L'occhio umano potrebbe aiutare a testare la meccanica quant

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L'occhio umano potrebbe aiutare a testare la meccanica quant

Messaggioda Bron ElGram » venerdì 13 luglio 2018, 19:20


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L'occhio umano potrebbe aiutare a testare la meccanica quantistica

Esperimenti che cercano di confermare se possiamo vedere singoli fotoni offrono nuove strade per sondare la nostra comprensione degli aspetti fondamentali della meccanica quantistica che riguardano la natura della misurazione e il ruolo degli osservatoridi Anil Ananthaswamy/Scientific American

Paul Kwiat chiede ai suoi volontari di sedersi in una piccola stanza buia. Mentre i loro occhi si adattano alla mancanza di luce, ogni volontario poggia la testa su una mentoniera – come si fa da un oculista – e osserva con un occhio una flebile croce rossa. Su entrambi i lati della croce c’è una fibra ottica, posizionata per inviare un singolo fotone di luce sul lato sinistro o destro dell’occhio di un volontario.

Anche se sta verificando la capacità dell’occhio umano di rilevare singoli fotoni, Kwiat, fisico quantistico sperimentale dell’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign, e i suoi colleghi, stanno puntando più in alto: usare la visione umana per studiare i fondamenti della meccanica quantistica, secondo un articolo che hanno inviato al server di preprint arXiv il 21 giugno.

Invece di inviare semplicemente singoli fotoni verso l’occhio di un volontario attraverso la fibra sinistra o destra, l’idea è di inviare una sovrapposizione quantistica di fotoni in grado attraversare efficacemente entrambe le fibre simultaneamente. Gli esseri umani vedranno qualche differenza? Secondo la meccanica quantistica standard no, ma un simile test non è mai stato fatto. Se il gruppo di Kwiat producesse risultati conclusivi che mostrano il contrario, si metterebbe in discussione la nostra attuale comprensione del mondo quantistico, aprendo la porta a teorie alternative che sostengono una visione drasticamente diversa della natura in cui la realtà esiste indipendentemente da osservazioni od osservatori, cioè contraria a come la meccanica quantistica è interpretata oggi. “Potrebbe essere la prova che qualcosa sta accadendo oltre la meccanica quantistica standard”, dice Rebecca Holmes, ex studentessa di Kwiat che ha progettato l’apparato sperimentale e che ora è
ricercatrice al Los Alamos National Laboratory.

Il progetto di determinare se gli esseri umani possano rilevare direttamente singoli fotoni ha una storia antica. Nel 1941 i ricercatori della Columbia University riferirono su “Science” che l’occhio umano può vedere un lampo di soli cinque fotoni che colpiscono la retina. Più di trent’anni dopo, Barbara Sakitt, biofisica dell’Università della California a Berkeley, effettuò esperimenti che indicarono che l’occhio può vedere un singolo fotone. Ma quegli esperimenti erano tutt’altro che conclusivi. “Il problema di tutti questi studi è che usavano sorgenti di luce ‘classiche’ che non emettono in modo affidabile singoli fotoni”, dice Holmes. In altre parole, non c’è alcuna garanzia che ognuna di queste prime prove riguardasse proprio un singolo fotone.

Poi, nel 2012, è arrivata la chiara prova che i singoli fotorecettori, o bastoncelli, possono rilevare singoli fotoni, almeno negli occhi di una rana. Leonid Krivitsky dell’Agency for Science, Technology and Research di Singapore e colleghi hanno estratto bastoncelli dagli occhi delle rane adulte e hanno eseguito test di laboratorio che hanno dimostrato che le cellule reagivano ai fotoni. Ora, “non c’è alcun dubbio che i singoli fotorecettori rispondono ai singoli fotoni”, afferma Kwiat. Ciò non equivale a dire che quei bastoncelli fanno lo stesso in una rana vivente o, addirittura, in un essere umano. Così Kwiat, insieme col collega fisico dell’Illinois Anthony Leggett e altri, ha iniziato a immaginare test di visione umana usando sorgenti di singoli fotoni. Ben presto il gruppo di Kwiat, che a quel punto comprendeva Holmes, ha iniziato effettivamente a sperimentare. Ma “ci siamo battuti per arrivare a questo”, dice Holmes.

Nel 2016 un gruppo guidato dal biofisico Alipasha Vaziri, allora all’Università di Vienna, ha riferito di aver usato sorgenti di singoli fotoni per mostrare che “gli esseri umani possono rilevare un singolo fotone che incide sui loro occhi con una probabilità significativamente superiore al caso”.

