Come la migliore alternativa alla “spettralità quantistica” è fallita

La speranza di evitare la necessità della “spettralità quantistica” è stata sostenuta da molti, incluso Einstein, con l’alternativa più convincente al determinismo proposta da Louis de Broglie e David Bohm. Decenni dopo, la meccanica bohmiana è stata finalmente sottoposta a un test sperimentale, dove ha fallito in modo spettacolare.

Vediamo perché.

Per tutta la storia, c’è stato un presupposto di fondo, ma non detto, sulle leggi che governano l’Universo: che se conosci abbastanza informazioni su qualsiasi sistema con cui hai a che fare, puoi prevedere esattamente come quel sistema si comporterà in futuro.

Questo è ciò che significa deterministico: se conosci abbastanza informazioni, puoi determinare quali saranno le sue proprietà non solo ora, ma per tutto il percorso che desideri calcolare. Le classiche equazioni del moto – le leggi di Newton – sono completamente deterministiche. Le leggi di gravità, sia di Newton che di Einstein, sono completamente deterministiche. Anche le equazioni di Maxwell, che governano l’elettricità e il magnetismo, sono deterministiche al 100%.

Ma quell’immagine dell’Universo è stata capovolta con una serie di scoperte iniziate alla fine del 1800. A partire dalla radioattività e dal decadimento radioattivo, l’umanità ha lentamente scoperto la natura quantistica della realtà, mettendo in dubbio l’idea che viviamo in un Universo deterministico. In modo predittivo, molti aspetti della realtà potrebbero essere discussi solo in modo statistico: dove potrebbe essere presentato un insieme di risultati probabili, ma quale si verificherà, e quando, non può essere stabilito con precisione.

Ci sono tutti i tipi di esperimenti che possiamo eseguire che illustrano la natura indeterminata della nostra realtà quantistica.

L’elenco di esperimenti che mostrano questo tipo di stranezza o spettralità quantistica è lungo e questi esempi sono tutt’altro che esaustivi. Questo comportamento intrinsecamente quantistico si manifesta in tutti i tipi di sistemi fisici, sia per singole particelle che per complessi sistemi di particelle, in una varietà di condizioni. Sebbene i fisici siano stati in grado di scrivere le regole e le equazioni che governano questi sistemi quantistici, tra cui il principio di esclusione di Pauli, il principio di indeterminazione di Heisenberg, l’equazione di Schrodinger e molti altri, il fatto è che solo un insieme di condizioni e risultati probabili può essere previsto in assenza di una misurazione.

In qualche modo, nei sistemi quantistici, l’atto di effettuare una misurazione sembra essere un fattore molto importante, in contrasto con l’idea che abitiamo una sorta di “realtà indipendente” che è indipendente dall’osservatore. Le proprietà di un sistema fisico che in precedenza erano state trattate come intrinseche e immutabili – proprietà come posizione, quantità di moto, momento angolare o persino l’energia di una particella – diventano improvvisamente conoscibili solo con una certa precisione. Inoltre, l’atto di misurare quelle proprietà, che richiede un’interazione con un altro quanto di qualche tipo, modifica fondamentalmente, o forse addirittura determina, quei valori, aumentando contemporaneamente l’indeterminismo e/o le incertezze di altri parametri misurabili.

L’idea centrale dietro quella che oggi chiamiamo l’Interpretazione di Copenaghen della meccanica quantistica, che è il modo standard con cui si insegna agli studenti di fisica a concepire l’Universo quantistico, è che nulla è certo fino a quel momento critico in cui si verifica un’osservazione. Tutto ciò che non può essere calcolato esattamente da ciò che è già noto è descrivibile da una sorta di funzione d’onda – un’onda che codifica un continuum di risultati più probabili e meno probabili – fino al momento critico in cui viene effettuata la misurazione. In quel preciso istante, la descrizione della funzione d’onda viene sostituita da un’unica realtà ormai determinata: quello che alcuni descrivono come un collasso della funzione d’onda.

È questo livello di stranezza, o “spettralità”, che era così discutibile per molti. Einstein era forse il più famoso, inorridito all’idea che in qualche modo la realtà fosse di natura casuale e che gli effetti potessero verificarsi – come un membro di una coppia di atomi identici che decade mentre l’altro no – senza una causa identificabile. In molti modi, questa posizione è stata riassunta in una famosa osservazione attribuita a Einstein: “Dio non gioca a dadi con l’Universo“. Mentre lo stesso Einstein non ha mai avuto un’alternativa, uno dei suoi contemporanei (e di Bohr) aveva invece un’idea su come potesse funzionare la realtà: Louis de Broglie.

