazio e del tempo. Non tutto ciò che conta per i fenomeni fisici è contenuto nello spazio-tempo. “Le correlazioni quantistiche sembrano provenire dall’esterno dello spazio-tempo” (Nicolas Gisin). “Lo spazio e il tempo sono costruzioni secondarie” (Anton Zeilinger).
Il mondo visibile in cui viviamo e ci muoviamo non può essere spiegato solo con catene causali visibili, materiali, nello spazio-tempo. Non possiamo fare a meno di riconoscere cause invisibili che producono effetti visibili nello spazio-tempo ma agendo dal di fuori dello spazio-tempo. “Le correlazioni chiedono a gran voce una spiegazione!”, sosteneva John Bell. Gli esperimenti di entanglement stanno indubbiamente stimolando la nostra immaginazione e creatività nel cercare di spiegare che tipo di esseri siano queste cause invisibili:
Nicolas Gisin si chiede se dobbiamo invocare degli Angeli Quantistici che “tengano traccia del registro quantistico” e “contabilizzano chi è legato con chi, di modo simili a come si registra chi è sposato con chi”. Anton Zeilinger afferma che “la mistica è un approccio importante su cui possiamo basarci”. John Conway e Simon Kochen propongono di accettare che il comportamento delle “particelle entangled” riveli la stessa libertà di scelta che attribuiamo a gli sperimentatori.
Talvolta, le interpretazioni che i fisici quantistici ci offrono sembrano contradditorie. Ma se si ascolta bene e si mette insieme tutto quello che ci dicono, si ottiene una magnifica polifonia contrappuntistica: il regno quantistico non è costituito da particelle o onde “materiali”; è piuttosto una descrizione matematica – una vasta nuvola (“cloud”) di algoritmi. Il mondo visibile (materiale) in cui viviamo e ci muoviamo è un grande calcolo, processato in realtà da potentissimi intelletti invisibili (i “supercomputational intellects” da Fred Hoyle) che proiettano incessantemente i fenomeni che percepiamo sullo schermo che chiamiamo spazio-tempo. La coscienza è l’interfaccia in cui si svolge il dialogo tra questi intelletti invisibili (spirituali) e noi (intelletti neuronali).
A l’occasione del Nobel 2022, la rivista tedesca “Technology Review” ha pubblicato un articolo che illustra la complementarietà dell’esperimento di Alain Aspect ed il “before-before”, e il giornalista si chiede se c’è un entanglement fra religione e scienza. La mia risposta: Io non pretendo che la fisica quantistica dimostra Dio. Tuttavia, come credente e fisico quantistico, posso testimoniare che la fisica quantistica mi aiuta tanto a godere di Dio, e Dio mi aiuta a godere della fisica quantistica!
