L'esperimento di scelta ritardata di Wheeler è un insieme di esperimenti mentali ideati da John Archibald Wheeler basati concettualmente su una rielaborazione dell'esperimento della doppia fenditura, alcuni dei quali eseguiti concretamente nel 1978 e nel 1984Mathematical Foundations of Quantum Theory, edited by A.R. Marlow, Academic Press, 1978. P, 39 lists seven experiments: double slit, microscope, split beam, tilt-teeth, radiation pattern, one-photon polarization, and polarization of paired photons..

Questi esperimenti tentano di stabilire se i fotoni in qualche modo siano in grado di "percepire" l'apparato sperimentale, assumendo uno stato coerente con esso, o se la loro configurazione è quella di uno stato indeterminato permanente, né onda né particella, che si manifesta con una delle due modalità in base a come vengono rilevati nel momento finale dell'esperimento.George Greenstein and Arthur Zajonc, The Quantum Challenge, p. 37f. In particolare alcune interpretazioni della teoria affermano che ogni fotone "deciderebbe autonomamente" se comportarsi come particella o come onda e poi, una volta entrato nel dispositivo sperimentale, potrebbe "cambiare" la propria configurazione comportandosi in modo opposto. L'intento di Wheeler era quello di indagare le condizioni relative al tempo in cui un fotone realizzerebbe questa transizione tra stati presunti. Tuttavia fu molto chiaro su questo punto: Questa tipologia di esperimenti si è rivelata molto difficile da realizzare, tuttavia se ne è dimostrata molto utile la teorizzazione, che ha portato i ricercatori a fornire "manifestazioni sempre più sofisticate della dualità onda-particella di ogni singolo quanto".Ma, Kofler, Qarry, Tetik, Scheidl, Ursin, Ramelow, Herbst, Ratschbacher, Fedrizzi, Jennewein, and Zeilinger, Quantum erasure with causally disconnected choice. p. 1 (PNAS, January 22, 2013, vol. 110, no. 4, pp. 1221–1226)Peruzzo, et al., "A quantum delayed choice experiment," arXiv:1205.4926v2 [quant-ph] 28 Jun 2012. This experiment uses Bell inequalities to replace the delayed choice devices, but it achieves the same experimental purpose in an elegant and convincing way."Entanglement-enabled delayed choice experiment." by Florian Kaiser, Thomas Coudreau, Perola Milman, Daniel B. Ostrowsky, and Sébastien Tanzilli, in arXiv:1206.4348v1

Introduzione

Secondo il principio di complementarità, un fotone può manifestarsi sia come particella che come onda, ma non entrambe nello stesso tempo. Questa caratteristica dipende dal fatto che gli sperimentatori utilizzano dispositivi destinati a osservare o particelle o onde.Edward G. Steward, Meccanica Quantistica:. Suo sviluppo precoce e la strada per Entanglement, p. 145 Quando quest'affermazione viene rigidamente applicata, si potrebbe sostenere che determinando il tipo di rivelatore si può costringere il fotone a manifestarsi solo come particella o solo come onda. Inoltre, il rilevamento di un fotone è un processo distruttivo perché un fotone non può mai essere osservato in volo. Quando un fotone viene rilevato, ad esempio, è assorbito da un elettrone all'interno di in un fotomoltiplicatore che, grazie alla sua energia attiva una cascata di eventi prodotti dal dispositivo. Un fotone appare sempre in un certo punto, molto localizzato, sia nel tempo che nello spazio. Negli apparati che rilevano i fotoni, le posizioni sugli schermi di rilevamento che indicano la ricezione del fotone, danno un'indicazione del fotone stesso, ma rilevano la natura di onda durante il volo dalla sorgente di fotoni al dispositivo di rilevamento. Per questo si dice comunemente che in un esperimento della doppia fenditura un fotone mostra la sua natura ondulatoria come se stesse passando attraverso entrambe le fessure e manifesta la sua natura particellare quando appare sullo schermo di rilevamento come scintillazione altamente localizzata.

Data l'interpretazione della fisica quantistica secondo la quale un fotone è sia nella sua veste di onda che nella sua veste di particella, la domanda sorge spontanea: "quando il fotone decide se sta viaggiando come onda o come particella?" Supponiamo un esperimento della doppia fenditura tradizionale preparato in modo che una delle fessure possa essere bloccata. Se entrambe le fenditure sono aperte e una serie di fotoni sono emessi dal laser, emergerà rapidamente sullo schermo di rivelazione un modello di interferenza. La configurazione di interferenza può essere spiegata solo come conseguenza di fenomeni ondulatori, così gli sperimentatori possono concludere che ciascun fotone appena emesso "decide" di viaggiare come onda. Se è disponibile solo una fessura allora non ci sarà alcun modello di interferenza.

Interferometro semplice

Per capire sperimentalmente se un fotone "decida" di agire come onda o come particella, è stato proposto di utilizzare il metodo interferometrico. Ecco un semplice diagramma schematico di un interferometro a due configurazioni: l'esperimento prevede l'invio di un singolo fotone dall'ingresso in basso a sinistra verso il divisore di fascio situato in basso a sinistra. Inoltre, in questo apparato sono presenti due rivelatori in alto a destra: uno intercetta l'eventuale fotone proveniente dal basso (fascio blu), l'altro intercetta l'eventuale fotone proveniente da sinistra (fascio rosso). Il fotone parte dall'angolo in basso a sinistra e le probabilità di trasmissione o di riflessione del fotone sul divisore di fascio sono identiche. Quindi, o il fotone continua dritto per poi essere riflesso dallo specchio in basso a destra (fascio blu), oppure è riflesso dal divisore e riflesso nuovamente dallo specchio in alto a sinistra (fascio rosso). Ripetendo l'esperimento molte volte, ogni rivelatore rileverà in media un numero uguale di fotoni, senza mostrare figure di interferenza e quindi rivelandone la natura corpuscolare.