Il gruppo di Kwiat, un po’ scettico sul risultato, vuole migliorare le statistiche facendo un numero molto più grande di prove con molti più soggetti. La sua preoccupazione principale è la bassa efficienza dell’occhio come rivelatore di fotoni. Qualsiasi fotone incidente deve superare la cornea, lo strato esterno trasparente dell’occhio, che riflette parte della luce. Il fotone poi entra in una lente che, insieme alla cornea, focalizza la luce sulla retina nella parte posteriore dell’occhio. Ma tra lente e retina c’è una sostanza chiara simile a un gel che dà all’occhio la sua forma, e anch’essa può assorbire o deviare il fotone. In effetti, meno del dieci per cento dei fotoni che colpiscono la cornea raggiunge i bastoncelli nella retina e sono tradotti in segnali nervosi che viaggiano nel cervello, determinando la percezione. Quindi ottenere risultati statisticamente significativi che si elevano al di sopra del caso è una sfida scoraggiante. “Nei prossimi sei mesi speriamo di avere una risposta definitiva”, afferma Kwiat.

Questo non ha impedito loro di sognare nuovi esperimenti. Nella configurazione standard, uno specchio semiriflettente dirige un fotone verso la fibra sinistra o destra. Il fotone quindi incide su un lato o sull’altro della retina di un volontario, e il soggetto deve indicare quale usando una tastiera. Ma è banale (usando l’ottica quantistica) mettere il fotone in una sovrapposizione per farlo andare attraverso entrambe le fibre, e su entrambi i lati dell’occhio, contemporaneamente. Quello che succede in seguito dipende da quello che si ritiene accadere al fotone.

I fisici descrivono lo stato quantistico di un fotone usando un’astrazione matematica chiamata funzione d’onda. Prima che il fotone sovrapposto colpisca l’occhio, la sua funzione d’onda si espande e il fotone ha la stessa probabilità di essere visto a sinistra o a destra. L’interazione del fotone con il sistema visivo agisce come una misurazione che si pensa faccia “collassare” la funzione d’onda, e il fotone finisce casualmente su un lato o sull’altro, come una moneta lanciata che cade su “croce” o su “testa”. Gli esseri umani vedono una differenza nei conteggi dei fotoni a sinistra rispetto a destra quando percepiscono i fotoni sovrapposti rispetto ai fotoni negli stati classici? “Se credi nella meccanica quantistica, non dovrebbe esserci differenza”, afferma Kwiat. Ma se il loro esperimento trova una differenza incontestabile, statisticamente significativa, ciò segnalerebbe qualcosa di sbagliato nella fisica quantistica. “Sarebbe un grande colpo, un risultato abbastanza sconvolgente”, aggiunge. Un risultato che punta a una possibile soluzione della questione centrale della meccanica quantistica: il cosiddetto problema della misurazione. Non c’è nulla nella teoria che specifichi in che modo le misurazioni possono far collassare la funzione d’onda, se effettivamente le funzioni d’onda collassano. Quanto dovrebbe essere grande l’apparecchio di misurazione? Nel caso dell’occhio, sarebbe un singolo bastoncello? Oppure occorre l’intera retina? E che dire della cornea? Un osservatore consapevole dovrebbe entrare in lizza?

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Ologramma di un singolo fotone: ricostruito da misure grezze (sinistra) e teoricamente predetto (destra). (Cortesia FUW)


Alcune teorie alternative risolvono questo potenziale problema invocando il collasso indipendentemente dagli osservatori e dai dispositivi di misurazione. Si consideri, per esempio, il modello di collasso “GRW” (che prende il nome dai fisici teorici italiani Giancarlo Ghirardi, Alberto Rimini e Tullio Weber). Il modello GRW e le sue numerose varianti presentano funzioni d’onda che collassano spontaneamente; quanto più è massiccio l’oggetto in sovrapposizione, tanto più veloce è il suo collasso. Una conseguenza di ciò sarebbe che le singole particelle potrebbero rimanere in sovrapposizione per tempi interminabilmente lunghi, mentre gli oggetti macroscopici non potrebbero. Quindi, nella teoria GRW il famigerato gatto di Schrödinger non può mai essere in una sovrapposizione di stati vivo e morto. Invece, è sempre morto o vivo e scopriamo il suo stato solo quando lo guardiamo. Si dice che tali teorie siano modelli di realtà “indipendenti dall’osservatore”.

