Quantum Mischief riscrive le leggi di causa ed effetto

Alice e Bob, le stelle di tanti esperimenti mentali, stanno cucinando la cena quando ne conseguono disavventure. Alice fa cadere accidentalmente un piatto; il suono spaventa Bob, che si brucia sui fornelli e grida. In un’altra versione degli eventi, Bob si brucia e grida, facendo cadere un piatto ad Alice.

Nell’ultimo decennio, i fisici quantistici hanno esplorato le implicazioni di una strana realizzazione: in linea di principio, entrambe le versioni della storia possono accadere contemporaneamente. Cioè, gli eventi possono verificarsi in un ordine causale indefinito, dove sia “A causa B” che “B causa A” sono simultaneamente vere.

“Suona oltraggioso”, ha ammesso Časlav Brukner, un fisico dell’Università di Vienna.

La possibilità deriva dal fenomeno quantistico noto come sovrapposizione, in cui le particelle mantengono simultaneamente tutte le realtà possibili fino al momento in cui vengono misurate. Nei laboratori in Austria, Cina, Australia e altrove, i fisici osservano un ordine causale indefinito mettendo una particella di luce (chiamata fotone) in una sovrapposizione di due stati. Quindi sottopongono un ramo della sovrapposizione al processo A seguito dal processo B, e sottopongono l’altro ramo a B seguito da A. In questa procedura, nota come interruttore quantistico, il risultato di A influenza ciò che accade in B e viceversa; il fotone sperimenta simultaneamente entrambi gli ordini causali.

Negli ultimi cinque anni, una crescente comunità di fisici quantistici ha implementato lo switch quantistico in esperimenti da tavolo ed esplorando i vantaggi che l’ordine causale indefinito offre per l’informatica quantistica e la comunicazione. È “davvero qualcosa che potrebbe essere utile nella vita di tutti i giorni”, ha detto Giulia Rubino, ricercatrice presso l’Università di Bristol che ha guidato la prima dimostrazione sperimentale del quantum switch nel 2017.

Ma gli usi pratici del fenomeno rendono solo più acute le implicazioni profonde.

I fisici hanno da tempo intuito che la solita immagine degli eventi che si svolgono come una sequenza di cause ed effetti non cattura la natura fondamentale delle cose. Dicono che questa prospettiva causale probabilmente deve scomparire se dovessimo mai capire l’origine quantistica della gravità, dello spazio e del tempo. Ma fino a poco tempo fa, non c’erano molte idee su come la fisica post-causale potesse funzionare. “Molte persone pensano che la causalità sia così fondamentale nella nostra comprensione del mondo che se indebolissimo questa nozione non saremmo in grado di formulare teorie coerenti e significative”, ha detto Brukner, che è uno dei leader nello studio della causalità indefinita.

Questo sta cambiando mentre i fisici contemplano i nuovi esperimenti di commutazione quantistica, così come gli esperimenti mentali correlati in cui Alice e Bob affrontano l’indefinitezza causale creata dalla natura quantistica della gravità. La considerazione di questi scenari ha costretto i ricercatori a sviluppare nuovi formalismi e modi di pensare matematici. Con i quadri emergenti, “possiamo fare previsioni senza avere una causalità ben definita”, ha detto Brukner.

Correlazione, non causalità

Il progresso è cresciuto più rapidamente di recente, ma molti professionisti rintracciano l’origine di questa linea di attacco al problema della gravità quantistica per lavorare 16 anni fa da Lucien Hardy, un fisico teorico britannico-canadese presso il Perimeter Institute for Theoretical Physics di Waterloo, in Canada. “Nel mio caso”, ha detto Brukner, “tutto è iniziato con il giornale di Lucien Hardy.”

Hardy era meglio conosciuto all’epoca per aver adottato un approccio concettuale reso famoso da Albert Einstein e applicarlo alla meccanica quantistica.

Einstein ha rivoluzionato la fisica non pensando a ciò che esiste nel mondo, ma considerando ciò che gli individui possono eventualmente misurare. In particolare, ha immaginato persone sui treni in movimento che effettuano misurazioni con righelli e orologi. Utilizzando questo approccio “operativo”, è stato in grado di concludere che lo spazio e il tempo devono essere relativi.

Nel 2001, Hardy ha applicato lo stesso approccio alla meccanica quantistica. Lui ricostruito tutta la teoria quantistica a partire da cinque assiomi operativi.

Ha quindi deciso di applicarlo a un problema ancora più grande: il problema di 80 anni di come conciliare la meccanica quantistica e la relatività generale, l’epica teoria della gravità di Einstein. “Sono guidato da questa idea che forse il modo operativo di pensare alla teoria quantistica può essere applicato alla gravità quantistica”, mi ha detto Hardy su Zoom questo inverno.

La domanda operativa è: nella gravità quantistica, cosa possiamo osservare, in linea di principio? Hardy ha pensato al fatto che la meccanica quantistica e la relatività generale hanno ciascuna una caratteristica radicale. La meccanica quantistica è notoriamente indeterministica; le sue sovrapposizioni consentono possibilità simultanee. La relatività generale, nel frattempo, suggerisce che lo spazio e il tempo sono malleabili. Nella teoria di Einstein, oggetti massicci come la Terra allungano la “metrica” ​​dello spazio-tempo, essenzialmente la distanza tra i segni di cancelletto su un righello e la durata tra i battiti degli orologi. Più sei vicino a un oggetto enorme, ad esempio, più il tuo orologio ticchetta. La metrica determina quindi il “cono di luce” di un evento vicino, la regione dello spazio-tempo che l’evento può influenzare causalmente.