Si definisce effetto o esperimento Elitzur-Vaidman (da Avshalom Elitzur e Lev Vaidman dell'Università di Tel Aviv, i primi a trattarlo teoricamente) ogni procedura che permetta di rilevare empiricamente, con modalità quantomeccanica, un qualsiasi elemento/bersaglio senza che alcun indicatore, di qualunque genere e natura (materia o radiazione), abbia interazione con esso: possibilità, questa, esclusa dalla meccanica classica (pre-quantistica).Quanto qui e nel prosieguo della pagina è riportato ha per riferimento le fonti testuali: Paul Kwiat, Harald Weinfurter e Anton Zeilinger "Vedere nel buio con la meccanica quantistica" in "Fenomeni Quantistici", Le Scienze-quaderni volume n.112, 2000. Roger Penrose "La mente nuova dell'imperatore" cap.6 pp 295 a 315, Superbur Scienza 2001. E per estrapolazioni informative: Colin Bruce "I conigli di Schrödinger", Raffaello Cortina Editore -2006; vedi pure bibliografia.
L'essenziale schema del procedimento è contemplabile nelle funzioni dell'interferometro di Mach-Zehnder, col quale si può esaminare la dinamica di osservabili quantici che devono muoversi (diretti mediante strumentazione ottica), con equivalenti probabilità, su corsi alternativi (in genere due) predisposti nel suo apparato; senza che, nei punti chiave per l'esito raggiungibile, le proprietà casualmente assunte dagli osservabili (l'alea della casualità è importante) vengano misurati. La tappa conclusiva della prova determina l'attivazione distinta di sensori posti all'uscita dopo ognuno dei tragitti praticabili dall'oggetto quantico operativamente impiegato. La segnalazione di qualcuno dei sensori/rivelatori attesta le proprietà risultanti di tale osservabile (in questo tipo di osservazione una quantità elettromagnetica) in merito a previsioni corrispondenti a relative ipotesi pre-elaborate.
La descrizione in dettaglio del processo può tornar utile al chiarimento della peculiarità quantomeccanica, teorica e pratica, e di alcune sue basiche previsioni divergenti da quelle fisico/classiche.
Quadro teorico Il principio è uno sviluppo del processo di diffrazione nell' "archetipico" esperimento della doppia fenditura" (in versione quantomeccanica), in cui un raggio di luce è trasmesso verso alcune fessure/aperture (in genere in quantistica se ne provano due e quattro) commisurate affinché esso possa imboccarle entrambe. Per l'esecuzione dell'esperimento l'intensità (elettromagnetica) emessa può consistere anche d'un solo quanto alla volta (inteso come "unità d'energia localizzabile e discreta"), il fotone (ovviamente senz'energia o materia incidentalmente interposta che lo disturbi). [Per raggiungere il non facile scopo (visto che una consueta lampada da qualche decina di watt emette al secondo una cifra di fotoni numerabile con 1 seguito da 19-20 zeri) si minimizza al massimo un monocromatico impulso di luce.] Va sottolineato che ogni fascio di raggi può venir spezzato, diviso o percepito parzialmente, ma non ogni singolo quanto fotonico di cui è composto: "...non si riceve mai l'energia di solo mezzo fotone...o di qualsiasi altra frazione di fotone" (in ossequio al principio formulato da Planck)]. Se non s'osserva nessuna di suddette fessure aperte, ignorando dunque in quale va il raggio quantico, allora è come se esso l'attraversasse tutte simultaneamente, interferendo con sé stesso e proiettando la corrispondente configurazione su un'eventuale lastra fotosensibile finale. Se v rappresenta la possibilità di superare una fenditura(α) e w l'altra(β) (in quantistica v e w implicano anche quantità espresse in numeri complessi) vuol dire che si concretizza realmente la rispettiva somma di ampiezze di probabilità = v per (α) + w per (β) (in condizione normalizzata per cui i relativi moduli |v|2 + |w|2 = 1) Infatti raddoppiando le fenditure le aree buie causate da interferenza distruttiva aumentano invece di ridursi. (Tali criteri sono empiricamente confermati per particelle dotate di massa e loro legami almeno fin alla dimensione d'una molecola).