Agli albori della meccanica quantistica, de Broglie divenne famoso per aver dimostrato che non era semplicemente la luce a possedere una doppia natura ed essere simultaneamente simile a un’onda e a una particella, ma che la materia stessa avrebbe una natura simile a un’onda quando sottoposta a alle corrette condizioni quantistiche. La sua formula per calcolare la lunghezza d’onda delle “onde di materia” è ancora ampiamente usata oggi.

Nella versione di de Broglie della fisica quantistica, c’erano sempre particelle concrete, con posizioni definite (ma non sempre ben misurate), che sono guidate attraverso lo spazio da queste funzioni d’onda quantomeccaniche: che lui chiamava “onde pilota“. Sebbene la versione di de Broglie della fisica quantistica non potesse descrivere sistemi con più di una particella e soffrisse della sfida di non essere in grado di misurare o identificare con precisione ciò che era “fisico” nell’onda pilota, rappresentava un’interessante alternativa all’onda pilota dell’interpretazione di Copenaghen.

Invece di essere governati dalle strane regole della spettralità quantistica, c’era una realtà nascosta completamente deterministica. Molte delle idee di de Broglie sono state ampliate da altri ricercatori, che hanno tutti cercato di scoprire un’alternativa meno “spettrale” alla realtà quantistica che generazioni di studenti, senza un’alternativa superiore, erano state costrette ad accettare.

Forse l’estensione più famosa venne per gentile concessione del fisico David Bohm, che negli anni ’50 sviluppò una propria interpretazione della fisica quantistica: la teoria de Broglie-Bohm (o onda pilota). L’equazione d’onda sottostante, in questa idea, è la stessa dell’equazione di Schrodinger convenzionale, come nell’interpretazione di Copenaghen. Tuttavia, esiste anche un’equazione guida che agisce sulla funzione d’onda e proprietà come la posizione di una particella possono essere estratte dalla relazione di tale equazione guida. È un’interpretazione esplicitamente causale, deterministica, con una fondamentale non località.

Ma questa interpretazione poneva le sue difficoltà. Per tutte, non puoi recuperare la dinamica classica usando questa teoria dell’onda pilota; F = m a di Newton non descrive affatto la dinamica di una particella. Infatti, la particella stessa non influisce in alcun modo sulla funzione d’onda; piuttosto, la funzione d’onda descrive il campo di velocità di ciascuna particella o sistema di particelle, e devi applicare l’appropriata “equazione guida” per scoprire esattamente dove si trova la particella e come il suo movimento è influenzato da qualunque cosa stia esercitando una forza su di essa.

Per molti versi, la teoria dell’onda pilota era più un interessante controesempio all’affermazione che “nessuna teoria delle variabili nascoste potrebbe riprodurre il successo dell’indeterminismo quantistico“. Potrebbe, come ha illustrato la teoria dell’onda pilota di Bohm, ma a costo di una non località fondamentale e della difficile nozione di dover estrarre proprietà fisiche da un’equazione guida, i cui risultati non sono necessariamente semplici da lavorare.

Considera il seguente esempio: una particella, come una palla, che galleggia su un fiume che scorre. Nella meccanica newtoniana, quello che succede alla palla è semplice: la palla ha una massa, il che significa che ha un’inerzia, e questo significa che segue la prima e la seconda legge di Newton. Questo oggetto, in movimento, rimarrà in movimento a meno che non vi agisca sopra una forza esterna, e se vi agisce una forza esterna, accelera attraverso la famosa equazione, F = m a. Mentre la palla viaggia verso valle, le anse del fiume faranno scorrere l’acqua a valle, ma guideranno rapidamente la palla su una sponda del fiume o sull’altra. L’inerzia è il principio guida dietro il movimento della palla fluttuante.

Ma nella meccanica bohmiana, il flusso del fiume determina l’evoluzione della funzione d’onda, che dovrebbe rimanere preferibilmente al centro del fiume. Questo mostra la difficoltà concettuale con la teoria dell’onda pilota: se vuoi che la tua particella viaggi sulla funzione d’onda come un surfista – come de Broglie aveva originariamente previsto – devi passare attraverso una serie di contorsioni per recuperare le previsioni di base a cui siamo abituati con la meccanica classica.

Come ha dimostrato da tempo l’interpretazione perfettamente valida di Copenaghen, tuttavia, solo perché qualcosa è controintuitivo o addirittura illogico non significa che sia errato. Il comportamento fisico è spesso più bizzarro di quanto ci aspettiamo, ed è per questo che dobbiamo sempre confrontare le nostre previsioni con la dura realtà degli esperimenti.