Se una teoria del collasso di tipo GRW fosse la descrizione corretta della natura, questo potrebbe sconvolgere quasi un secolo di pensiero che ha cercato di argomentare che l’osservazione e la misurazione sono fondamentali per la formazione della realtà. In modo cruciale, quando il fotone sovrapposto incide su un occhio, la teoria GRW prevedrebbe conteggi fotonici sempre leggermente diversi per il lato sinistro e destro dell’occhio rispetto alla meccanica quantistica standard. Ciò è dovuto al fatto che i sistemi di dimensioni diverse nei vari stadi dell’elaborazione del fotone, come due proteine sensibili alla luce in due bastoncelli o due gruppi di bastoncelli e i nervi associati nella retina, mostrerebbero tassi di collasso spontanei diversi dopo l’interazione con un fotone. Anche se Kwiat e Holmes sottolineano che è altamente improbabile osservare una differenza nei loro esperimenti, riconoscono che qualsiasi deviazione osservata potrebbe suggerire teorie GRW.

Michael Hall, fisico quantistico teorico dell’Australian National University che non ha partecipato allo studio, concorda sul fatto che la GRW prevederebbe una deviazione molto piccola nei conteggi dei fotoni, ma afferma che quelle deviazioni sarebbero troppo piccole per essere rilevate dall’esperimento proposto. Tuttavia, pensa che qualsiasi aberrazione nei conteggi dei fotoni meriterebbe attenzione. “Sarebbe un problema piuttosto serio. Lo trovo improbabile ma possibile”, dice. “Sarebbe assai interessante”.

Kwiat s’interroga anche sulla percezione soggettiva degli stati quantistici rispetto agli stati classici. “C’è qualche differenza percettiva da parte della persona quando osserva direttamente un evento quantistico?”, si chiede. “La risposta è ‘probabilmente no’, ma non lo sappiamo davvero. Non puoi conoscere la risposta a questa domanda, a meno che tu non abbia un modello fisico completo fino al livello quantomeccanico di quello che sta accadendo nel sistema visivo umano - che non abbiamo - o a meno che si effettui un esperimento”.

Robert Prevedel, un membro del gruppo di Vaziri del 2016 che è ora allo European Molecular Biology Laboratory in Germania, è più interessato a capire esattamente dove nella catena di eventi si verifica il collasso. All’inizio, quando un fotone colpisce un bastoncello? O nel mezzo, con la generazione e la trasmissione di segnali neurali? O alla fine, quando i segnali sono registrati nella percezione cosciente? Prevedel suggerisce di far incidere fotoni sovrapposti su retine estratte e di effettuare misurazioni a diversi livelli di elaborazione visiva (per esempio, sui bastoncelli o sui diversi tipi di fotorecettori che compongono la retina) per vedere quanto dura la sovrapposizione.

Prevedel pensa che il primo assorbimento da parte di un bastoncello dovrebbe distruggere la sovrapposizione del fotone. Ma “se potessimo vedere una sovrapposizione quantistica in uno qualsiasi dei livelli successivi all’interno dei diversi strati di cellule nella retina, o in qualsiasi circuito neuronale a valle, sarebbe davvero una svolta”, dice. “Sarebbe un risultato sorprendente.”

C’è, naturalmente, un problema enorme che non può essere ignorato: la coscienza umana. La percezione cosciente potrebbe alla fine causare il collasso dello stato quantistico, facendo apparire il fotone su uno o sull’altro lato? Prevedel dubita che la coscienza abbia qualcosa a che fare con la misurazione e il collasso.

“La coscienza emerge nel nostro cervello come effetto combinato di milioni, se non miliardi, di cellule e neuroni. Se c’è un ruolo della coscienza nella rilevazione della sovrapposizione quantistica, coinvolgerebbe un oggetto macroscopico a livello dell’intero cervello, cioè un enorme insieme di atomi ed elettroni che costituiscono le cellule biologiche “, dice Prevedel. “Da quello che sappiamo, questo tipo di oggetto macroscopico non sarebbe in grado di sostenere la sovrapposizione quantistica.”

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(L'originale di questo articolo è stato pubblicato su "Scientific American" il 10 luglio 2018. Traduzione ed editing a cura di Le Scienze. Riproduzione autorizzata, tutti i diritti riservati.)

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