L'esperimento di Mandel
All'inizio degli anni '90 Mandel dell'Università di Rochester ed i suoi collaboratori hanno compiuto un esperimento straordinario, che mostra come sia sufficiente qualcosa di molto più evanescente di una misurazione per far cambiare lo stato fisico di un sistema: è sufficiente la conoscenza potenziale che possiamo avere di tale sistema!
Magia?
No, fisica contemporanea.
Horgan, nel suo articolo su Le Scienze n.289, riporta il commento scherzoso dei fisici Jaynes e Scully, che hanno parlato addirittura di "
negromanzia medievale" a proposito di questi esperimenti. Lo stesso Horgan parla di "
fotoni psichici" e si ricollega alla filosofia del celebre vescovo Berkeley (secolo XVIII), che può essere definita un "
empirismo idealistico".
Berkeley affermò "
Esse est percipi", ovvero "
esistere è essere percepito". Berkeley intendeva dire che l'esistenza di una qualsiasi entità in natura può essere solo testimoniata da una percezione cosciente, per cui tutta la realtà può essere ridotta ad atti di consapevolezza, ovvero a idee, senza che sia necessario che la materia esista oggettivamente!
Ma torniamo agli aspetti pratici e vediamo l'esperimento di Mandel.
Anzitutto ricreiamo una situazione simile a quella del fotone che transita attraverso le due fenditure, ma per mezzo di un dispositivo diverso, cioè uno specchio semi-riflettente (detto anche divisore di fascio): esso trasmette la luce al 50%, ovvero solo metà dell'intensità luminosa riuscirà ad attraversare lo specchio, mentre l'altra metà sarà riflessa.
Analizzando i singoli fotoni, in una descrizione tradizionale diremmo che la probabilità che un fotone attraversi lo specchio (invece di essere riflesso) è del 50%. Se consideriamo 100 fotoni, secondo la logica convenzionale ci aspettiamo statisticamente che circa 50 fotoni attraversino lo specchio, mentre gli altri 50 vengano riflessi: il fascio iniziale di 100 fotoni quindi sarà diviso in due fasci diversi che percorrono cammini diversi. Questo però è vero solo se abbiamo modo di rivelare esplicitamente i singoli fotoni, altrimenti dobbiamo ammettere che ciascun fotone si troverà in uno strano "
stato di sovrapposizione", cioè al 50% attraverserà lo specchio ed al 50% sarà riflesso. In altre parole, il percorso di ciascun fotone sarà indefinito, poiché "
per metà" passerà attraverso lo specchio e "
per l'altra metà" verrà riflesso, sebbene esso sia indivisibile!
Se noi non misuriamo esplicitamente il percorso seguito dal fotone e facciamo incidere i due percorsi potenziali su uno schermo, otterremo la solita figura di interferenza: ovvero il fotone (pur rimanendo una particella singola) passerà da entrambi i percorsi e alla fine produrrà interferenza con se stesso. Fin qui avviene ciò che abbiamo visto nell'esperimento di Wheeler, anche se stavolta il misterioso sdoppiamento del singolo fotone non è causato dalle due fenditure bensì dallo specchio semi-riflettente.
Come si vede nella figura, il laser (1) emette un fotone, lo specchio semi-riflettente (2) "
divide" il fotone in due parti fantasma, e ciascuno delle due parti fantasma percorre un percorso diverso (3 e 4). Gli specchi nei punti 3 e 4 sono "
normali" (non semi-riflettenti) e servono solo a indirizzare in maniera opportuna i due percorsi.

Schema dell'incredibile esperimento di Mandel
Su ciascun percorso vi è un "
convertitore verso le basse frequenze". Ciascun convertitore (5 e 6) divide il proprio fotone fantasma in due fotoni gemelli di energia dimezzata. Uno viene chiamato "
fotone segnale" ed è indicato con S, mentre l'altro viene chiamato "
fotone ausiliario" ed è indicato con A. Infine, i due percorsi S vengono rivelati sullo schermo (9), mentre i due percorsi A vengono indirizzati sul rivelatore ausiliario (8). In realtà, per ragioni tecniche, il sistema realmente usato dall'equipe di Mandel è leggermente più complicato, ma è concettualmente equivalente a quello appena descritto.
Vediamo allora come funziona l'intero sistema: il laser (1) spara un singolo fotone alla volta che incide sullo specchio semi-riflettente (2). Poiché noi non misuriamo quale percorso viene effettuato dal fotone, esso fantomaticamente passa da entrambi i percorsi (3 e 4), e nei convertitori 5 e 6 il fotone fantasma viene diviso in due fotoni gemelli di energia dimezzata. Alla fine, i due percorsi "
segnale" (indicati con S) incidono sullo schermo (9) dove il fotone S farà interferenza con se stesso (cioè con l'altra parte di se stesso passato dall'altro percorso). In seguito dal laser spareremo altri fotoni, uno alla volta, ed alla fine come risultato vedremo una chiara figura di interferenza sullo schermo (9).
La situazione è simile a quella dell'esperimento con le due fenditure e l'unica differenza è che qui la situazione è "
raddoppiata" (grazie ai convertitori 5 e 6), cioè abbiamo anche i due percorsi "
ausiliari" (indicati con A), per cui, ogni volta che un fotone colpirà lo schermo (9), contemporaneamente riscontreremo l'arrivo di un fotone anche sul rivelatore ausiliario (8), ovvero registreremo una cosiddetta "
coincidenza". In quest'analisi abbiamo presupposto che non vi sia ancora un ostacolo nel punto 7, che si trova sul percorso di uno dei fasci ausiliari.
