Come ci si sente ad essere sia vivi che morti?
Quella domanda irritava e ispirava il fisico ungherese-americano Eugene Wigner negli anni ‘ 60., Fu frustrato dai paradossi derivanti dai capricci della meccanica quantistica—la teoria che governa il regno microscopico che suggerisce, tra molte altre cose controintuitive, che fino a quando un sistema quantistico non viene osservato, non ha necessariamente proprietà definite. Prendi il famoso esperimento mentale del suo collega fisico Erwin Schrödinger in cui un gatto è intrappolato in una scatola con veleno che verrà rilasciato se un atomo radioattivo decade., La radioattività è un processo quantistico, quindi prima che la scatola venga aperta, la storia va, l’atomo è decaduto e non decaduto, lasciando lo sfortunato gatto nel limbo—una cosiddetta sovrapposizione tra la vita e la morte. Ma il gatto sperimenta di essere in sovrapposizione?
Wigner ha affinato il paradosso immaginando un suo amico (umano) chiuso in un laboratorio, misurando un sistema quantistico. Ha sostenuto che era assurdo dire che il suo amico esiste in una sovrapposizione di aver visto e non visto un decadimento a meno che e fino a quando Wigner apre la porta del laboratorio., “L’esperimento mentale” Amico di Wigner ” mostra che le cose possono diventare molto strane se si osserva anche l’osservatore”, afferma Nora Tischler, fisica quantistica della Griffith University di Brisbane, in Australia.
Ora Tischler e i suoi colleghi hanno effettuato una versione del test amico di Wigner. Combinando il classico esperimento mentale con un altro grattacapo quantistico chiamato entanglement – un fenomeno che collega le particelle su grandi distanze—hanno anche derivato un nuovo teorema, che affermano pone i vincoli più forti ancora sulla natura fondamentale della realtà., Il loro studio, che è apparso su Nature Physics il 17 agosto, ha implicazioni per il ruolo che la coscienza potrebbe giocare nella fisica quantistica—e anche se la teoria quantistica deve essere sostituita.
Il nuovo lavoro è un “importante passo avanti nel campo della metafisica sperimentale”, afferma il fisico quantistico Aephraim Steinberg dell’Università di Toronto, che non è stato coinvolto nello studio. “E’ l’inizio di quello che mi aspetto sarà un enorme programma di ricerca.,”
A Matter of Taste
Fino a quando la fisica quantistica arrivò negli anni ‘ 20, i fisici si aspettavano che le loro teorie fossero deterministiche, generando previsioni per l’esito degli esperimenti con certezza. Ma la teoria quantistica sembra essere intrinsecamente probabilistica. La versione da manuale—a volte chiamata interpretazione di Copenaghen-dice che fino a quando le proprietà di un sistema non vengono misurate, possono comprendere una miriade di valori. Questa sovrapposizione collassa solo in un singolo stato quando il sistema viene osservato, e i fisici non possono mai prevedere con precisione quale sarà quello stato., Wigner ha tenuto l’opinione allora popolare che la coscienza innesca in qualche modo una sovrapposizione per collassare. Così, il suo ipotetico amico avrebbe discernere un risultato definitivo quando lei o lui ha fatto una misurazione-e Wigner non avrebbe mai vedere lei o lui in sovrapposizione.
Questa vista da allora è caduta in disgrazia. ” Le persone nei fondamenti della meccanica quantistica respingono rapidamente la visione di Wigner come spettrale e mal definita perché rende speciali gli osservatori”, afferma David Chalmers, filosofo e scienziato cognitivo della New York University., Oggi la maggior parte dei fisici concorda sul fatto che gli oggetti inanimati possono eliminare i sistemi quantistici dalla sovrapposizione attraverso un processo noto come decoerenza. Certamente, i ricercatori che tentano di manipolare complesse superposizioni quantistiche in laboratorio possono trovare il loro duro lavoro distrutto da particelle d’aria veloci che si scontrano con i loro sistemi. Quindi eseguono i loro test a temperature ultracold e cercano di isolare i loro apparati dalle vibrazioni.,
Diverse interpretazioni quantistiche concorrenti sono sorte nel corso dei decenni che impiegano meccanismi meno mistici, come la decoerenza, per spiegare come le superposizioni si rompono senza invocare la coscienza. Altre interpretazioni sostengono la posizione ancora più radicale che non vi è alcun collasso. Ognuno ha la sua strana e meravigliosa interpretazione del test di Wigner. La più esotica è la vista “molti mondi”, che dice che ogni volta che si effettua una misurazione quantistica, la realtà si frattura, creando universi paralleli per accogliere ogni possibile risultato., Così, l’amico di Wigner si sarebbe diviso in due copie e, “con una supertecnologia abbastanza buona”, avrebbe potuto effettivamente misurare quella persona per essere in sovrapposizione dall’esterno del laboratorio, dice il fisico quantistico e fan di molti mondi Lev Vaidman dell’Università di Tel Aviv.
