Il paradosso EPR non è riuscito a screditare l’interpretazione di Copenaghen

Di Dan Hooper, Ph. D., Università di Chicago
Un'illustrazione di un esperimento in corso per dimostrare il paradosso EPR.
Un’illustrazione dell’esperimento EPR paradox thought, che viene eseguito qui usando coppie di elettroni-positroni. (Immagine: Krishnavedala / Pubblico dominio)

Cos’è il realismo scientifico?

Einstein era a disagio con il modo in cui una determinata particella poteva trovarsi in più punti contemporaneamente o come poteva muoversi con più velocità, tutte simultaneamente, secondo l’interpretazione di Copenaghen. Dopo anni di dibattito e considerazione, Einstein alla fine arrivò a prendere e insistere su una posizione filosofica nota come realismo scientifico per contrastare questo.

Come lo vide Einstein, uno è un realista scientifico se crede nell’esistenza di uno stato reale e ben definito del mondo, e che il mondo esiste indipendentemente da qualsiasi osservazione che si possa fare di esso. In altre parole, il mondo è una cosa reale e ben definita che esiste indipendentemente da noi. Osservandolo, possiamo imparare cose sul mondo, ma le nostre osservazioni non rendono il mondo quello che è.

L’insistenza di Einstein sul realismo scientifico cadde in netto contrasto con l’interpretazione di Copenaghen della meccanica quantistica. Secondo l’interpretazione di Copenaghen, un elettrone potrebbe trovarsi in più punti contemporaneamente, ma quando viene fatta un’osservazione di un elettrone la sua funzione d’onda collassa e si trasforma in non essere più in più posizioni ma in una sola. Questa interpretazione non era compatibile con le idee di Einstein sul mondo o la sua adesione al realismo scientifico.

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La teoria della Meccanica quantistica è incompleta?

Anche se Einstein non era d’accordo con l’interpretazione di Copenaghen, dovette accettare che le previsioni fatte con le equazioni della meccanica quantistica erano in accordo con qualsiasi numero di misurazioni e test di laboratorio. La meccanica quantistica non sembra essere semplicemente sbagliata.

Ritratto di Albert Einstein nel 1931.
Un ritratto di Albert Einstein del 1931, circa quattro anni prima di pubblicare il documento EPR con Podolsky e Rosen. (Immagine: Doris Ulmann / Divisione Stampe e fotografie della Biblioteca del Congresso)

Quindi, ha concentrato i suoi sforzi nel cercare di dimostrare che la teoria della meccanica quantistica era in qualche modo incompleta. Einstein sperava che sarebbe stato in grado di trovare una versione più completa della meccanica quantistica che era deterministica, e che era compatibile con il realismo scientifico.

Tuttavia, tutte le obiezioni filosofiche che Einstein riuscì a sollevare contro le interpretazioni di Copenaghen erano soggettive al meglio e non riuscirono a convincere altri fisici che la visione del consenso della teoria quantistica era errata o incompleta.

Einstein aveva bisogno di esporre un’incoerenza logica o identificare un grosso problema nell’interpretazione di Copenaghen che poteva essere riconosciuto come un difetto fatale per convincere i suoi colleghi.

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Entanglement quantistico e paradosso EPR

Titolo del New York Times che dice che Einstein attacca la teoria quantistica.
Un titolo nel numero del New York Times del 4 maggio 1935, dopo la pubblicazione del documento EPR. (Immagine: New York Times / Pubblico dominio)

Per un certo numero di anni, Einstein aveva pensato a gruppi di particelle con funzioni d’onda che dipendono direttamente l’una dall’altra. Oggi ci riferiamo a tali funzioni d’onda come ‘entangled’, ma questa terminologia non era ancora stata coniata alla fine del 1920.

Mentre Einstein non aveva ancora completamente esplorato o compreso le implicazioni dell’entanglement quantistico, riconobbe che l’entanglement quantistico era una conseguenza inevitabile dell’interpretazione di Copenaghen della meccanica quantistica. Ha anche riconosciuto che alcuni comportamenti particolarmente strani potrebbero derivare dall’entanglement quantistico.

