Esperimenti a scelta ritardata

Esperimenti a scelta ritardata
John Archibald Wheeler
John Archibald Wheeler

Ci√≤ che l’osservatore far√† in futuro definisce ci√≤ che accade nel passato?

Secondo il fisico John Archibald Wheeler (premio Wolf per la Fisica nel 1997) la risposta √® affermativa, in quanto attraverso dei particolari esperimenti si pu√≤ dimostrare che “Strumenti di registrazione che operano qui ed ora hanno un ruolo innegabile nel generare ci√≤ che √® accaduto”

Alla fine degli anni settanta del secolo scorso uno dei pi√Ļ prestigiosi fisici¬† americani, John Wheeler, avvalendosi di uno strumento chiamato¬† interferometro di Mach-Zehnder (tale strumento richiama molto da vicino il funzionamento delle apparecchiature a due fenditure viste in una delle precedenti Sezioni) dimostr√≤ che ci sono situazioni un cui √® possibile assistere ad una inversione dell’ordine temporale dei fenomeni.

Prima di illustrare nel dettaglio in cosa consistono gli esperimenti proposti ed eseguiti da Wheeler e collaboratori (che la comunit√† scientifica conosce come “esperimenti a scelta ritardata”) √® bene fare alcune precisazioni sul funzionamento¬† degli¬† interferometri¬† Mach-Zehnder.

La¬† Figura 5 mostra¬† cosa accade ad un fotone (o a un elettrone, o a un qualsiasi microente) che entra in un interferometro Mach-Zehnder. La prima cosa che il fotone incontra √® uno specchio semitrasparente (M): il lettore avr√† certamente visto una versione di detto¬† specchio in alcuni film polizieschi, nelle situazioni in cui occorreva vedere senza essere visti.¬† In seguito all’interazione con M il fotone ha il 50 % di probabilit√† di attraversarlo (dirigendosi quindi verso lo specchio B) oppure essere deviato (dirigendosi verso lo specchio A). Indipendentemente dal ramo preso e della deflessione subita, il fotone finir√† la sua corsa sullo schermo S.¬† In assenza di¬† S il fotone impatter√† sul rivelatore P1 o P2.¬† I rivelatori sono apparecchi che registrano in modo permanente l’arrivo di particelle come fotoni, elettroni, ecc.

scelta ritardata schema esperimento

Si immagini ora una situazione in cui due fotoni attraversino contemporaneamente i due rami dell‚Äôinterferometro (ovvero il ramo con lo specchio A e il ramo con lo specchio B).¬† Vista la componente ondulatoria associata ai fotoni accadr√† che l’incontro degli stessi in S produrr√† una tipica situazione di interferenza.

A questo punto¬† le leggi dell’ottica (e del buon senso) ci dicono che tale interferenza pu√≤ aversi soltanto nel caso in cui entrambi i rami dell’interferometro siano attraversati da un fotone. Nell’evenienza in cui un solo fotone stia interessando l’interferometro, avendosi un solo fronte d’onda nessuna interferenza in S pu√≤ prodursi. Invece, come negli esperimenti a due fenditure, anche inviando un solo fotone per volta, sullo schermo S si producono gli esiti di una interferenza. La spiegazione in chiave quantistica di questo fenomeno¬† (come per i test a due¬† fenditure) √® che il fotone, dopo aver attraversato lo specchio M, si ‚Äúdivide in due‚ÄĚ, percorre contemporaneamente entrambi i rami dell’interferometro, autointeragisce con s√© stesso e, infine, giunto in S, manifesta gli effetti dell’interferenza costruttiva o distruttiva. Questa situazione, seppur estremamente semplificata (per varie ragioni non si √®¬† tenuto conto¬† dei ritardi che un fotone accumula interagendo con gli specchi A e B), √® quella che si produce eseguendo esperimenti con un solo fotone che si muove all’interno di un interferometro Mach-Zehnder.

Ritorniamo ora a Wheeler e ai suoi test.  Gli esperimenti proposti e condotti dal fisico americano si incentrano sulla possibilità che lo schermo S possa venire rimosso immediatamente dopo che il fotone ha interagito con lo specchio M.  Compiendo questa operazione i fatti dimostrano che il fotone viene registrato dal rivelatore P1 oP2, manifestando, il fotone stesso, un comportamento specificamente corpuscolare.

Schematizzando quindi:

1) Togliendo S  dopo che il fotone ha interagito con M, avremo  un comportamento CORPUSCOLARE: il fotone viene registrato dal rivelatore P1  o dal rivelatore P2.

