Teorie a variabili nascoste: differenze tra le versioni
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In [[fisica]], le '''teorie delle variabili nascoste''' sono una classe di modelli fisici [[Determinismo|deterministici]] che cercano di eliminare la natura [[Probabilità|probabilistica]] della [[meccanica quantistica]]<ref>A causa della [[legge di Born]], l'[[Determinismo|indeterminatezza]] dello stato di un sistema prima della misurazione fa parte della [[formulazione matematica della meccanica quantistica]]. Inoltre, i limiti nella conoscenza di particolari coppie d'osservabili sono espressi in forma quantitativa dal [[principio di indeterminazione di Heisenberg]].</ref> introducendo ulteriori variabili rispetto a quelle accessibili sperimentalmente. |
In [[fisica]], le '''teorie delle variabili nascoste''' sono una classe di modelli fisici [[Determinismo|deterministici]] che cercano di eliminare la natura [[Probabilità|probabilistica]] della [[meccanica quantistica]]<ref>A causa della [[legge di Born]], l'[[Determinismo|indeterminatezza]] dello stato di un sistema prima della misurazione fa parte della [[formulazione matematica della meccanica quantistica]]. Inoltre, i limiti nella conoscenza di particolari coppie d'osservabili sono espressi in forma quantitativa dal [[principio di indeterminazione di Heisenberg]].</ref> introducendo ulteriori variabili rispetto a quelle accessibili sperimentalmente. |
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Con il [[paradosso di Einstein-Podolsky-Rosen]], basato sulle proprietà dell'[[entanglement quantistico]], [[Albert Einstein]], [[Boris Podolsky]] e [[Nathan Rosen]] sostennero nel 1935 che l'[[interpretazione di Copenaghen]] della [[meccanica quantistica]] potrebbe essere una descrizione incompleta della realtà.<ref name="EPR">{{cite pubblicazione |cognome1=Einstein |nome1=A. |cognome2=Podolskij |nome2=B. |cognome3=Rose |nome3=N. |anno=1935 |titolo=Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete? |rivista=Physical Revue |volume=47 |numero=10 |pagine=777–780 |bibcode=1935PhRv...47..777E |doi=10.1103/PhysRev.47.777 |lingua=en}}</ref> |
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| ⚫ | Tra i fisici che hanno proposto questo approccio vi è anche [[Albert Einstein]], che pronunciò la famosa frase "''Dio non gioca a dadi''"<ref>Lettera a [[Max Born]], 4 dicembre [[1926]], [http://www.alberteinstein.info/db/ViewDetails.do?DocumentID=38009 Albert Einstein Archives] {{webarchive|url=https://web.archive.org/web/20100819045822/http://www.alberteinstein.info/db/ViewDetails.do?DocumentID=38009 |data=19 agosto 2010 }}, reel 8, item 180</ref> perché strenuamente convinto che una qualsiasi teoria fisica dovesse essere in grado di descrivere tutti gli elementi di realtà e che pertanto la meccanica quantistica fosse una parte di una teoria [[Determinismo|deterministica]] più fondamentale. |
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[[John Stewart Bell]] nel 1964, col suo [[teorema di Bell|teorema omonimo]] dimostrò che le correlazioni tra particelle in qualsiasi teoria ''locale'' a variabili nascoste devono sottotare a determinati vincoli. Successivamente, gli [[esperimenti sulle disuguaglianze di Bell]] hanno dimostrato un'ampia violazione di questi vincoli, escludendo tali teorie.<ref name=":0">{{cite pubblicazione |cognome=Markoff |nome=J. |data=21 ottobre 2015 |titolo=Sorry, Einstein. Quantum Study Suggests 'Spooky Action' Is Real |giornale=[[New York Times]] |url=https://www.nytimes.com/2015/10/22/science/quantum-theory-experiment-said-to-prove-spooky-interactions.html |data di accesso =28 novembre 2023 |lingua=en}}</ref> Il teorema di Bell tuttavia non esclude la possibilità di teorie ''non-locali'' a variabili nascoste o del super-determinismo, i quali non possono essere falsificati dai test di Bell. |
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{{Citazione|''Il dibattito se la Meccanica Quantistica sia una teoria completa e le probabilità abbiano un carattere non epistemico (cioè la natura è intrinsecamente probabilistica) o se si tratti di un'approssimazione statistica di una teoria deterministica e le probabilità siano dovute alla nostra ignoranza di alcuni parametri (cioè siano epistemiche) risale all'inizio della teoria stessa.''|Marco Genovese, <ref>{{cita pubblicazione|autore=M. Genovese|titolo=Research on hidden variable theories: A review of recent progresses| rivista=Physics Reports |