Nel 1933, Einstein prese una posizione presso l’Istituto di Studi avanzati di Princeton, dopo essere fuggito dalla Germania nazista. Lì ha lavorato con altri due fisici, Boris Podolsky e Nathan Rosen. Nei due anni successivi scrissero un influente articolo intitolato: “Una descrizione quantomeccanica della realtà fisica può essere considerata completa?”Questo documento conteneva la prima descrizione di quello che sarebbe diventato noto come il paradosso EPR o il paradosso di Einstein-Podolsky-Rosen.

Questa è una trascrizione della serie di video What Einstein Got Wrong. Guardalo ora, sui grandi corsi più.

Il documento EPR descriveva un esperimento ipotetico, destinato a dimostrare ciò che Einstein vedeva come le conseguenze paradossali dell’interpretazione di Copenaghen. L’esperimento EPR è stato uno dei più famosi esperimenti di pensiero di Einstein.

Nel corso degli anni sono state discusse e proposte diverse versioni dell’esperimento mentale EPR. Hanno tutti gli stessi elementi di base, tra cui una coppia di particelle che iniziano uno vicino all’altro e interagiscono, e poi viaggiano lontano l’uno dall’altro in direzioni diverse.

Una delle migliori versioni successive descrive un atomo che sta per decadere. Produce due particelle con la stessa massa. Poiché il sistema inizia senza quantità di moto, la legge di conservazione della quantità di moto dice che la quantità di moto totale delle due particelle dovrà aggiungere fino a zero. Ciò significa che queste due particelle devono allontanarsi dall’atomo in direzioni opposte e con velocità uguali.

Tuttavia, queste sono particelle quantistiche senza valori univocamente definiti delle loro velocità. Invece, sono descritti da una funzione d’onda che può essere utilizzata per calcolare la probabilità che si trovino ad avere una particolare velocità quando misurati. Inoltre, prima di eseguire qualsiasi misurazione, le velocità di queste particelle hanno valori multipli e tutti allo stesso tempo.

Immagina che queste particelle percorrano una certa distanza significativa dall’atomo e, man mano che lo fanno, diventano sempre più separate l’una dall’altra. Dopo che sono stati separati, si prende una misura della velocità di una delle particelle. Diciamo, per esempio, che si misura la particella di viaggiare ad una velocità di 100 miglia all’ora.

Secondo l’interpretazione di Copenaghen, effettuando questa misurazione si comprime la funzione d’onda della particella. Tuttavia, secondo l’esperimento EPR, sembra che tu abbia fatto anche qualcos’altro. E questo è il punto principale dell’esperimento EPR.

Poiché la quantità di moto è sempre conservata, misurando la velocità di una delle particelle si impara anche la velocità dell’altra particella. Dopo tutto, le due particelle devono muoversi a parità di velocità. Quindi, misurando la velocità di una delle particelle, non solo fai collassare la funzione d’onda di quella particella, ma collassi anche la funzione d’onda dell’altra particella. Senza avvicinarsi alla seconda particella, hai in qualche modo costretto la sua funzione d’onda a collassare.

Einstein credeva che questo tipo di comportamento fosse palesemente impossibile. Ha sostenuto che non c’è nulla che si possa fare a una particella in una posizione che possa influenzare una particella diversa in una posizione diversa. Mentre, l’esperimento EPR dimostra che questo genere di cose deve accadere secondo la visione di Copenaghen della meccanica quantistica. Questa obiezione è l’essenza del paradosso EPR. Einstein pensava di aver finalmente mostrato perché la vista di Copenaghen doveva essere incompleta. O forse anche sbagliato.

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La risposta di Niels Bohr al paradosso EPR

Il fisico danese Niels Bohr, che fu uno dei principali fautori dell’interpretazione di Copenaghen della meccanica quantistica, ritenne che fosse sua responsabilità rispondere all’attacco di Einstein e chiarire e forse correggere la situazione.

Bohr era convinto che la meccanica quantistica fosse una teoria valida, e temeva che gli attacchi di Einstein avrebbero ingiustamente ridotto la sua credibilità. Quindi, Bohr mise da parte tutto il resto e trascorse sei intense settimane a formulare e scrivere una risposta al documento EPR e alle sue critiche sull’interpretazione di Copenaghen della meccanica quantistica.