Qui il basilare interferometro "Mach-Zehnder" subentra per l'utilità che offre la funzione del suo circuito interno, configurabile in due tracciati prestabiliti. Circuito ottico ove soli quattro specchi di due semplici tipologie sono in grado, guidando appositamente l'impulso elettromagnetico coerente (o anche un unico fotone) di biforcarne probabilisticamente il tragitto, mostrando la correttezza di quest'originale aspetto della dinamica quantomeccanica. Definiamo che le due metà del circuito, percorribile dai raggi, siano geometricamente speculari una all'altra. Fino alla soglia d'uscita in cui i probabili percorsi seguiti convergono, permettendo alla luce, precedentemente scissa in separate vie, di riacquisire le caratteristiche (orientamento, polarità, ecc.) possedute al suo iniziale ingresso. Se ciò avviene la traiettoria del raggio fuoriesce con la stessa direzione avuta al momento in cui lasciò la sorgente (consideriamo un laser) esterna, dando ragione alle previsioni teoriche.
Per meglio valutare l'effetto (Elitzur-Vaidman) è bene osservare i processi d'una sola particella (o quanto) di luce: visualizzando idealmente il singolo fotone f come una minuscola sfera indivisibile, e delineandone il moto in rapporto a ognuna delle due tipologie di specchi con cui qui esso potrà interagire. Uno specchio con riflessione completa e uno semiargentato: qui la notazione (S) denota quello su cui f rimbalza sempre e (S-1/2) l'altro semiargentato, ponendo che quest'ultimo sia preparato per riflettere luce solo al 50% e per l'altro 50% resti trasparente.
Quindi f nel contatto con (S) viene sempre completamente deviato nella traiettoria/direzione spaziale determinata da (S); se invece f interseca (S-1/2) il suo cammino si complica: ché se casualmente ne tocca la metà trasparente la oltrepasserà senza difficoltà, se invece si trova intercettato dalla metà argentata rimbalzerà mutando traiettoria e dirigendosi sull'altra via praticabile. In sintesi: incontrando (S-1/2) f ha medesime probabilità (il 50% per ciascun caso) o di venir riflesso oppure di proseguire tenendo la sua precedente e iniziale andatura. Questo coincide con la teoria non quantistica e classica, ma poiché per essa f può imboccare, sempre, solo una delle vie suddette, esiste la peculiare condizione in cui le attese della prospettiva classica e di quella quantomeccanica si differenziano.
Ciò avviene se manca l'atto osservativo dell'influenza di (S-1/2) su f: ovvero se, nello specifico, rimane indistinta qual è la sua traiettoria/direzione risultante fra le due disponibili. Allora qui, almeno ai soli fini del calcolo per gli esiti ottenibili: il singolo f è come se si spostasse lungo ambedue i percorsi successivamente correlati all'incontro con (S-1/2). È come se proseguisse lungo il tratto in cui non subirebbe variazioni di rotta e, simultaneamente, anche in quello che gli sarebbe imposto dalla totale riflessione. [Tale fenomenica emerge pure per eventi dello stesso genere (con analoghi mezzi e sistemi quantici): fuori, e a prescindere, da qualsiasi apparato-contenitore.]
Forma e essenziali disposizioni strumentali Si visualizzi una semplice struttura quadrangolare con lati L uguali. Lati (da sinistra verso destra) con i punti angolari: ABCD. Le linee direzionali (delle traiettorie possibili), siglate con (dr), sono parallele a ogni L: LAB, LDC, LAD, LBC. Nell'esperimento la direzione (dr) dei percorsi ha la traiettoria costantemente orientata verso lo specchio semiriflettente(S-1/2), fissato all'ultimo angolo C. Così l'insieme di L costituisce un circuito(c) che si sviluppa in due tracciati opposti spazialmente alternativi, ma con forma e misura uguali. La via ABC e quella ADC. All'interno di (c) sono preposti i suindicati quattro specchi: nell'angolo A un (S-1/2), in B e in D un (S) e infine un altro (S-1/2) in C. Così ogni specchio è diagonalmente opposto a uno del proprio medesimo tipo.
