Nel mondo quantistico, il futuro causa il passato

Che due particelle si scontrino a velocità superiori a quelle della luce sembra impensabile, ma i fatti non possono essere negati. Questo mistero ha sollevato molti dubbi sia tra il grande pubblico che tra i vincitori del Premio Nobel. Ma come risolviamo questo problema? Emily Adlam sostiene che la causalità a ritroso, l’idea che il futuro possa influenzare il passato, è la chiave per risolvere questo puzzle quantistico.

Una delle caratteristiche più famose e sconcertanti della meccanica quantistica è il fatto che mostra quella che Einstein chiamava “azione spettrale a distanza”, la correlazione tra misurazioni effettuate su particelle molto distanti nello spazio. Ora, ovviamente, le lontane correlazioni di per sé non sono sorprendenti. Ad esempio, diciamo che prendo un paio di calzini dal mio cassetto, li separo e poi ne mando uno alla mia amica Alice a Londra e l'altro al mio amico Bob ad Auckland. Se i miei amici osservassero i calzini e poi confrontassero i loro risultati e scoprissero che entrambi avevano calzini dello stesso colore, non ci sarebbe alcun mistero: i calzini sono dello stesso colore a causa di una causa comune nel loro passato condiviso, vale a dire il fatto che entrambi provenivano dalla stessa coppia. Ma le correlazioni che compaiono nella meccanica quantistica sono speciali perché… Non posso Si spiega così. Ad esempio, le correlazioni quantistiche a lunga distanza compaiono tipicamente nell'esperimento di Bell, dove imposto una coppia di particelle quantistiche e ne invio una ad Alice e una a Bob, quindi Alice e Bob scelgono ciascuno una misurazione ed eseguono quella misurazione sui propri dispositivi. particella. Una famosa teoria risalente al fisico Giovanni Bell Ci dice che in questo scenario, le correlazioni spiegate da una causa comune nel passato dovrebbero obbedire a una certa disuguaglianza – ma risulta che possiamo scegliere quali disposizioni e misurazioni nella meccanica quantistica portano a una violazione della disuguaglianza di Bell. Ciò sembra indicare che la decisione di Alice di effettuare una misurazione piuttosto che un'altra ha un effetto immediato sulla particella di Bob, e quindi influenza i risultati che Bob ottiene nella sua stessa misurazione, non importa quanto siano distanti.

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È preoccupante pensare che la struttura profonda della meccanica quantistica violi questo principio fondamentale della relatività.

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Questi effetti istantanei non locali preoccupano molti fisici, anche perché sembrano in netto conflitto con la nostra comprensione della relatività speciale. Il problema è che la relatività speciale ci dice che non esiste alcuna verità su ciò che è “istantaneo” – per determinare se due eventi distanti sono simultanei o meno, dobbiamo scegliere un quadro di riferimento relativo da cui possiamo valutare la simultaneità – ma la relatività speciale alla fine dice che non esiste alcun riferimento preferito e quindi non ci sono fatti indipendenti dall'osservatore sulla simultaneità. Ora, la nonlocalità quantistica non produce nulla di tutto ciò Può essere notato Ciò contraddice il principio relativistico, poiché gli effetti istantanei operano in modo sottile, il che significa che possono essere rilevati solo dopo aver confrontato i risultati delle misurazioni su entrambe le particelle, e quindi non possiamo scoprire sperimentalmente alcun sistema di riferimento preferito. Tuttavia, se gli effetti sono istantanei, deve esserci un quadro di riferimento preferenziale, anche se osservatori come noi non possono rilevarlo, ed è preoccupante pensare che la struttura profonda della meccanica quantistica violi un principio così fondamentale di relatività. Ciò sembra particolarmente problematico se un giorno speriamo di unificare la meccanica quantistica e la relatività in una teoria della gravità quantistica, perché sembra improbabile che saremo in grado di farlo se le due teorie sono incompatibili in questo modo fondamentale.