La teoria alternativa “Bohmiana” (dal nome del fisico David Bohm) dice che a livello fondamentale, i sistemi quantistici hanno proprietà definite; semplicemente non sappiamo abbastanza di quei sistemi per prevedere con precisione il loro comportamento., In tal caso, l’amico ha una singola esperienza, ma Wigner può ancora misurare che l’individuo di essere in una sovrapposizione a causa della sua ignoranza. Al contrario, un nuovo arrivato relativo sul blocco chiamato l’interpretazione del qbismo abbraccia l’elemento probabilistico della teoria quantistica con tutto il cuore (qbismo, pronunciato “cubismo”, è in realtà l’abbreviazione di quantum Bayesianism, un riferimento al lavoro del matematico del xviii secolo Thomas Bayes sulla probabilità.,) I QBISTI sostengono che una persona può usare solo la meccanica quantistica per calcolare come calibrare le sue convinzioni su ciò che misurerà in un esperimento. ” I risultati della misurazione devono essere considerati personali per l’agente che effettua la misurazione”, afferma Ruediger Schack della Royal Holloway, University of London, che è uno dei fondatori di QBism. Secondo i principi di QBism, la teoria quantistica non può dirti nulla sullo stato sottostante della realtà, né Wigner può usarla per speculare sulle esperienze del suo amico.,
Un’altra interpretazione intrigante, chiamata retrocausalità, consente agli eventi futuri di influenzare il passato. ” In un account retrocausale, l’amico di Wigner sperimenta assolutamente qualcosa”, dice Ken Wharton, un fisico della San Jose State University, che è un sostenitore di questa visione del tempo. Ma quel “qualcosa” che l’amico sperimenta nel punto di misurazione può dipendere dalla scelta di Wigner su come osservare quella persona in seguito.,
Il guaio è che ogni interpretazione è ugualmente buona—o cattiva—nel predire l’esito dei test quantistici, quindi scegliere tra di loro si riduce al gusto. ” Nessuno sa quale sia la soluzione”, dice Steinberg. “Non sappiamo nemmeno se l’elenco delle potenziali soluzioni che abbiamo sia esaustivo.”
Altri modelli, chiamati teorie di collasso, fanno previsioni testabili. Questi modelli virano su un meccanismo che costringe un sistema quantistico a collassare quando diventa troppo grande, spiegando perché gatti, persone e altri oggetti macroscopici non possono essere in sovrapposizione., Sono in corso esperimenti per cercare le firme di tali crolli, ma ancora non hanno trovato nulla. I fisici quantistici stanno anche mettendo oggetti sempre più grandi in sovrapposizione: l’anno scorso un team di Vienna ha riferito di farlo con una molecola da 2.000 atomi. La maggior parte delle interpretazioni quantistiche dice che non c’è motivo per cui questi sforzi per sovradimensionare le superposizioni non dovrebbero continuare verso l’alto per sempre, presumendo che i ricercatori possano escogitare gli esperimenti giusti in condizioni di laboratorio incontaminate in modo che la decoerenza possa essere evitata., Le teorie del collasso, tuttavia, ipotizzano che un giorno verrà raggiunto un limite, indipendentemente da quanto accuratamente vengano preparati gli esperimenti. ” Se provi a manipolare un osservatore classico—un essere umano, diciamo—e lo tratti come un sistema quantistico, collasserebbe immediatamente”, afferma Angelo Bassi, fisico quantistico e sostenitore delle teorie del collasso presso l’Università di Trieste in Italia.
