Bell's go theorem: regaining local causality with a new notion of realism

Nel cuore della fisica quantistica risiede un enigma che ha tormentato gli scienziati per decenni: come possono due particelle, separate da distanze vastissime, sembrare sapere istantaneamente cosa stia facendo l'altra? Questo fenomeno, noto come entanglement, sfida la nostra esperienza quotidiana di causa ed effetto. Per anni, la spiegazione standard è stata che l'universo debba essere "non locale", il che significa che qualcosa viaggi più veloce della luce tra le particelle per coordinare il loro comportamento, o che l'universo sia truccato in modo da nasconderci questa connessione. Questa conclusione deriva da un celebre risultato chiamato teorema di Bell, il quale suggeriva che se avessimo assunto che le particelle possiedano proprietà definite prima di misurarle (un concetto chiamato realismo) e che nulla viaggi più veloce della luce (causalità locale), allora le statistiche del loro comportamento dovrebbero seguire un limite rigoroso. Gli esperimenti quantistici infrangono costantemente questo limite, costringendo i fisici a scegliere tra l'abbandonare l'idea di un mondo reale e indipendente o l'accettare che la natura permetta influenze fantasmagoriche più veloci della luce.

Un nuovo studio di Lorenzo Catani, Nesta van der Schaaf e Rui Soares Barbosa sfida proprio le fondamenta di questo dilemma. Essi sostengono che il conflitto non derivi dal fatto che la natura sia "rotta", ma dal fatto che la nostra descrizione matematica della "realtà" sia troppo rigida. I ricercatori propongono un nuovo quadro in cui i mattoni fondamentali dell'universo non sono punti fissi e indipendenti con risposte predeterminate a ogni possibile domanda. Invece, suggeriscono che la realtà sia fatta di "record" — frammenti informativi relazionali che esistono solo nel contesto di una specifica misurazione. Ridefinendo ciò che significa essere reali, dimostrano che è possibile spiegare le strane correlazioni delle particelle quantistiche utilizzando solo cause locali, senza alcun segnale più veloce della luce o complotti nascosti. Il loro lavoro trasforma un celebre teorema di "impossibilità" in un teorema di "possibilità", dimostrando che una spiegazione localmente causale della meccanica quantistica non è solo possibile, ma può essere costruita esplicitamente.

La storia inizia con un semplice esperimento mentale che coinvolge due amici, Alice e Bob, che vengono inviati alle estremità opposte della Terra. A ciascuno viene posta una domanda e deve dare una risposta. Quando confrontano le loro risposte in seguito, scoprono di essere perfettamente correlati. In un mondo classico, la spiegazione naturale è che abbiano concordato un piano in precedenza, un elenco completo di risposte per ogni possibile domanda che potrebbe essere posta loro. Questo piano condiviso, fissato nel loro passato comune, spiega la correlazione senza alcun bisogno di comunicazione tra loro. Tuttavia, la meccanica quantistica introduce un colpo di scena: le domande che Alice e Bob possono porre sono "incompatibili", il che significa che non possono essere poste contemporaneamente. Alice può scegliere di chiedere dello spin di una particella in una direzione o in un'altra, ma non può chiederlo entrambi insieme. La teoria quantistica prevede che le correlazioni tra le loro risposte saranno più forti di quanto qualsiasi piano pre-concordato potrebbe permettere.

Per decenni, il consenso è stato che questa correlazione più forte di quanto possibile significasse che gli amici dovevano influenzarsi istantaneamente attraverso la distanza, violando la velocità della luce, o che le loro scelte fossero segretamente predeterminate in un modo che nasconde l'influenza. Questo è il problema del "fine-tuning" (regolazione fine): l'universo dovrebbe essere disposto in modo così preciso che l'influenza più veloce della luce risulti completamente invisibile a qualsiasi esperimento. I ricercatori in questo studio sostengono che non dobbiamo accettare questo fine-tuning. Invece, suggeriscono che dovremmo ripensare la natura del "piano" stesso. Nella visione standard, un piano è un singolo elenco universale che assegna una risposta a ogni possibile domanda, anche quelle che non possono mai essere poste insieme. Il nuovo quadro rifiuta questa idea di un elenco universale. Inve invece, il passato comune è una rete di record.

