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Il segreto della non località quantistica: perché le particelle quantistiche sembrano violare il limite della velocità della luce?
Le caratteristiche profonde della meccanica quantistica e le problematiche di non località ad essa correlate sono da tempo al centro del dibattito tra fisici e filosofi. Le idee convenzionali della fisica vengono messe in discussione quando cerchiamo di comprendere i misteri del mondo quantistico, poiché le particelle quantistiche si comportano in modi che sembrano violare i limiti della velocità della luce. Come è successo? Questa è esattamente la domanda a cui il test di Bell ha cercato di rispondere.
Dal 2015, tutti i test di Bell hanno dimostrato che l'ipotesi di variabili nascoste locali è incoerente con il comportamento dei sistemi fisici.
Contesto e significato dell'esperimento di Bell
L'esperimento di Bell, che prende il nome da John Stuart Bell, fu progettato per testare la relazione tra la meccanica quantistica e la teoria del realismo locale di Albert Einstein. La posizione del realismo locale sostiene che il comportamento delle particelle deve essere spiegato da alcune variabili locali non osservate, chiamate "variabili nascoste". Questa visione venne però messa in discussione dall'introduzione della disuguaglianza di Bell.
L'intreccio quantistico e il paradosso EPR
L'entanglement quantistico è il concetto centrale dell'esperimento di Bell. Nel 1935, Einstein e i suoi colleghi proposero il famoso paradosso EPR, affermando che le previsioni della meccanica quantistica sembravano implicare che le informazioni potessero essere trasferite istantaneamente tra particelle, il che avrebbe violato la legge di causalità. Ciò significa che le interazioni tra particelle quantistiche non sono semplicemente guidate da qualche variabile locale nascosta, ma potrebbero essere non locali.
Se alcune informazioni sono note, allora, secondo il principio di indeterminazione di Heisenberg, altre informazioni non possono essere note.
Verifica sperimentale della disuguaglianza di Bell
Gli esperimenti sulla disuguaglianza di Bell comportano misurazioni su due o più particelle correlate. I progetti sperimentali solitamente prevedono l'osservazione di una particella, come un fotone, e la selezione delle sue proprietà (ad esempio la polarizzazione) da misurare. Se i risultati sperimentali violano la disuguaglianza di Bell, l'ipotesi delle variabili locali nascoste può essere esclusa. Tutti i risultati dei test di Bell finora ottenuti supportano le previsioni della fisica quantistica piuttosto che la teoria delle variabili nascoste locali.
L'esperimento di Bell che ha fatto la storia
A partire dagli anni '70, i fisici hanno iniziato a condurre vari esperimenti di Bell. Alcuni esperimenti importanti includono:
- Nel 1972, Stuart J. Friedman e John Crowther eseguirono il primo esperimento per osservare una violazione della disuguaglianza di Bell.
- Nel 1982, Alain Aspert e il suo team eseguirono in Francia il famoso test di Bell, che fu il primo esperimento in cui le impostazioni di misurazione furono selezionate casualmente durante il volo dei fotoni.
- Nel 2015, l'esperimento di Hensen et al. ha chiuso con successo sia la scappatoia di rilevazione che quella di località, il che ha fornito un supporto sperimentale più forte alla violazione della disuguaglianza di Bell.
Grazie alla violazione della disuguaglianza di Bell, gli scienziati si resero conto che le proprietà uniche apportate dall'entanglement quantistico ponevano le basi per la prosperità della teoria dell'informazione quantistica. Questo nuovo campo della fisica si concentra sulle potenziali applicazioni dell'informatica quantistica e delle comunicazioni quantistiche, in particolare della crittografia quantistica. La crittografia quantistica sfrutta le proprietà dei sistemi quantistici per sviluppare metodi di comunicazione sicuri, il che rappresenta senza dubbio un'importante applicazione della meccanica quantistica.
Guardando al futuro
Con il progresso della tecnologia sperimentale, la comprensione del mondo quantistico da parte dei fisici continua ad approfondirsi e sono in corso anche esperimenti di Bell più complessi. Non solo verificano le previsioni teoriche della meccanica quantistica, ma ci fanno anche riesaminare la natura della realtà. In questo universo pieno di incertezza, possiamo trovare qualche forma di certezza?
