Correlazioni quantistiche senza ordine causale?

VIENNA – Anche a prescindere dalle varie declinazioni che nozioni come “evento” ed “effetto” possono assumere, siamo abituati a pensare che, se A causa B, A sia un evento passato o correlativo a B, che svolga una qualche azione su B, e che B non possa essere in nessun caso causa di A. In questo senso molto generico la relazione che lega A e B non è simmetrica, e pone B in una posizione di dipendenza rispetto ad A, termine a cui risulta vincolato. 

Il famoso esempio delle palle da biliardo, usato anche dal filosofo David Hume, chiarisce bene l’idea. Ecco qui una palla A ferma sul tavolo del biliardo, e un’altra palla B che rapidamente si muove verso di essa. Si urtano. Cosa accade? La palla B che prima era ferma ora acquista un movimento. Questo è un caso di relazione tra causa ed effetto: è evidente che  le due palle si sono toccate prima della trasmissione del moto, e che non c’è stato alcun intervallo tra l’urto e il movimento. La contiguità nel tempo e nello spazio è dunque una condizione necessaria dell’azione di ogni causa. È anche chiaro che il movimento, ovvero l’azione di A su B che funge da causa, deve godere di una certa priorità nel tempo. Ma non basta. Facciamo l’esperimento con quante altre palle vogliamo, della medesima specie e in una situazione simile: troveremo sempre che la spinta dell’una produce il movimento dell’altra. Abbiamo dunque una terza condizione, ossia una correlazione o costante tra causa ed effetto: qualunque oggetto simile alla causa produce sempre un oggetto simile all’effetto.

David Hume

Questa idea è valida in fisica classica, nello studio della meccanica dei corpi. Possiamo dire lo stesso per la fisica quantistica? Un gruppo di fisici teorici presso l’Università di Vienna e dell’Université Libre de Bruxelles si sono posti il problema ed hanno dimostrato che in fisica quantistica è possibile ‘immaginare’ situazioni in cui un singolo evento può essere sia una causa e un effetto di un’altra. I risultati saranno pubblicati questa settimana nella rivista Nature Communications. Anche se non è ancora noto se tali situazioni possano verificarsi in natura, la possibilità che possa esistere possono avere implicazioni di vasta portata per i fondamenti della fisica quantistica, della gravità quantistica e della computazione quantistica. Vediamo più da vicino questo studio. 

(1) Un primo punto concerne la determinazione esatta di cosa agisce su cosa nelle relazioni causali tra due termini. Nella vita di tutti i giorni, come nella fisica classica, gli eventi sono ordinati nel tempo: una causa può influire solo un effetto nel suo futuro non è nel suo passato. Nell’articolo gli studiosi immaginano questa situazione: Alice entra in una stanza e trova un foglio di carta. Dopo averlo letto, Alice cancella il messaggio e ne lascia un altro sullo stesso foglio di carta. Successivamente Bob entra nella stessa stanza e fa la stessa cosa: legge, cancella e riscrive un messaggio sul foglio di carta. Se Bob entra nella stanza dopo Alice, sarà in grado di leggere quello che Alice ha scritto, ma Alice non avrà mai la possibilità di conoscere il messaggio di Bob. In questo caso, il messaggio di Alice è la “causa” mentre ciò che Bob legge è l’”effetto”. La procedura potrà ripetersi indefinitamente, ma il risultato non cambia. Anche senza possedere orologi, solo Alice sarà in grado di leggere ciò che Bob ha scritto.

(2) Un secondo punto è dato dal fatto che in fisica classica la freccia temporale è irreversibile. Nel dominio della fisica quantistica la situazione diventa più complessa: si ammette, infatti, il caso che gli oggetti A e B possano “perdere” le loro proprietà. Più precisamente, la loro localizzazione in quello che siamo soliti chiamare spazio-tempo non è univoca: una particella può essere contemporaneamente in due luoghi diversi a seguito di un fenomeno chiamato “sovrapposizione”. La sovrapposizione è generalmente considerato come il primo postulato della fisica quantistica. Va però ricordato che non è un fenomeno che venne considerato rilevante, almeno nella prima lettura della fisica quantistica data dalla Scuola di Copenaghen in cui si assume sempre un ordine (pur fittizio o concettuale) tra cause. Il principio di sovrapposizione delle cause e degli effetti conserva validità solo nei sistemi lineari ed è in generale applicabile a tutti i sistemi che ammettano degli stati fondamentali che generano (in modo lineare) lo spazio degli stati possibili. Ciò posto, il team guidato da Caslav Brukner dell’Università di Vienna ha mostrato che anche può verificarsi un caso di sovrapposizione anche nell’ordine causale tra eventi. Restando all’esempio di Alice e Bob, all’interno di un sistema quantistico potrebbe darsi il caso in cui ciascuno dei due possa trovarsi a leggere una parte del messaggio scritto dall’altro. 

Quali conclusioni possiamo trarne? In modo simile alla posizione e alla velocità di una particella, sarebbe dunque possibile per Alice e Bob essere in due luoghi diversi nello stesso momento. Questo sempre che si ammetta che le stesse leggi valide per il microcosmo (inteso come la fisica delle particelle) conservino la loro validità anche nel macrocosmo (inteso come dominio degli oggetti che comunemente esperiamo). Lo studio offre un importante passo avanti nella comprensione dei legami tra questi due domini, come una rilettura critica dell’ordine causale degli eventi: “ora la vera sfida è scoprire dove, in natura, dovremmo cercare fenomeni di sovrapposizione dell’ordine causale”, conclude Caslav Brukner. 

Riferimenti:  Ognyan Oreshkov, Fabio Costa, Caslav Brukner, Quantum correlations with no causal order in Nature Communications. DOI: 10.1038/ncomms2076.