Nel suo articolo in risposta al documento EPR, Bohr non ha cercato di contestare la conclusione che l’interpretazione di Copenaghen porta all’entanglement delle funzioni d’onda. Era chiaro che lo fa. Bohr sosteneva che non c’era nulla di logicamente incoerente con l’entanglement. Entanglement è strano, ma ciò non significa che non sia anche reale.

Uno dei motivi su cui si potrebbe obiettare all’entanglement quantistico è che sembra coinvolgere viaggi più veloci della luce. Secondo la relatività, nulla può muoversi nello spazio più velocemente della velocità della luce.

Questo apparente problema deriva dal fatto che quando si misura la velocità di una delle particelle nell’esperimento EPR, si collassa istantaneamente le funzioni d’onda di entrambe le particelle. Dato che una distanza significativa separa queste due particelle, questo sembra richiedere un viaggio istantaneo attraverso lo spazio.

Einstein si riferiva a questo come “azione spettrale a distanza”, e sembrava violare un principio centrale della relatività.

A un esame più attento, si scopre che l’entanglement quantistico potrebbe sembrare violare la relatività, ma in realtà non lo fa. Più specificamente, non consente a nessuna particella o altra forma di informazione di muoversi tra due posizioni ad una velocità più veloce della luce. Due particelle possono essere collegate attraverso il loro entanglement, ma questo non potrebbe mai essere usato per inviare un segnale o un oggetto, da un luogo all’altro ad una velocità più veloce della velocità della luce.

Bohr aveva dimostrato che uno sguardo più attento al paradosso EPR ha rivelato che non c’è davvero alcun paradosso lì. Anche se la risposta di Bohr ha fatto poco per cambiare la mente di Einstein, la maggior parte dei fisici sembrano aver trovato la sua confutazione di essere convincente. Oggi, il documento EPR è ampiamente visto come un passo falso di Einstein.

Il documento EPR ha portato l’attenzione sui fenomeni di entanglement quantistico, ma alla fine non ha fornito un caso valido contro l’interpretazione di Copenaghen della meccanica quantistica. Einstein aveva sperato che la carta EPR avrebbe dato un colpo fatale alla visione del consenso della meccanica quantistica, ma la teoria sopravvisse e divenne più forte che mai.

Domande comuni sul paradosso EPR

D: Perché il paradosso EPR è sbagliato?

Einstein sperava che il paradosso EPR, che sembrava suggerire che la teoria della meccanica quantistica fosse incompleta, avrebbe finalmente sgonfiato il consenso intorno all’interpretazione di Copenaghen. Il paradosso EPR suggeriva che le particelle viaggiassero a velocità più veloci di quelle della luce, che violavano le barriere della relatività generale. Tuttavia, questo è stato successivamente dimostrato essere errato. Quindi, il paradosso EPR è sbagliato.

D: Qual è la teoria dell’entanglement?

La teoria dell’entanglement dice che le particelle quantistiche che sono impigliate rimangono impigliate e qualsiasi azione eseguita su una delle particelle influenza ugualmente le altre particelle, anche se le suddette particelle sono lontane.

D: L’entanglement quantistico è più veloce della luce?

No, l’entanglement quantistico segue le regole della relatività e non consente viaggi più veloci della velocità della luce. Gli oggetti impigliati si comportano in modo simile, il che crea l’impressione di viaggiare più velocemente della luce, ma non avviene alcun viaggio o comunicazione reale più veloce della luce.

Q: Che cosa è sovrapposizione e entanglement?

In parole semplici, l’entanglement quantistico si riferisce al trasferimento avanti e indietro di informazioni tra una coppia di particelle quantistiche. D’altra parte, la sovrapposizione quantistica si riferisce alla teoria che suggerisce che le particelle quantistiche esistano simultaneamente in più stati.

Di Dan Hooper, Ph. D., Università di Chicago Un’illustrazione dell’esperimento EPR paradox thought, che viene eseguito qui usando coppie di elettroni-positroni. (Immagine: Krishnavedala / Pubblico dominio) Cos’è il realismo scientifico? Einstein era a disagio con il modo in cui una determinata particella poteva trovarsi in più punti contemporaneamente o come poteva muoversi con più velocità,…

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