Immaginate un record non come una risposta completa a una domanda, ma come un modo per identificare che una specifica domanda è stata posta. Se Alice pone una domanda che appare in due scenari diversi, un record dice semplicemente: "Questa è la stessa domanda in entrambi i casi". Non assegna una risposta a ogni possibile domanda in una volta sola; collega soltanto le istanze specifiche in cui quella domanda appare. Questi record sono relazionali; esistono solo nella relazione tra gli scenari che connettono. Fondamentalmente, questi record non devono essere "punti" in uno spazio matematico che contengono tutte le risposte simultaneamente. Possono essere "parti" di un tutto che esistono senza essere fatte di punti. Ciò permette alla stessa domanda di essere la stessa in due scenari diversi e incompatibili senza forzare quegli scenari a fondersi in un unico elenco onnicomprensivo.

Costruendo un modello matematico basato su questi record, i ricercatori hanno creato un nuovo tipo di realtà locale. In questo modello, le correlazioni tra Alice e Bob sono spiegate dalla rete di record che condividono dal loro passato. Quando Alice effettua una misurazione, il suo risultato dipende solo dal suo setting e dai record che condivide con Bob. Non c'è bisogno di un segnale che viaggi tra loro, né di bisogno che l'universo nasconda un'influenza più veloce della luce. Il modello riproduce con successo le esatte statistiche predette dalla meccanica quantistica, incluse le correlazioni più forti osservate negli esperimenti. Infatti, i ricercatori hanno dimostrato che i loro modelli possono produrre una gamma di correlazioni che va dal limite classico fino al valore massimo permesso dalla matematica, coprendo il valore specifico raggiunto dalla meccanica quantistica.

La chiave di questo successo è un allontanamento dalla probabilità classica. Nella nostra esperienza quotidiana, se si hanno due situazioni separate, le probabilità dei loro esiti si sommano in modo diretto. Ma in questo nuovo quadro, quando si guardano insieme due situazioni incompatibili, le regole di addizione cambiano. Le probabilità non devono necessariamente rientrare in un unico resoconto unificato perché le situazioni non possono accadere contemporaneamente. Questo fallimento delle normali regole di probabilità non è un errore, ma una caratteristica che permette al modello di spiegare le forti correlazioni quantistiche senza violare le regole della causalità locale. I ricercatori hanno dimostrato questo costruendo modelli espliciti in cui il "peso" del passato condiviso è distribuito tra questi record in un modo che corrisponde perfettamente alle predizioni quantistiche.

Questo lavoro non sostiene di aver risolto ogni mistero della meccanica quantistica, ma offre un profondo cambio di prospettiva. Dimostra che la "non-località" spesso attribuita alla teoria quantistica potrebbe essere un artefatto del modo in cui definiamo la realtà, piuttosto che una caratteristica fondamentale della natura. Sostituendo l'idea di unità indipendenti e predeterminate con una rete di record relazionali, i ricercatori hanno dimostrato che una spiegazione localmente causale è possibile. Hanno trasformato un teorema che un tempo sembrava escludere il realismo locale in un teorema che ne prova l'esistenza. La lezione è che l'universo non ha bisogno di essere cospiratorio o non-locale per essere quantistico; deve semplicemente essere compreso in termini di record che legano ciò che può essere conosciuto, senza forzare un singolo, impossibile elenco di tutte le possibili risposte. Ciò apre la porta a un nuovo programma di ricerca volto a riformulare la teoria quantistica in modo che sia sia realista che privo di fine-tuning, offrendo un quadro più chiaro del mondo in cui viviamo.