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|anno= 2005 |volume=413 |numero=6 |pagine=319–396 |arxiv=quant-ph/0701071v1 |bibcode=2005PhR. ..413..319G |doi=10.1016/j.physrep.2005.03.003 |s2cid=14833712}}}</ref> 2005}} |
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Nel [[1935]], [[Albert Einstein|Einstein]], [[Boris Podolsky|Podolsky]] e [[Nathan Rosen|Rosen]] scrissero un articolo<ref>A. Einstein, B. Podolsky and N.Rosen, [https://prola.aps.org/abstract/PR/v47/i10/p777_1 Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?] ([[1935]]), ''Phys. Rev.'' '''47''', 777-780</ref> di quattro pagine, noto come [[paradosso EPR]] (dalle iniziali degli autori), che poneva in risalto la necessità di una nuova teoria che sostituisse la meccanica quantistica, portando come prova della sua incompletezza, cioè della presenza di variabili nascoste, il suo carattere [[Entanglement quantistico|non locale]], considerato appunto [[Paradosso|paradossale]]. Nel [[1964]] [[John Stewart Bell|John Bell]] dimostrò però con l'omonimo [[teorema di Bell|teorema]] che se esistessero variabili nascoste che rendessero la teoria [[Principio di località|locale]], alcune configurazioni dovrebbero soddisfare determinate relazioni di [[disuguaglianza]] ([[Disuguaglianze di Bell]]) non previste dalla meccanica quantistica, ovvero i risultati delle due teorie sarebbero in parte diversi. |
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| ⚫ | Tra i fisici che hanno proposto questo approccio vi è anche [[Albert Einstein]], che pronunciò la famosa frase "''Dio non gioca a dadi''"<ref>Lettera a [[Max Born]], 4 dicembre [[1926]], [http://www.alberteinstein.info/db/ViewDetails.do?DocumentID=38009 Albert Einstein Archives] {{webarchive|url=https://web.archive.org/web/20100819045822/http://www.alberteinstein.info/db/ViewDetails.do?DocumentID=38009 |data=19 agosto 2010 }}, reel 8, item 180</ref> perché strenuamente convinto che una qualsiasi teoria fisica dovesse essere in grado di descrivere tutti gli elementi di realtà e che pertanto la meccanica quantistica fosse una parte di una teoria [[Determinismo|deterministica]] più fondamentale. |
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Alcuni fisici, come [[Alain Aspect]] e [[Paul Kwiat]], hanno condotto [[esperimenti sulle disuguaglianze di Bell|sperimentazioni]] che hanno registrato violazioni delle disuguaglianze di Bell su 242 deviazioni standard<ref>P. G. Kwiat, et al. (1999) [https://arxiv.org/abs/quant-ph/9810003 Ultrabright source of polarization-entangled photons], ''Physical Review A'' '''60''', R773-R776</ref>, conseguendo un'eccellente certezza scientifica. Ciò depone a favore della meccanica quantistica nella sua [[Interpretazione di Copenaghen|interpretazione classica]], escludendo teorie a variabili nascoste locali (rimane aperta la possibile esistenza di quelle non locali). |
Alcuni fisici, come [[Alain Aspect]] e [[Paul Kwiat]], hanno condotto [[esperimenti sulle disuguaglianze di Bell|sperimentazioni]] che hanno registrato violazioni delle disuguaglianze di Bell su 242 deviazioni standard<ref>P. G. Kwiat, et al. (1999) [https://arxiv.org/abs/quant-ph/9810003 Ultrabright source of polarization-entangled photons], ''Physical Review A'' '''60''', R773-R776</ref>, conseguendo un'eccellente certezza scientifica. Ciò depone a favore della meccanica quantistica nella sua [[Interpretazione di Copenaghen|interpretazione classica]], escludendo teorie a variabili nascoste locali (rimane aperta la possibile esistenza di quelle non locali). |
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Versione delle 10:42, 28 nov 2023
In fisica, le teorie delle variabili nascoste sono una classe di modelli fisici deterministici che cercano di eliminare la natura probabilistica della meccanica quantistica[1] introducendo ulteriori variabili rispetto a quelle accessibili sperimentalmente.