Se l'apparato è modificato in modo che un secondo divisore di fascio sia posizionato nell'angolo superiore destro, i due rivelatori presenteranno effetti di interferenza. Questi fenomeni sono conseguenza della natura ondulatoria della luce. Si può altresì affermare che ogni fotone deve aver percorso entrambi i percorsi come onda; altra cosa sarebbe accaduta se il fotone non avesse interferito con se stesso.

Considerazioni Poiché nulla è cambiato dalla prima configurazione sperimentale alla seconda e poiché nel primo caso il fotone decide di "scegliere" di viaggiare come particella e nel secondo caso si dice che abbia "scelto" di viaggiare come onda, Wheeler vuole sapere se, in via sperimentale, può determinarsi quando il fotone abbia "deciso". Sarebbe possibile lasciare che un fotone passi attraverso la regione del primo divisore di fascio mentre non c'è un divisore nella seconda posizione, provocando così la "decisione" di viaggiare e poi lasciare rapidamente il secondo divisore di raggio nel suo percorso? Avendo presumibilmente viaggiato come particella fino a quel momento, sarebbe il divisore di fascio a farlo passare come fosse una particella se il secondo il divisore di fascio non ci fosse? Oppure, si comporterebbe come se il secondo divisore di fascio fosse sempre stato lì? Si sarebbero manifestati effetti di interferenza? E se ci fossero effetti di interferenza significa che deve essere andato indietro nel tempo e ha cambiato la sua decisione su come viaggiare, come una particella o come un'onda? Wheeler voleva indagare le diverse ipotesi per ottenere dei dati oggettivi.

Ad Albert Einstein non piacevano queste possibili conseguenze della meccanica quantistica.Anil Ananthaswamy, New Scientist 07 GENNAIO 2-13, p. 1f dice: Quando gli esperimenti furono finalmente messi a punto e ne consentirono la realizzazione, sia nella versione a doppia fenditura che nella versione con interferometro, fu definitivamente dimostrato che un fotone potrebbe iniziare la sua vita con una configurazione volta a dimostrare la sua natura particellare e finire in una configurazione ondulatoria. In questi esperimenti si potrebbero sempre dimostrare le caratteristiche ondulatorie anche interferendo con sé stesso. Inoltre, se l'esperimento fosse stato avviato con il secondo divisore di raggio e poi rimosso mentre il fotone era in volo, il fotone inevitabilmente si presenterebbe ad un rivelatore e non mostrerebbe alcun segno di interferenza. In questo modo la presenza o l'assenza del secondo divisore servirebbe per determinare se il fotone è un'onda o una particella. Molti sperimentatori hanno raggiunto un'interpretazione dei risultati sperimentali affermando che il cambiamento delle condizioni definitive sarebbe retroattivo, determinando ciò che il fotone ha "deciso" di essere solo nel momento in cui stava entrando il primo divisore. Come accennato in precedenza, Wheeler ha respinto questa interpretazione.

La versione di Wheeler dell'esperimento dell'interferometro non poteva essere eseguita in un laboratorio fino a poco tempo fa a causa della difficoltà pratica di inserire o rimuovere il secondo divisore di fascio nel breve intervallo di tempo tra la sua introduzione del primo divisore e il suo arrivo nella posizione prevista per il secondo divisore. Per questa realizzazione dell'esperimento vengono estese le lunghezze di entrambi i percorsi inserendo cavi in fibra ottica. Così facendo si rende l'intervallo di tempo in questione molto più lungo. Un dispositivo commutabile ad alta velocità su un percorso, costituito da un interruttore di alta tensione, un cell Pockel, e un prisma di Glan-Thompson, permettono di deviare tale percorso lontano dalla sua destinazione ordinaria così quel percorso giunge efficacemente a un vicolo cieco. Con la deviazione in funzione, nulla può raggiungere il rivelatore attraverso questa strada, quindi non ci può essere alcuna interferenza. Con esso spento il percorso riprende la sua normale modalità di azione e passa attraverso il secondo divisore, facendo riapparire l'interferenza. Con questa disposizione si ripristina la modalità ordinaria e passa attraverso il secondo divisore, ma non consente di passare da uno stato in cui l'interferenza non appare ad uno in cui l'interferenza appare, e farlo nell'intervallo di tempo tra la luce che entra lasciando il primo divisore e la luce che esce dal secondo divisore.

Interferometro cosmico

Nel tentativo di evitare di smantellare l'assioma di "causa ed effetto", alcuni teorici hanno suggerito che, se vi fosse o meno un secondo divisore di fascio installato e si potesse in qualche modo trasmettere di nuovo il fotone, inserendo tale dispositivo sperimentale, sarebbe possibile scoprire la "decisione". Così Wheeler ha proposto una versione cosmica del suo esperimento.

In questo esperimento mentale ci si chiede cosa accadrebbe se la luce di un quasar o di altri milioni di galassie a miliardi di anni luce di distanza dalla Terra passando vicino a una galassia si producesse una lente gravitazionale. Un fotone in viaggio verso la Terra avrebbe incontrato la distorsione dello spazio in prossimità di una galassia massiccia. A quel punto avrebbe dovuto "decidere" se passare attorno alla galassia (per effetto della lente gravitazionale) a destra o a sinistra, viaggiando come una particella o passare da entrambi i lati viaggiando come un'onda. Nel momento in cui il fotone arrivasse a un osservatorio astronomico a terra, cosa accadrebbe?