Benissimo: ora viene il bello. Vediamo che cosa succede se si inserisce appunto un ostacolo nel punto 7. Una volta che i percorsi sono stati divisi, ci aspettiamo che essi siano indipendenti: perciò l'ostacolo nel punto 7 non dovrebbe alterare la figura di interferenza nello schermo (9) poiché il punto 7 si trova su un altro percorso, che porta al rivelatore ausiliario (8) e non allo schermo (9).
Ma se inseriamo l'ostacolo nel punto 7, interrompendo così il percorso di un fascio ausiliario, la figura di interferenza dei fasci segnale nello schermo (9) scompare! Eppure non abbiamo effettuato misure sui fasci segnale (che finiscono sullo schermo, 9), ma solo su un fascio ausiliario (che finisce nel rivelatore, 8)! Anche se allontaniamo moltissimo i due fasci (A e S) tra di loro, quando operiamo sui fasci A incredibilmente produciamo un'influenza sui fasci S, che contraddice la località di Einstein.
Com'è possibile? Che cos'è cambiato rispetto al caso precedente quando non vi era un ostacolo nel punto 7? È cambiata la "
conoscenza potenziale" che abbiamo sui fasci segnale: poiché il percorso che passa dall'ostacolo 7 è interrotto, quando riveliamo un fotone sul rivelatore degli ausiliari (8) esso deve provenire necessariamente dal percorso che passa per lo specchio 3 (non può provenire dal percorso dello specchio 4 appunto perché interrotto nel punto 7). Perciò, misurando la sua coincidenza col fotone segnale sullo schermo (9) noi saremmo in grado di dire con certezza che quel fotone segnale proveniva dal percorso dello specchio 3, cioè sapremmo che il fotone è passato "
interamente" da questo percorso e conseguentemente non può essere passato dal percorso dello specchio 4: per questo non può fare interferenza (come nel caso delle due fenditure).
Questo spiega perché la figura di interferenza nello schermo (9) viene distrutta se inseriamo un ostacolo (7) sul fascio ausiliario. Il fatto notevole è che si tratta di una sconcertante "
azione fantomatica a distanza": agendo sul punto 7 alteriamo lo stato fisico in un luogo diverso, cioè sullo schermo (9), dove la figura di interferenza viene distrutta, e questo è dovuto al fatto che ora noi sappiamo o possiamo dedurre quale percorso avrà seguito il fotone che inciderà sullo schermo (9): è dovuto cioè a una conoscenza, ad un'informazione, ad un atto di consapevolezza, e non ad un intervento materiale diretto. Questa "
conoscenza potenziale" è sufficiente ad alterare lo stato fisico sul rivelatore dei segnali, distruggendo la figura di interferenza.
Nota: alcune persone, potrebbero obiettare che vi può essere una qualche azione fisica retroattiva sul fascio di luce: tale presunta azione tornerebbe indietro dal punto 7 fino al punto 6 o addirittura al punto 2, ed influenzerebbe il risultato sullo schermo 9 senza bisogno di "
azioni fantasma". Ma tale spiegazione non ha alcun senso fisico: non vi è nulla che torna indietro, i fotoni si muovono in avanti, e per giunta non costituiscono un fascio continuo poiché i fotoni sono quantizzati, e viene emesso solo un fotone alla volta.
Sfruttando "
giochi di prestigio quantistici" di questo genere, i fisici P.Kwiat, H.Weinfurter e A.Zeilinger hanno dimostrato che sono possibili delle "
misure senza interazione", ovvero ci si può accorgere della presenza di un oggetto macroscopico (cioè "
classico" e non quantistico) utilizzando le caratteristiche quantistiche dei fotoni e la loro non-oggettività (nota: nel caso di un oggetto macroscopico la sua posizione "
oggettiva" è probabilisticamente elevatissima, cioè praticamente certa; però l'esperimento sfrutta le qualità di non-oggettività quantistica del fotone rivelatore, che così rivela l'oggetto senza interagire con esso!).
Misure senza interazione potrebbero avere applicazioni importantissime in campo medico, per ridurre fortemente l'intensità delle radiazioni nell'osservazione specialistica di tessuti organici. Si immagini per esempio di poter fare una radiografia a tutti gli effetti, ma riducendo drasticamente l'esposizione ai raggi X. Un'articolo su questo tema è stato pubblicato su Le Scienze n.342 del 1997.
Per capire come ciò sia possibile, ci si può ricollegare all'esperimento di Mandel descritto sopra. Immaginiamo che l'oggetto da rivelare sia l'ostacolo inserito nel punto 7: ebbene, noi possiamo rivelare la presenza dell'oggetto verificando se sullo schermo (9) si forma o meno la misura di interferenza! Si tratta quindi di una misura indiretta che non coinvolge esplicitamente l'oggetto.
Purtroppo l'oggetto verrà comunque colpito da un fotone nel 50% dei casi (poiché statisticamente nel 50% dei casi lo specchio semi-riflettente 2 lascerà passare un fotone che attraverso il percorso 4 colpirà effettivamente l'oggetto nel punto 7). L'esposizione alla radiazione però può essere ridotta a piacere sfruttando un metodo ingegnosissimo detto "Effetto Zenone quantistico": Kwiat, Weinfurter e Zeilinger sono già riusciti a ridurre dell'85% la radiazione necessaria, lasciando un'esposizione solo del 15%.
Inoltre vi sono altre applicazioni pratiche di questi "
giochi di prestigio quantistici". Per esempio il teorema di Bell permette l'esistenza di una "
crittografia quantistica" assolutamente sicura, poiché decifrabile solo da chi possiede la chiave originale. Ma non basta. Sono già allo studio dei "
computer quantistici" basati sui qubit, ovvero su "bit quantistici" che possono sfruttare gli stati di sovrapposizione quantistica.
Per non parlare del "
teletrasporto" di cui abbiamo già visto alcuni esempi.