Con il paradosso di Einstein-Podolsky-Rosen, basato sulle proprietà dell'entanglement quantistico, Albert Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen sostennero nel 1935 che l'interpretazione di Copenaghen della meccanica quantistica potrebbe essere una descrizione incompleta della realtà.[2]
John Stewart Bell nel 1964, col suo teorema omonimo dimostrò che le correlazioni tra particelle in qualsiasi teoria locale a variabili nascoste devono sottotare a determinati vincoli. Successivamente, gli esperimenti sulle disuguaglianze di Bell hanno dimostrato un'ampia violazione di questi vincoli, escludendo tali teorie.[3] Il teorema di Bell tuttavia non esclude la possibilità di teorie non-locali a variabili nascoste o del super-determinismo, i quali non possono essere falsificati dai test di Bell.
Storia
«Il dibattito se la Meccanica Quantistica sia una teoria completa e le probabilità abbiano un carattere non epistemico (cioè la natura è intrinsecamente probabilistica) o se si tratti di un'approssimazione statistica di una teoria deterministica e le probabilità siano dovute alla nostra ignoranza di alcuni parametri (cioè siano epistemiche) risale all'inizio della teoria stessa.»
Descrizione
Non-determinismo e variabili nascoste
Una caratteristica fondamentale della meccanica quantistica risiede nel suo essere statistica, cioè nell'esprimere solo la probabilità con cui una certa configurazione può presentarsi. La conseguenza di ciò è che lo stesso tipo di misurazione, eseguita su due sistemi in buona approssimazione identici, può portare a risultati diversi. Sorge allora la domanda se la meccanica quantistica come si presenta attualmente sia una descrizione incompleta della realtà e se esista una realtà nascosta che rientri in una teoria più fondamentale, in grado di prevedere con certezza il risultato di una misura. Se esistessero tali "variabili nascoste", sarebbero necessari nuovi fenomeni fisici, sconosciuti all'attuale teoria, e anche nuove equazioni atte a descriverli, per spiegare l'universo come lo conosciamo.
Sebbene il determinismo fosse inizialmente una tra le maggiori motivazioni per la ricerca di teorie con variabili nascoste, ci sono alcune formulazioni non-deterministiche che cercano di prospettare una descrizione della realtà prescindendo dal formalismo della meccanica quantistica, come ad esempio la meccanica stocastica di Edward Nelson.
Paradosso EPR e teorema di Bell
Nel 1935, Einstein, Podolsky e Rosen scrissero un articolo[5] di quattro pagine, noto come paradosso EPR (dalle iniziali degli autori), che poneva in risalto la necessità di una nuova teoria che sostituisse la meccanica quantistica, portando come prova della sua incompletezza, cioè della presenza di variabili nascoste, il suo carattere non locale, considerato appunto paradossale. Nel 1964 John Bell dimostrò però con l'omonimo teorema che se esistessero variabili nascoste che rendessero la teoria locale, alcune configurazioni dovrebbero soddisfare determinate relazioni di disuguaglianza (Disuguaglianze di Bell) non previste dalla meccanica quantistica, ovvero i risultati delle due teorie sarebbero in parte diversi.
Tra i fisici che hanno proposto questo approccio vi è anche Albert Einstein, che pronunciò la famosa frase "Dio non gioca a dadi"[6] perché strenuamente convinto che una qualsiasi teoria fisica dovesse essere in grado di descrivere tutti gli elementi di realtà e che pertanto la meccanica quantistica fosse una parte di una teoria deterministica più fondamentale.
Alcuni fisici, come Alain Aspect e Paul Kwiat, hanno condotto sperimentazioni che hanno registrato violazioni delle disuguaglianze di Bell su 242 deviazioni standard[7], conseguendo un'eccellente certezza scientifica. Ciò depone a favore della meccanica quantistica nella sua interpretazione classica, escludendo teorie a variabili nascoste locali (rimane aperta la possibile esistenza di quelle non locali).