Un modo per guardare l’amico di Wigner
Tischler ei suoi colleghi credevano che l’analisi e l’esecuzione di un esperimento amico di Wigner potrebbe far luce sui limiti della teoria quantistica., Sono stati ispirati da una nuova ondata di documenti teorici e sperimentali che hanno studiato il ruolo dell’osservatore nella teoria quantistica portando l’entanglement nella configurazione classica di Wigner. Supponiamo di prendere due particelle di luce, o fotoni, che sono polarizzate in modo che possano vibrare orizzontalmente o verticalmente. I fotoni possono anche essere collocati in una sovrapposizione di vibrazione sia orizzontalmente che verticalmente allo stesso tempo, proprio come il gatto paradossale di Schrödinger può essere sia vivo che morto prima che venga osservato.,
Tali coppie di fotoni possono essere preparate insieme—impigliate—in modo che le loro polarizzazioni si trovino sempre nella direzione opposta quando osservate. Ciò potrebbe non sembrare strano, a meno che non si ricordi che queste proprietà non sono fisse fino a quando non vengono misurate., Anche se un fotone è data per un fisico chiamato Alice in Australia, mentre l’altro è trasportato con il suo collega Bob in un laboratorio a Vienna, entanglement assicura che non appena Alice osserva il suo fotone e, per esempio, trova la sua polarizzazione orizzontale, la polarizzazione del fotone di Bob immediatamente si sincronizza con vibrazione verticale. Poiché i due fotoni sembrano comunicare più velocemente della velocità della luce – qualcosa di proibito dalle sue teorie della relatività – questo fenomeno turbò profondamente Albert Einstein, che lo soprannominò “azione spettrale a distanza.,”
Queste preoccupazioni sono rimaste teoriche fino al 1960, quando il fisico John Bell ha escogitato un modo per testare se la realtà è veramente spettrale—o se ci potrebbe essere una spiegazione più banale dietro le correlazioni tra partner impigliati. Bell immaginò una teoria del buon senso che era locale, cioè in cui le influenze non potevano viaggiare istantaneamente tra le particelle. Era anche deterministico piuttosto che intrinsecamente probabilistico, quindi i risultati sperimentali potevano, in linea di principio, essere previsti con certezza, se solo i fisici capissero di più sulle proprietà nascoste del sistema., Ed era realistico, il che, per un teorico quantistico, significa che i sistemi avrebbero queste proprietà definite anche se nessuno le guardasse. Quindi Bell ha calcolato il livello massimo di correlazioni tra una serie di particelle impigliate che una teoria così locale, deterministica e realistica potrebbe supportare. Se quella soglia è stata violata in un esperimento, allora una delle ipotesi alla base della teoria deve essere falsa.
Tali “Bell test” sono stati condotti da allora, con una serie di versioni stagne eseguite nel 2015, e hanno confermato la spettralità della realtà., “Quantum foundations è un campo che è stato davvero avviato sperimentalmente da Bell-ora più di 50 anni. E abbiamo passato molto tempo a reimplementare quegli esperimenti e discutere di cosa significano”, dice Steinberg. “È molto raro che le persone siano in grado di elaborare un nuovo test che va oltre Bell.”
L’obiettivo del team di Brisbane era di derivare e testare un nuovo teorema che avrebbe fatto proprio questo, fornendo vincoli ancora più severi—limiti di”cordialità locale”—sulla natura della realtà. Come la teoria di Bell, quella immaginaria dei ricercatori è locale., Inoltre vietano esplicitamente il “superdeterminismo” – cioè insistono sul fatto che gli sperimentatori sono liberi di scegliere cosa misurare senza essere influenzati da eventi nel futuro o nel lontano passato. (Bell presumeva implicitamente che anche gli sperimentatori potessero fare scelte libere.) Infine, il team prescrive che quando un osservatore effettua una misurazione, il risultato è un evento reale, singolo nel mondo—non è relativo a nessuno o niente.,
Testare la cordialità locale richiede una configurazione astuta che coinvolge due “superobservers”, Alice e Bob (che interpretano il ruolo di Wigner), che guardano i loro amici Charlie e Debbie. Alice e Bob hanno ciascuno il proprio interferometro-un apparecchio utilizzato per manipolare fasci di fotoni. Prima di essere misurati, le polarizzazioni dei fotoni sono in una sovrapposizione di essere sia orizzontale che verticale. Coppie di fotoni impigliati sono preparati in modo tale che se la polarizzazione di uno è misurata per essere orizzontale, la polarizzazione del suo partner dovrebbe immediatamente capovolgere per essere verticale., Un fotone da ogni coppia impigliata viene inviato nell’interferometro di Alice, e il suo partner viene inviato a Bob. Charlie e Debbie non sono in realtà amici umani in questo test. Piuttosto, sono dislocatori di raggi nella parte anteriore di ciascun interferometro. Quando il fotone di Alice colpisce il dislocatore, la sua polarizzazione viene misurata efficacemente, e devia a sinistra oa destra, a seconda della direzione della polarizzazione in cui scatta. Questa azione interpreta il ruolo dell’amico di Alice Charlie “misurando” la polarizzazione. (Debbie risiede similmente nell’interferometro di Bob.,)
Alice deve quindi fare una scelta: può misurare immediatamente il nuovo percorso deviato del fotone, che sarebbe l’equivalente di aprire la porta del laboratorio e chiedere a Charlie cosa ha visto. Oppure può consentire al fotone di continuare il suo viaggio, passando attraverso un secondo dislocatore di raggi che ricombina i percorsi sinistro e destro—l’equivalente di mantenere chiusa la porta del laboratorio. Alice può quindi misurare direttamente la polarizzazione del suo fotone mentre esce dall’interferometro., Durante l’esperimento, Alice e Bob scelgono autonomamente quali scelte di misurazione fare e quindi confrontano le note per calcolare le correlazioni viste attraverso una serie di coppie impigliate.