Fuori dal quadrato(c), in prossimità di A, un laser mira con traiettoria d'emissione verso LAB; all'altro estremo, e subito esterni a C, 2 rivelatori: Rx e Ry individuano la direzione (dr) d'un fotone f che esca dal quadrato. Rx sta sul prolungamento ideale di LDC, Ry su quello di LBC: perciò sono collocati a 90° uno rispetto all'altro. In A, presso lo specchio(S-1/2), s'apre un canale d'ingresso, secondo la (dr) di f e presso l'altro (S-1/2), in C, c'è quello d'uscita: dove però f può indirizzarsi sia a Rx sia a Ry. Si noti che emittente laser e rivelatore Rx mirano (pur se oppostamente) sulla stessa traiettoria direzionale, definiamola (drx): in quanto LAB e LDC sono reciprocamente paralleli. Di conseguenza l'altro rivelatore(Ry) si trova in (dry), cioè in linea con LBC. Infine s'implica che qui ogni specchio qualora e quando rifletta f ne ruoti pure di 90° la (dr).
Operazioni e responsi Di seguito sono schematizzati svolgimenti e risultanze dei movimenti della particella f nell'intero tragitto interferometrico: somma delle due vie di (c) = ABC+ADC. Per economicità descrittiva stabiliamo che in ciascuno dei casi f venga emesso con direzione(drx), siglando l'insieme come f(drx), rispetto all'alternativa f(dry). Vicino all'uscita C si trova un osservatore esterno O, che interpreta i diversi esiti segnalati dai due rivelatori Rx e Ry. [Si elencano, di seguito, i casi essenziali aventi la certezza di realizzarsi nell'ambito di più test sperimentali finalizzati all'effetto suindicato e non le risultanze empiriche che in dettaglio nella sequenza di tali quattro prove necessariamente si otterrebbero consecutivamente.
S'inizia con il test (o osservazione sperimentale) fondamentale (e rappresentativo dei parametri quantici) per questa serie: essendo termine di paragone per quelle successive. [Qui il segno >> indica il moto delle traiettorie del singolo fotone f incontro a ogni punto; e f(drx), f(dry) sono le direzioni che esso segue o può seguire.
Primo test In ciascun tratto L del circuito(c), eccetto gli specchi in A B D C, non sono interposti altri oggetti: quindi (c) non è interrotto e ogni sua parte è equivalente all'altra. Allora viene emesso f(drx) che entra nel circuito(c) passando per A; lì incidendo (S-1/2) il suo cammino si biforca: sia risultando riflesso verso D incontro a (S), come f(dry) >> (S)D; sia risultando trasmesso attraverso (S-1/2) e incontro a (S)B: cioè f(drx) >> (S)B. Poi f(dry) riflesso e deviato da (S)D ridiventa f(drx) e va come f(drx) >> (S-1/2)C; mentre f(drx) riflesso da (S)C devia come f(dry) >> (S-1/2)C. Di conseguenza f(drx) e f(dry) si congiungono in (S-1/2)C: e qui f lo attraversa (risultando trasmesso con identica traiettoria di quando fu emesso). Così f esce come f(drx) >> Rx: e coerentemente Rx lo segnala. L'esito di tale stato finale è "vincolato" essendo determinato dalla meccanica dei quanti.
L'osservatore O, che ignorava la (dr) d'emissione, qualora sappia che (c) non è interrotto, ora deduce giustamente che a qualsiasi distanza spaziale (anche astronomica) si trovi l'emittente e la rispettiva entrata A: f fu emesso con direzione(drx). Si noti che questa deduzione non sarebbe ottenibile nella dinamica classica: per essa il singolo f andrebbe sempre e solo in una delle vie disponibili e imboccando l'uscita (S-1/2)C acquisirebbe una o l'altra (dr) facendo scattare imprevedibilmente Rx o Ry, e lasciando O disinformato sullo stato iniziale di f. Si rammenta che si è scelto che tale emissione: (drx) >> A, sia la stessa in tutte le prove qui e di seguito elencate.
Secondo test