Esempi
Interpretazione di Bohm
È stata formulata da David Bohm nel 1952, a partire da una proposta di Louis de Broglie (Teoria dell'onda pilota) del 1927. Si tratta di un'interpretazione deterministica della meccanica quantistica, che ricorre alle variabili nascoste. L'interpretazione di Bohm prevede che a ogni particella sia associata un'onda fisica (detta onda pilota), che evolve in base all'equazione di Schrödinger. La traiettoria della particella è invece determinata dal potenziale quantico Q. Diversamente dall'interpretazione di Copenaghen, la funzione d'onda non collassa, né si può parlare di dualismo onda-particella: la particella e l'onda pilota sono entità entrambe reali e distinte, benché correlate. Secondo questa interpretazione nell'esperimento della doppia fenditura l'elettrone attraversa una sola delle due fenditure, mentre l'onda le attraversa entrambe.
Il "prezzo da pagare" per tale prospettiva è la rinuncia al principio di località. La teoria conduce poi a una visione più olistica, interattiva e reciprocamente penetrante del mondo. In effetti lo stesso Bohm ha sottolineato, nei suoi ultimi anni di attività, l'aspetto tipicamente olistico della teoria quantistica, avvicinandosi alle idee di Jiddu Krishnamurti e agli studi di Karl Pribram sul funzionamento del cervello. I conflitti con la teoria della relatività, non solo in termini di non-località, ma soprattutto per quanto riguarda l'invarianza di Lorentz, sono considerati dai sostenitori della fisica quantistica ortodossa come la principale debolezza della Interpretazione di Bohm.
La teoria di 't Hooft
Un altro tipo di teoria deterministica[8] è stata introdotta da Gerard 't Hooft, la cui proposta è stata motivata dai problemi che si incontrano quando si cerca di formulare una teoria unificata della gravità quantistica.
Risultati sperimentali
2007: misurazione di un sistema di molte particelle
Uno studio del 2007 ricostruisce un insieme di traiettorie medie di una particella "bohmiana" che corrispondono alle traiettorie previste dall'interpretazione bohmiana della meccanica quantistica[9].
Paradosso delle traiettorie surreali
Nel 2016 Aephraim Steinberg e la sua équipe della Università di Toronto pubblicano un articolo su Science Advances che risolve sperimentalmente il paradosso della traiettorie surreali dell'esperimento di Young utilizzando fotoni correlati (entangled)[10].
Note
- ^ A causa della legge di Born, l'indeterminatezza dello stato di un sistema prima della misurazione fa parte della formulazione matematica della meccanica quantistica. Inoltre, i limiti nella conoscenza di particolari coppie d'osservabili sono espressi in forma quantitativa dal principio di indeterminazione di Heisenberg.
- ^ Template:Cite pubblicazione
- ^ Template:Cite pubblicazione
- ^ M. Genovese, Research on hidden variable theories: A review of recent progresses, in Physics Reports, vol. 413, n. 6, 2005, pp. 319–396, Bibcode:..413..319G 2005PhR. ..413..319G, DOI:10.1016/j.physrep.2005.03.003, arXiv:quant-ph/0701071v1. }
- ^ A. Einstein, B. Podolsky and N.Rosen, Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete? (1935), Phys. Rev. 47, 777-780
- ^ Lettera a Max Born, 4 dicembre 1926, Albert Einstein Archives Archiviato il 19 agosto 2010 in Internet Archive., reel 8, item 180
- ^ P. G. Kwiat, et al. (1999) Ultrabright source of polarization-entangled photons, Physical Review A 60, R773-R776
- ^ Gerard 't Hooft (1999) Quantum Gravity as a Dissipative Deterministic System, Class. Quant. Grav. 16, 3263-3279
- ^ Risolto il paradosso delle traiettorie surreali dei fotoni, in lescienze.it, 22 febbraio 2016. URL consultato il 22 febbraio 2016.
- ^ (EN) Experimental nonlocal and surreal Bohmian trajectories, in Science Advances, American Association for the Advancement of Science. URL consultato il 22 febbraio 2016.
Voci correlate
- Meccanica quantistica
- Interpretazioni della meccanica quantistica
- Interpretazione di Bohm
- Teorema di Bell
Collegamenti esterni
- (EN) hidden variable, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.