Tischler e i suoi colleghi hanno eseguito 90.000 esecuzioni dell’esperimento. Come previsto, le correlazioni hanno violato i limiti originali di Bell e, in modo cruciale, hanno anche violato la nuova soglia di amicizia locale., Il team potrebbe anche modificare la configurazione per sintonizzare il grado di entanglement tra i fotoni inviando una delle coppie su una deviazione prima che entrasse nel suo interferometro, perturbando delicatamente la perfetta armonia tra i partner. Quando i ricercatori hanno eseguito l’esperimento con questo livello leggermente inferiore di entanglement, hanno trovato un punto in cui le correlazioni violavano ancora la cordialità legata a Bell ma non locale. Questo risultato ha dimostrato che le due serie di limiti non sono equivalenti e che i nuovi vincoli locali-cordialità sono più forti, Tischler dice., ” Se li violate, imparate di più sulla realtà”, aggiunge. Vale a dire, se la tua teoria dice che gli “amici” possono essere trattati come sistemi quantistici, allora devi rinunciare alla località, accettare che le misurazioni non abbiano un singolo risultato su cui gli osservatori devono essere d’accordo o consentire il superdeterminismo. Ognuna di queste opzioni ha profonde—e, per alcuni fisici, distintamente sgradevole—implicazioni.,
Riconsiderare la realtà
“Il documento è un importante studio filosofico”, afferma Michele Reilly, co-fondatore di Turing, una società di calcolo quantistico con sede a New York City, che non è stata coinvolta nel lavoro. Osserva che i fisici che studiano le basi quantistiche hanno spesso faticato a trovare un test fattibile per sostenere le loro grandi idee. ” Sono entusiasta di vedere un esperimento dietro gli studi filosofici”, dice Reilly. Steinberg definisce l’esperimento “estremamente elegante” e loda il team per aver affrontato il mistero del ruolo dell’osservatore nella misurazione a testa alta.,
Anche se non sorprende che la meccanica quantistica ci costringa a rinunciare a un’ipotesi di buon senso—i fisici lo sapevano da Bell—”l’anticipo qui è che stiamo restringendo su quale di quelle ipotesi sia”, dice Wharton, che non faceva parte dello studio. Tuttavia, osserva, i fautori della maggior parte delle interpretazioni quantistiche non perderanno il sonno. I fan della retrocausalità, come lui, hanno già fatto pace con il superdeterminismo: a loro avviso, non è scioccante che le misurazioni future influenzino i risultati passati., Nel frattempo i QBisti e gli aderenti a molti mondi molto tempo fa hanno buttato fuori il requisito che la meccanica quantistica prescriva un singolo risultato su cui ogni osservatore deve essere d’accordo.
E sia la meccanica bohmiana che i modelli di collasso spontaneo hanno già felicemente abbandonato la località in risposta a Bell. Inoltre, i modelli di collasso dicono che un vero amico macroscopico non può essere manipolato come un sistema quantistico in primo luogo.
Vaidman, anche lui non coinvolto nel nuovo lavoro, ne è meno entusiasta, tuttavia, e critica l’identificazione dell’amico di Wigner con un fotone., I metodi utilizzati nel documento “sono ridicoli; l’amico deve essere macroscopico”, dice. Filosofo della fisica Tim Maudlin della New York University, che non faceva parte dello studio, è d’accordo. “Nessuno pensa che un fotone sia un osservatore, a meno che tu non sia un panpsichico”, dice. Poiché nessun fisico mette in discussione se un fotone può essere messo in sovrapposizione, Maudlin sente che l’esperimento manca di morso. “Esclude qualcosa-solo qualcosa che nessuno ha mai proposto”, dice.