Di conseguenza, un certo numero di fisici hanno cercato di capire se esiste un modo per spiegare queste connessioni distanti senza “inquietanti azioni a distanza”. Per fare ciò, dovremmo necessariamente negare uno dei presupposti contenuti nel teorema di Bell, e la maggior parte del lavoro su questo argomento si è concentrato su un presupposto noto come indipendenza statistica, che dice semplicemente che lo stato delle due particelle insieme a il tempo in cui li installerete è indipendente dalle scelte Il suffisso che Alice e Bob prendono riguardo alle misurazioni che faranno. Questa assunzione è chiaramente necessaria per dimostrare l'esistenza della nonlocalità, perché se sapessimo in anticipo quali misurazioni farebbero Alice e Bob, potremmo semplicemente preprogrammare le particelle con risultati che darebbero l'apparenza di nonlocalità anche se tutto è perfettamente locale. Quindi, se esistesse un modo plausibile per negare l’indipendenza statistica nell’esperimento di Bell, questo ci permetterebbe di resistere all’esistenza di azioni spettrali a distanza.

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Tuttavia, non possiamo semplicemente richiedere che l’indipendenza statistica venga violata: ciò equivarrebbe semplicemente a sostituire uno spaventoso effetto non locale con un altro. Dovremo invece escogitare un meccanismo locale mediante il quale lo stato della particella possa essere collegato alle successive scelte di misurazione. Ci sono due modi ovvi per farlo. Il primo, noto come superdeterminismo, consiste nel suggerire che esista nel passato una causa comune per le scelte di misurazione e per l’impostazione degli eventi che portano a connessioni tra loro. La seconda, conosciuta come causalità a ritroso, consiste nell’indicare che le scelte di misurazione hanno un effetto causale inverso sullo stato della particella al momento della sua preparazione.

Il superdeterminismo può sembrare a prima vista un approccio più naturale, ma in realtà ha alcune conseguenze molto strane. Alice e Bob possono fare le loro scelte di misurazione in qualsiasi modo immaginabile, ad esempio lanciando una moneta, in funzione della loro data di nascita, osservando la luce proveniente da galassie lontane e così via. Quindi il superdeterminismo ci porta a suggerire che esiste un fattore causale comune: Sempre Influisce sulle scelte di misurazione, indipendentemente dal metodo strano e meraviglioso che Alice e Bob potrebbero utilizzare per prendere la loro decisione. Inoltre, forse dovremmo solo richiedere che le correlazioni desiderate siano semplicemente scritte nello stato iniziale all’inizio del tempo, e questo sembra problematico, dal momento che la nostra attuale comprensione della meccanica statistica e della termodinamica suggerisce che possiamo comprendere la freccia del tempo solo se noi supponiamo che lo stato iniziale dell'universo non abbia molte connessioni sottili. Quindi abbracciare il superdeterminismo sembra creare gravi tensioni con la metodologia scientifica consolidata.

D'altra parte, la retrocausazione non richiede alcuna modifica speciale allo stato iniziale dell'universo: ci permette di dire, come siamo naturalmente propensi, che le scelte di misurazione di Alice e Bob sono indipendenti dal resto delle variabili coinvolte nella esperimenti, ma che lo stato delle particelle non termina con End collegandosi alle opzioni di misurazione. Pertanto sono stati proposti numerosi interessanti modelli causali retrospettivi degli esperimenti di Bell, compresi quelli proposti da Wharton E Shulman -Questi modelli mostrano che in linea di principio è possibile spiegare gli esperimenti di Bell in modo locale consentendo un feedback causale.

Tuttavia, è importante notare che ci sono due concezioni sostanzialmente diverse di causalità a ritroso che si possono adottare qui. Il primo è l’approccio delle “due frecce”, che è probabilmente ciò a cui la maggior parte delle persone pensa quando sente il termine “retrocausazione” – suggerisce che ci sono due diverse frecce di causalità che puntano in direzioni opposte, quindi abbiamo uno sviluppo in avanti in entrambi indicazioni. Tempo e ritorno nel tempo. L'alternativa è l'approccio “tutto in una volta”, in cui non esiste alcun processo di evoluzione, e invece le leggi della natura operano in ordine cronologico per individuare l'intero corso della storia in una volta, più o meno allo stesso modo. Il modo in cui le regole del Sudoku limitano l'intera griglia in una volta invece di iniziare da un lato e spostarsi verso l'altro. Nei modelli tutto-simultanei, passato e futuro si influenzano a vicenda in modo reciproco, e quindi in tali modelli è naturale aspettarsi che ci siano correlazioni che sembrano dal nostro punto di vista interno coinvolgere qualcosa come influenze causali che guardano all'indietro nel tempo. Quindi possiamo certamente riscontrare violazioni dell’indipendenza statistica nel modello all-at-a-time.

