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Enigmi quantistici e ontologie del reale – Quaderni d’Altri Tempi


Su QuaderniAltriTempi una lunga esposizione di Roberto Paura sul tema della realtà in un ambito quantico. Un bell’estratto dell’incipit:

Nel 2004 Sir Roger Penrose – che nel 2020 ha coronato la sua carriera ricevendo il Nobel per la Fisica per le sue pionieristiche ricerche teoriche sui buchi neri e le singolarità che si celano al loro interno – pubblicò un tomo sbalorditivo per vastità, ricchezza di contenuti, originalità di pensiero e impegno mentale richiesto: The Road to Reality, in Italia La strada che porta alla realtà. Se l’intera nostra civiltà dovesse svanire in un prossimo futuro, ai nostri remoti discendenti o a esseri intelligenti provenienti dalle stelle basterebbe questo singolo libro per capire lo stato delle conoscenze umane riguardo la natura della realtà fisica. In quella summa della matematica, della geometria, della fisica, e persino della filosofia, Penrose non nascondeva che ci fossero molti punti oscuri. Tra tutti, il più misterioso è rappresentato dal problema della misura, o – detta con la terminologia di Penrose – l’incompatibilità tra le procedure quantistiche U e R. Che detta così sembra una questione per addetti ai lavori. Ma si tratta del più profondo problema che l’umanità si è trovata ad affrontare finora nel suo tentativo di comprendere la natura fondamentale della realtà.

Natura non facit saltus
Per U, Penrose indica l’unitarietà, vale a dire l’evoluzione deterministica di un fenomeno. L’unitarietà è alla base della fisica: qualsiasi processo fisico – dal lavoro compiuto da una leva alla rivoluzione dei pianeti intorno al Sole – rispetta leggi che permettono di predire perfettamente, date le condizioni iniziali al tempo t0, le condizioni finali al tempo t1. Anche la meccanica quantistica è, nella sua essenza, una teoria che rispetta U esattamente come tutte le altre: c’è una legge, la celebre equazione di Schrödinger, che descrive perfettamente l’evoluzione di un sistema quantistico (per esempio, una particella elementare) al passare del tempo.
Però, la meccanica quantistica prevede anche un altro meccanismo: R, che sta per riduzione; un processo noto anche come collasso della funzione d’onda o “misurazione”. Quest’ultimo termine spiega il suo significato: l’unitarietà è rispettata, nel mondo quantistico, solo finché un sistema quantistico non viene misurato (per esempio, da uno sperimentatore in laboratorio). Quando ciò accade, la sua evoluzione non ha più nulla di deterministico e assume un aspetto meramente probabilistico: un elettrone che prima si trovava in un punto nell’orbitale atomico ora potrà trovarsi in un altro punto, un fotone emesso da una sorgente laser potrà trovarsi in qualsiasi punto della stanza o persino in un’altra parte del mondo. Tutto ciò che possiamo sapere è che esiste un’elevata probabilità di trovarlo in un punto anziché un altro: ma è solo una probabilità.
Che cosa produce questo misterioso “salto” dal determinismo della fisica classica, a cui nella sua essenza anche la meccanica quantistica sembra obbedire, all’aspetto probabilistico che misuriamo nella realtà? Cosa produce la riduzione, il collasso dello stato quantistico? Hic sunt leones.
Se la stragrande maggioranza della comunità dei fisici che ha a che fare con i fenomeni quantistici non si pone simili domande e preferisce un approccio puramente operativo al problema (“zitto e calcola”, vale a dire che l’importante è che alla fine i calcoli diano i risultati attesi), Penrose rientra in quella minoranza che potremmo definire degli ultimi “filosofi naturali”, a cui non basta conoscere il come, ma che cercano di capire il perché, e soprattutto rispondere alla domanda fondamentale: che cosa è la realtà?

La guerra dei fondamenti
“La realtà è uno stato di allucinazione tra una sbronza e l’alta”, afferma un vecchio detto irlandese ricordato dal giornalista e scrittore di scienza Pietro Greco nel suo Quanti. La straordinaria storia della meccanica quantistica (2020). “La realtà è invece il grande tema che ha attraversato (e continua ad attraversare) lo sviluppo della fisica dei quanti”, continua l’autore. “Una grande storia, che non si è ancora conclusa”. Mentre infatti le storie canoniche della rivoluzione dei quanti si fermano quasi sempre agli anni Trenta, l’epoca in cui Erwin Schrödinger perviene al suo elegante formalismo della funzione d’onda su cui si fonda la moderna meccanica quantistica, al più con qualche incursione fino al teorema di John Stewart Bell che confermò la natura paradossale dei quanti, Greco mostra che la guerra sui fondamenti della meccanica quantistica e quindi sulla sua interpretazione “non è finita con Einstein, Bohr e Heisenberg, e neppure con Bell: anzi, è ancora in corso. Ed è una guerra «hobbesiana di tutti contro tutti»”, afferma citando George Musser, autore di un’eccellente ricostruzione del dibattito moderno, Inquietanti azioni a distanza (2019). A dimostrare l’assunto di Greco sono due titoli recenti di due nomi noti della fisica teorica e della divulgazione scientifica contemporanea che, come Penrose, potremmo definire “filosofi naturali”: Sean Caroll e Carlo Rovelli.
Il primo fisico teorico e cosmologo presso il California Institute of Technology, autore di best-seller come Dall’eternità a qui (2012) e The Big Picture (2016); il secondo fisico teorico presso l’Università di Marsiglia, diventato una star dopo l’uscita delle sue Sette brevi lezioni di fisica (2014) e L’ordine del tempo (2017).
Le loro visioni sul problema della riduzione e sulla natura ultima della realtà non potrebbero essere più diverse: in Qualcosa di nascosto a fondo, Carroll si schiera infatti dalla parte della più eccentrica delle interpretazioni della meccanica quantistica, quella dei “molti mondi” (many worlds) che presuppone l’esistenza di molteplici realtà ciascuna con il suo punto di vista privilegiato; mentre Rovelli, in Helgoland, difende la sua interpretazione relazionista della fisica, che presuppone invece l’esistenza di una sola realtà ma di molteplici punti di vista.

Uno, nessuno, centomila
“La meccanica quantistica è l’unica tra le teorie fisiche a tracciare un’apparente distinzione tra ciò che vediamo e ciò che succede veramente”, spiega Carroll in apertura al suo libro. Ma, afferma, già negli anni Cinquanta del secolo scorso venne formulata un’interpretazione in grado di risolvere questa contraddizione: la formulazione dei molti mondi dovuta a Hugh Everett III. L’idea è semplice: non esiste R, ossia non c’è nessuna riduzione del sistema quantistico, nessun collasso della funzione d’onda di Schrödinger. Esiste solo U. Il fatto che nel processo di misurazione l’osservatore si imbatte in una discontinuità che rende l’esito della misurazione probabilistico è dovuto al fatto che il suo punto di vista gli impedisce di osservare che l’evoluzione deterministica del sistema quantistico procede indisturbata in altre realtà, parallele alla sua ma irraggiungibili. Detta in altri termini, se un elettrone può trovarsi in ogni punto dell’orbitale atomico e lo sperimentatore lo misura in una posizione anziché l’altra, ciò non toglie che in altri piani della realtà l’elettrone si trovi in un altro punto, dove un altro sperimentatore lo misurerà.

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