2)¬†Lasciando S dopo che il fotone ha interagito con M, avremo un comportamento ONDULATORIO: su S infatti si avr√† l‚Äôinterferenza distruttiva o costruttiva tipica dell’aspetto ondulatorio della materia.

A questo punto per√≤, Wheeler fa notare che si √® verificato qualcosa di molto strano.¬† Infatti la realt√†¬† ondulatoria o corpuscolare deve venire assunta¬† dal fotone (cos√¨ come da qualsiasi altro microente) non a livello di S, ¬†P1 o P2, ma nel momento in cui esso interagisce con lo specchio M. E’ al livello dello specchio semitrasparente che¬†avviene materialmente l’atto di osservazione, che avviene la risoluzione dallo stato di sovrapposizione, assumendo, il fotone,¬† le propriet√† di ente con caratteristiche ‚Äúondulatorie‚ÄĚ o¬† ‚Äúcorpuscolari‚ÄĚ. Se per√≤ il fotone che ha interagito con M e con lo schermo S in posizione (ovvero davanti ai rivelatori), alla fine della sua corsa arriva come ente ondulatorio in prossimit√† S e non trova questo schermo, non pu√≤ fare altro che svanire nel “nulla”, attraversando i rivelatori. Quando un’onda incontra un rivelatore di particelle, infatti, non viene da questo registrata, lo attraversa e basta! Come fanno¬† allora i rivelatori a registrare il fotone come corpuscolo se dopo l’interazione con lo specchio semitrasparente questo aveva assunto le caratteristiche di onda?¬†¬†¬† La spiegazione che Wheeler da di questi fatti √® che la presenza o meno dello schermo S dopo che il fotone ha interagito con M produce un effetto nel passato, “forzando” il fotone a cambiare il suo stato.¬†¬† Praticamente la¬† scelta¬† (nel futuro)¬† di lasciare¬† o¬† meno¬† S,¬† condiziona il modo di propagarsi (nel passato) del fotone.

Per meglio comprendere quanto appena illustrato vediamo cosa scrive lo stesso Wheeler  riguardo il significato da dare agli esperimenti a scelta ritardata:

‚ÄúStrumenti di registrazione che operano qui ed ora hanno un ruolo innegabile nel generare ci√≤ che √® accaduto […]. La Fisica Quantistica dimostra che ci√≤ che l’osservatore far√† in futuro definisce ci√≤ che accade nel passato”

E ancora nell‚Äôintervento intitolato ‚ÄúEsperimenti a scelta ritardata e dialogo Bohr-Einstein‚ÄĚ, tenuto a Londra alla riunione congiunta della Societ√† Americana di Filosofia e della Societ√† Reale inglese (1980), Wheeler¬† afferma:

‚ÄúE‚Äô sbagliato pensare al passato come gi√† esistente in ogni dettaglio,¬† Il passato √® teoria. Il passato non ha esistenza tranne che per l‚Äôessere registrato nel presente […]¬† Ci√≤ che abbiamo il diritto di dire circa lo spazio-tempo passato, e circa gli eventi passati, √® deciso da scelte¬† – di quali misure effettuare –¬†compiute nel passato recente e nel presente.¬† I fenomeni resi esistenti da queste decisioni si estendono all‚Äôindietro nel tempo nelle loro conseguenze […].¬† Strumenti di registrazione che operano qui ed ora hanno un ruolo innegabile nel generare ci√≤ che appare essere accaduto.¬† Per quanto utile possa essere nella vita di ogni giorno il dire ¬ęil mondo esiste¬† la fuori indipendentemente da noi¬Ľ, questo punto di vista non pu√≤ pi√Ļ essere mantenuto. C‚Äô√® uno strano senso in cui il nostro √® un universo partecipato …‚ÄĚ

Prof. Tiziano Cantalupi

 quantistica.org


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Tiziano Cantalupi – Laurea in Fisica e Master in Filosofia della Fisica. Membro dell’International Quantum Structure Association e vice direttore dell’Istituto Interuniversitario di Logica Quantistica “Niels Bohr”, alterna l’insegnamento all’attivit√† di ricercatore.

Autore di quattro libri (*) e numerosi articoli di carattere scientifico-divulgativo (**), per i suoi studi ha ricevuto il Premio Zeus Citt√† di Rimini. Nel 2001 ha curato la Sezione Fisica dell’Enciclopedia Multimediale De Agostini “Sapere.it”.

(*) E’ possibile consultare alcuni libri nella Biblioteca del Congresso Americano.

(**) E’ possibile consultare “on line” alcuni articoli nel sito della rivista scientifica “Newton” (Rizzoli Editore).