Quale di queste nozioni di retrocausazione dovremmo scegliere? Ebbene, c'è un problema evidente con il concetto delle “due frecce”: sembra incline a produrre paradossi logici. Ad esempio, consideriamo il “paradosso del nonno” in cui un viaggiatore del tempo torna indietro nel tempo e uccide suo nonno prima che possa avere figli – quindi il viaggiatore del tempo non nascerà, ma ovviamente non può uccidere suo nonno, quindi non sembra esserci un modo logicamente coerente per risolvere questo corso degli eventi. Possiamo facilmente immaginare una controparte retrocausale di questo paradosso in cui il viaggiatore del tempo usa l'influenza causale attraverso il tempo piuttosto che la macchina del tempo per uccidere suo nonno, portando alla fine allo stesso risultato paradossale. Poiché presumibilmente l’universo non può contenere paradossi logici, sembra che questo tipo di configurazione dei processi causali non possa essere possibile. Ma questo è difficile da ottenere nel concetto delle “due frecce” di causalità all'indietro: sembra che dobbiamo aggiungere una sorta di condizione di coerenza e, per escludere completamente le contraddizioni logiche, queste condizioni devono applicarsi tutte in una volta. A livello globale, e una volta tenuto conto di ciò, sembra che ci stiamo davvero muovendo verso il quadro generale piuttosto che verso il quadro delle due frecce.

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In una descrizione esaustiva degli esperimenti di Bell, non abbiamo bisogno di dire che c'è un effetto istantaneo di una particella su un'altra.

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Allo stesso tempo, il quadro complessivo non può produrre contraddizioni logiche, perché l’obiettivo principale di questo approccio è che l’intero corso della storia venga scelto insieme, in modo logicamente coerente. Ma c’è un problema: non è del tutto chiaro se il modello “tutto allo stesso tempo” sia veramente locale nel senso comune del termine. Perché nel modello tutto-at-a-time, le connessioni tra eventi distanti sono ottenute tramite vincoli imposti direttamente sull’intera storia, quindi non c’è davvero bisogno di trasferire informazioni da un punto a un altro attraverso un processo locale. In un tale modello, gli eventi in punti distanti possono dipendere direttamente l’uno dall’altro tramite vincoli globali, e quindi dovremmo aspettarci di vedere molte connessioni forti che non sono mediate da alcun sistema fisico che trasporta informazioni tra le loro posizioni.

Ci si potrebbe quindi preoccupare che l’uso della causalità a ritroso per evitare la non-località sarebbe in definitiva controproducente, dal momento che il tipo più plausibile di modelli causali a ritroso risulta essere in ogni caso non locale. Ma questo dipende in primo luogo dalle ragioni per cui ci si sbarazza della nonlocalità. Qualcuno che pensa semplicemente che la nonlocalità sia “spaventosa” probabilmente non sarebbe soddisfatto del modello tutto in una volta, ma qualcuno che si preoccupa solo della nonlocalità a causa del problema della coerenza con la relatività potrebbe accettare felicemente il modello del tutto in una volta. -modello monouso. Sebbene i modelli “tutto in uno” siano generalmente non locali, non implementano tale non località in un modo che richieda un quadro di riferimento preferito. Ad esempio, in un resoconto completo degli esperimenti di Bell, non abbiamo bisogno di dire che c'è un effetto istantaneo di una particella su un'altra: possiamo semplicemente imporre un vincolo globale che richieda che i risultati di due misurazioni siano correlati in certi modi, indipendentemente da quando e dove vengono effettuate le misurazioni. Non esiste un processo temporale mediante il quale l'informazione viene trasferita da una particella all'altra, e quindi non è necessario specificare un quadro di riferimento preferito in cui ciò avviene.

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In definitiva, la contraddizione con il relativismo nelle correlazioni di Bell sembra sorgere perché stiamo cercando di incorporare queste correlazioni in un modello basato sull'evoluzione temporale, costringendoci a scegliere un quadro di riferimento su cui valgono le correlazioni. Se smettessimo di provare a farlo, gran parte della tensione con la relatività scomparirebbe, quindi ci ritroveremmo con un modello non locale ma comunque abbastanza coerente con i principi di base della relatività ristretta. L'introduzione della retrocausalità in senso globale offre quindi un modo interessante per conciliare gli esperimenti di Bell con la relatività, e stiamo solo iniziando a esplorare le implicazioni di questa possibilità per le nostre idee su tempo, causalità e gravità.