Nel 2006, i fisici Yves Couder ed Emmanuel Fort hanno iniziato a far rimbalzare una goccia d’olio su un bagno fluido vibrante fatto con quello stesso olio e hanno ricreato l’analogo dell’esperimento quantistico della doppia fenditura. Quando l’onda si increspa lungo il serbatoio e si avvicina alle due fessure, la gocciolina rimbalza sulle onde e viene guidata attraverso una fenditura o l’altra dalle onde. Quando molte goccioline sono passate attraverso le fessure ed è emerso un modello statistico, si è scoperto che riproduce esattamente le previsioni standard della meccanica quantistica.

Nel 2013, un team allargato guidato da John Bush del MIT ha sfruttato la stessa tecnica per testare un sistema quantistico diverso: confinare gli elettroni in un’area circolare simile a un recinto costituito da un anello di ioni. Con sorpresa di molti, con un confine opportunamente impostato, i modelli d’onda sottostanti che vengono prodotti sono complessi, ma la traiettoria delle goccioline che rimbalzano su di essi, in effetti, seguono uno schema determinato dalla lunghezza d’onda delle onde, in accordo con le previsioni quantistiche che ne sono alla base.

Ciò che sembrava essere casuale, in questi esperimenti, non lo era affatto, ma forniva piuttosto un’entusiasmante conferma delle idee della teoria dell’onda pilota.

E poi tutto è andato in pezzi.

Normalmente, l’esperimento della doppia fenditura fornisce il decantato schema di interferenza solo se non si misura quale delle due fenditure attraversa la particella. Su scala quantistica, l’installazione di un rilevatore sulle fenditure stesse ti dice quale fenditura attraversa ciascuna particella, ma distrugge il modello di interferenza. Ottieni semplicemente due pile di particelle sull’altro lato, con ciascuna pila corrispondente a una delle due fessure.

In precedenza, nell’esperimento originale di Couder e Fort del 2006, avevano posizionato 75 goccioline separate che rimbalzavano attraverso le fessure dove potevano osservare quale fessura passava ciascuna goccia – e registrato il modello di dove atterravano sullo schermo – trovando lo schema di interferenza necessario. Se ciò reggesse, sembrerebbe confermare che, forse, potrebbero esserci davvero queste variabili nascoste alla base di quella che sembrava essere una realtà quantistica indeterminata.

E poi sono arrivati ​​i tentativi di riproduzione. Ecco, non appena il percorso attraverso una delle due fenditure è stato individuato da ciascuna gocciolina, i percorsi che la particella compie si discostano da ciò che prevede la meccanica quantistica. Non c’era pattern di interferenza e si è riscontrato che l’opera originale conteneva alcuni errori che sono stati corretti nel tentativo di ripetere l’esperimento. Come concludono gli autori dello studio del 2015 che confutano il lavoro di Couder e Fort:

Naturalmente, discutere se la realtà sia veramente acausale, veramente indeterminata o non consista definitivamente in variabili nascoste che possono essere inventate equivale a giocare a un gioco senza fine di whack-a-mole. Qualsiasi affermazione specifica che può essere verificata può sempre essere esclusa, ma può essere sostituita con un’affermazione più complessa, finora non verificabile che pretende ancora di avere qualsiasi aspetto (o combinazione di aspetti) si desideri. Tuttavia, è molto importante, quando si assembla la nostra immagine della realtà, assicurarsi di non sceglierne ideologicamente una che sia in conflitto con gli esperimenti che possiamo eseguire.

Potremmo non avere la “risposta giusta” definitiva e unica alla domanda su come funziona l’Universo, ma abbiamo abbattuto un numero enorme di pretendenti al trono. Se le tue previsioni non sono d’accordo con l’esperimento, la tua teoria è sbagliata, non importa quanto sia popolare o carina. Non abbiamo ancora escluso tutte le possibili incarnazioni della meccanica bohmiana, o le teorie delle onde pilota, o le interpretazioni della meccanica quantistica che hanno variabili nascoste, e potrebbe non essere mai possibile farlo. Tuttavia, ogni tentativo di costruire una teoria che sia d’accordo con l’esperimento richiede un certo livello di inquietudine quantistica che semplicemente non può essere eliminato.

L’alternativa meno inquietante è che un’unica realtà concreta non può descrivere tutto ciò che osserviamo e misuriamo.