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La scelta segreta di un fotone: il suo comportamento può davvero essere determinato solo dopo l'impostazione sperimentale?
Le profondità della fisica quantistica spesso sfidano la nostra comprensione di base della realtà, come esemplificato dagli esperimenti di scelta ritardata di John Archibald Wheeler nel 1978 e nel 1984. Questi esperimenti mentali mettono in luce un'idea fondamentale della teoria quantistica, suggerendo che ai fotoni non dovrebbe essere data alcuna sostanza concreta durante il loro volo dal punto di ingresso fino ai loro momenti finali.
Questi esperimenti hanno colmato una lacuna nel tradizionale esperimento della doppia fenditura, dimostrando che il comportamento quantistico dipende dalla configurazione sperimentale.
Il concetto di scelta ritardata sconvolge la nostra comprensione della causalità, in particolare quando si tratta di come un fotone di luce "decide" di viaggiare come particella o come onda. I primi ricercatori sostenevano che i fotoni sembravano "percepire" l'apparato sperimentale che attraversavano e adattare di conseguenza il loro comportamento.
Il concetto di Wheeler di esperimento di scelta ritardata
L'esperimento di scelta ritardata di Wheeler ha dimostrato che il modello di propagazione non riusciva a spiegare in modo coerente la teoria quantistica. In questo esperimento, i fotoni seguono due percorsi uguali dalla sorgente al rilevatore. La chiave di questo esperimento è che la scelta tra i due percorsi viene posticipata fino a poco prima del test.
L'obiettivo è garantire che ogni particella o onda che viaggia attraverso un sistema quantistico abbia attraversato due percorsi distinti prima di scegliere un modo per procedere in un esperimento.
Oppure, dal punto di vista di un "interferometro cosmico", Wheeler immaginò un quasar distante miliardi di anni luce che piegava e interferiva con la luce attraverso una galassia enorme. Mentre i fotoni viaggiano in direzione della Terra, devono "decidere" se aggirare questa enorme galassia come particelle o come onde, percorrendo entrambi i percorsi contemporaneamente.
Versione universale dell'esperimento
Quando tali fotoni raggiungono la Terra, le osservazioni astronomiche vedranno l'immagine di due quasar separati dall'effetto lente gravitazionale. Alcuni ricercatori sottolineano che se un fotone venisse emesso come particella, dovrebbe essere rilevabile da un solo telescopio. La scelta dei fotoni sembra essere stata fatta centinaia di milioni di anni fa. Tuttavia, i ricercatori hanno iniziato a mettere in discussione questa configurazione instradando l'uscita di due telescopi verso un divisore di fascio.
I risultati delle osservazioni di questo sistema sono stati sorprendenti: un output ha mostrato una forte interferenza, mentre l'altro era quasi nullo, il che indica che i fotoni hanno sperimentato effetti quantistici auto-annullanti nel processo.
Wheeler portò il suo ragionamento ancora più avanti e cominciò a chiedersi se tutto ciò significasse che il comportamento dei fotoni fosse tracciabile e autoselezionato. In altre parole, quando gli astronomi posizionano o rimuovono un divisore di fascio in un dato momento, i fotoni di milioni di anni fa potrebbero retroattivamente fare scelte diverse, il che ha catturato l'attenzione delle persone.
Discussione e riflessione sull'esperimento della doppia fenditura
L'idea della scelta ritardata si ritrova anche nel classico esperimento della doppia fenditura. Se impostata in base al comportamento dei fotoni, in che modo la luce passerebbe attraverso le doppie fenditure in modo diverso a seconda dell'apparecchiatura di rilevamento? Questa domanda confonde molti scienziati? L'esperimento della doppia fenditura rivela la dualità onda-particella e spinge le persone a chiedersi: come fa un fotone a trasformarsi in un'onda o in una particella al momento della "decisione"?
I risultati prevedibili dell'esperimento non sono stati influenzati indipendentemente dal momento in cui lo schermo di rilevamento è stato inserito o rimosso, il che mette alla prova la nostra comprensione fondamentale dei fenomeni quantistici.
In questa sfida, gli scienziati hanno anche iniziato a esplorare l'interpretazione di Bohm, secondo la quale i fotoni o gli elettroni seguono le leggi della fisica classica e sono influenzati dal potenziale quantistico su questa base. Questa teoria fornisce una prospettiva diversa sul legame tra comportamento quantistico e storia, ma si scontra anche con la sfida di essere incoerente con la relatività.
Esperimenti e pensieri futuri
I ricercatori che si stanno orientando verso la progettazione di esperimenti di scelta ritardata basati sugli effetti quantistici hanno finalmente svelato la struttura profonda del dualismo onda-particella. Queste esplorazioni sperimentali non solo ampliano la nostra comprensione del mondo quantistico, ma spingono anche a riconsiderare il ruolo degli osservatori. Come negli ultimi esperimenti di scelta ritardata, i confini con la fisica classica diventano sempre più sfumati e vengono presentati nuovi fenomeni di coesistenza onda-particella.
Con il progredire degli esperimenti, la comunità scientifica si sta avvicinando a una domanda chiave: il comportamento dei fotoni è davvero determinato dalle nostre scelte? Forse, a un livello più profondo, tutto questo è solo una parte del complesso funzionamento della natura?