Tischler accetta le critiche. ” Non vogliamo overclaim quello che abbiamo fatto”, dice., La chiave per i futuri esperimenti sarà scalare le dimensioni del “amico”, aggiunge il membro del team Howard Wiseman, un fisico della Griffith University. Il risultato più drammatico, dice, comporterebbe l’utilizzo di un’intelligenza artificiale, incarnata su un computer quantistico, come l’amico. Alcuni filosofi hanno pensato che una macchina del genere potrebbe avere esperienze umane, una posizione nota come ipotesi di intelligenza artificiale forte, osserva Wiseman, anche se nessuno sa ancora se quell’idea si rivelerà vera. Ma se l’ipotesi tiene, questa intelligenza generale artificiale quantistica-based (AGI) sarebbe microscopica., Quindi, dal punto di vista dei modelli di collasso spontaneo, non innescherebbe il collasso a causa delle sue dimensioni. Se tale test è stato eseguito, e il legame locale-cordialità non è stato violato, quel risultato implicherebbe che la coscienza di un AGI non può essere messo in sovrapposizione. A sua volta, questa conclusione suggerirebbe che Wigner aveva ragione che la coscienza causa il collasso. ” Non penso che vivrò per vedere un esperimento come questo”, dice Wiseman. “Ma sarebbe rivoluzionario.,”
Reilly, tuttavia, avverte che i fisici sperando che il futuro AGI li aiuterà a casa sulla descrizione fondamentale della realtà stanno mettendo il carro davanti ai cavalli. ” Non è inconcepibile per me che i computer quantistici saranno il cambio di paradigma per arrivare a noi in AGI”, dice. “In definitiva, abbiamo bisogno di una teoria di tutto al fine di costruire un AGI su un computer quantistico, punto, punto.”
Tale requisito può escludere piani più grandiosi. Ma il team suggerisce anche test intermedi più modesti che coinvolgono sistemi di apprendimento automatico come amici, che fa appello a Steinberg., Questo approccio è “interessante e provocatorio”, dice. “Sta diventando concepibile che dispositivi computazionali più grandi e più grandi possano, infatti, essere misurati in modo quantistico.”
Renato Renner, un fisico quantistico presso l’Istituto federale svizzero di tecnologia di Zurigo (ETH Zurigo), fa un’affermazione ancora più forte: indipendentemente dal fatto che futuri esperimenti possano essere effettuati, dice, il nuovo teorema ci dice che la meccanica quantistica deve essere sostituita., Nel 2018 Renner e la sua collega Daniela Frauchiger, allora all’ETH di Zurigo, hanno pubblicato un esperimento mentale basato sull’amico di Wigner e lo hanno usato per ricavare un nuovo paradosso. La loro configurazione differisce da quella della squadra di Brisbane, ma coinvolge anche quattro osservatori le cui misurazioni possono rimanere impigliate. Renner e Frauchiger hanno calcolato che se gli osservatori applicano leggi quantistiche l’uno all’altro, possono finire per inferire risultati diversi nello stesso esperimento.
“Il nuovo documento è un’altra conferma che abbiamo un problema con la teoria quantistica attuale”, afferma Renner, che non è stato coinvolto nel lavoro., Egli sostiene che nessuna delle interpretazioni quantistiche di oggi può verme la loro via d’uscita dal cosiddetto paradosso Frauchiger-Renner senza sostenitori ammettendo che non si preoccupano se la teoria quantistica dà risultati coerenti. I QBisti offrono i mezzi di fuga più appetibili, perché fin dall’inizio dicono che la teoria quantistica non può essere utilizzata per dedurre ciò che gli altri osservatori misureranno, dice Renner. “Mi preoccupa ancora, però: se tutto è solo personale per me, come posso dire qualcosa di rilevante per te?”aggiunge., Renner sta ora lavorando su una nuova teoria che fornisce un insieme di regole matematiche che consentirebbero a un osservatore di capire cosa un altro dovrebbe vedere in un esperimento quantistico.
Tuttavia, coloro che credono fortemente che la loro interpretazione preferita sia giusta vedono poco valore nello studio di Tischler. ” Se pensi che la meccanica quantistica sia malsana e debba essere sostituita, allora questo è utile perché ti dice nuovi vincoli”, dice Vaidman. “Ma non sono d’accordo che questo è il caso—molti mondi spiega tutto.,”
Per ora, i fisici dovranno continuare ad accettare di non essere d’accordo su quale interpretazione sia la migliore o se sia necessaria una teoria completamente nuova. ” È qui che abbiamo interrotto all’inizio del 20 ° secolo—siamo sinceramente confusi su questo”, dice Reilly. “Ma questi studi sono esattamente la cosa giusta da fare per pensare attraverso di essa.”
Disclaimer: L’autore scrive spesso per il Foundational Questions Institute, che sponsorizza la ricerca in fisica e cosmologia e ha parzialmente finanziato lo studio del team di Brisbane.