Qual è la vera natura della nostra realtà quantistica?

Per quasi un secolo, i fisici hanno discusso su come interpretare la fisica quantistica. Ma la realtà esiste indipendentemente da qualsiasi interpretazione

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Qual è la vera natura della nostra realtà quantistica?
Qual è la vera natura della nostra realtà quantistica?

Quando si tratta di comprendere l’Universo, gli scienziati hanno tradizionalmente adottato due approcci in tandem l’uno con l’altro. Da un lato, eseguono esperimenti e fanno misurazioni e osservazioni su quali sono i risultati; ottengono una suite di dati. D’altra parte, costruiscono teorie e modelli per descrivere la realtà, dove le previsioni di quelle teorie sono valide solo quanto le misurazioni e le osservazioni cui corrispondono.

Per secoli, i teorici hanno effettuato nuove previsioni dai loro modelli, idee e strutture, mentre gli sperimentatori hanno sondato acque inesplorate, cercando di convalidare o confutare le principali teorie. Con l’avvento della fisica quantistica, tuttavia, tutto ciò iniziò a cambiare. Invece di risposte specifiche, si potevano prevedere solo risultati probabilistici. Il modo in cui interpretiamo questo fatto è stato oggetto di un dibattito durato quasi un secolo. Ma sostenere questo dibattito sembra folle; forse l’idea stessa che abbiamo bisogno di un’interpretazione è essa stessa il problema.

Per migliaia di anni, se volevi indagare l’Universo in modo scientifico, tutto ciò che dovevi fare era capire le giuste condizioni fisiche da impostare, e poi fare le osservazioni o misurazioni per avere la risposta.

I proiettili, una volta sparati, seguono una traiettoria specifica e le equazioni del moto di Newton ti consentono di prevedere quella traiettoria con una precisione arbitraria in qualsiasi momento. Anche in forti campi gravitazionali o a velocità prossime a quella della luce, le estensioni di Einstein delle teorie di Newton hanno consentito lo stesso risultato: fornisci le condizioni fisiche iniziali con una precisione arbitraria e puoi sapere quale sarà il risultato, in qualsiasi momento nel futuro.

Fino alla fine del XIX secolo, tutte le nostre migliori teorie fisiche che descrivono l’Universo hanno seguito questa strada.

Un esempio di cono di luce, la superficie tridimensionale di tutti i possibili raggi di luce che arrivano e partono da un punto nello spaziotempo. Più ti muovi nello spazio, meno ti muovi nel tempo e viceversa. Solo le cose contenute nel tuo passato cono di luce possono influenzarti oggi; solo le cose contenute nel tuo futuro cono di luce possono essere influenzate da te in futuro. Credito : MissMJ/Wikimedia Commons)

Perché la natura sembrava comportarsi in questo modo? Perché le regole che la governavano – le migliori teorie che avevamo concepito per descrivere ciò che misuriamo e osserviamo – obbedivano tutte alle stesse serie di regole.



  1. L’Universo è locale, il che significa che un evento o un’interazione può influenzare il suo ambiente solo in un modo limitato dal limite di velocità di qualsiasi cosa si propaghi attraverso l’Universo: la velocità della luce.
  2. L’Universo è reale, il che significa che determinate quantità e proprietà fisiche (di particelle, sistemi, campi, ecc.) esistono indipendentemente da qualsiasi osservatore o misurazione.
  3. L’Universo è deterministico, il che significa che se imposti il ​​tuo sistema in una particolare configurazione e conosci esattamente quella configurazione, puoi prevedere perfettamente quale sarà lo stato del tuo sistema in un periodo di tempo arbitrario nel futuro.

Da più di un secolo, tuttavia, la natura ci ha dimostrato che le regole che la governano non sono, dopotutto, locali, reali e deterministiche.

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La natura quantistica dell’Universo ci dice che certe quantità hanno un’intrinseca incertezza incorporata in esse, e che coppie di quantità hanno le loro incertezze correlate l’una con l’altra. Non ci sono prove di una realtà più fondamentale con variabili nascoste che sono alla base del nostro Universo quantistico osservabile. Crediti : NASA/CXC/M. Weiss)

Abbiamo imparato ciò che sappiamo oggi sull’Universo ponendo le domande giuste, il che significa creando sistemi fisici e quindi eseguendo le misurazioni e le osservazioni necessarie per determinare cosa sta facendo l’Universo. Nonostante ciò che avremmo potuto intuire in anticipo, l’Universo ci ha mostrato che le regole a cui obbedisce sono bizzarre, ma coerenti. Le regole sono profondamente e fondamentalmente diverse da qualsiasi cosa avessimo mai visto prima.

Non era così sorprendente che l’Universo fosse fatto di unità fondamentali indivisibili: i quanti, come quark, elettroni o fotoni. La cosa sorprendente è che questi singoli quanti non si comportavano come le particelle di Newton: con posizioni, momenti e momenti angolari ben definiti. Invece, questi quanti si comportano come onde – dove potresti calcolare le distribuzioni di probabilità per i loro risultati – ma fare una misurazione ti darebbe solo una risposta specifica e non puoi mai prevedere quale risposta otterrai per una singola misurazione.

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Il passaggio di particelle con due possibili configurazioni di spin attraverso un tipo specifico di magnete causerà la divisione delle particelle negli stati di spin + e -, con l’entità della scissione dipendente dalla carica, dalla massa e dallo spin intrinseco (o momento angolare) della particella . Credito : Tatoute/Wikimedia Commons)

Ciò è stato confermato da una grande varietà di esperimenti. Una particella come un elettrone, ad esempio, ha uno spin intrinseco (o momento angolare) di ±½. Non puoi eliminare questo momento angolare intrinseco; è una proprietà di questo quanto di materia che non può essere districata da questa particella.

Tuttavia, puoi far passare questa particella attraverso un campo magnetico. Se il campo è allineato con l’asse z (utilizzando x , y e z per rappresentare le nostre tre dimensioni spaziali), alcuni degli elettroni devieranno nella direzione positiva (corrispondente a +½) e altri nella direzione negativa (corrispondente alla direzione -½).

Ora, cosa succede se fai passare gli elettroni deviati positivamente attraverso un altro campo magnetico? Bene, se quel campo è:

  • nella direzione x , gli elettroni si divideranno nuovamente, alcuni nella direzione +½ ( x -) e altri nella direzione -½;
  • nella direzione y , gli elettroni devieranno nuovamente, alcuni nella direzione +½ ( y- ) e altri nella direzione -½;
  • nella direzione z , non vi è alcuna divisione aggiuntiva; tutti gli elettroni sono +½ (nella direzione z ).
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Più esperimenti successivi di Stern-Gerlach, che dividono le particelle quantistiche lungo un asse in base ai loro spin, causeranno un’ulteriore scissione magnetica in direzioni perpendicolari a quella più recente misurata, ma nessuna ulteriore scissione nella stessa direzione. Crediti : Francesco Versaci/Wikimedia Commons)

In altre parole, ogni singolo elettrone ha una probabilità finita che il suo spin sia +½ o -½, e che effettuare una misurazione in una particolare direzione ( x , y o z ) determini le proprietà del momento angolare dell’elettrone in quella dimensione distruggendo contemporaneamente qualsiasi informazione sulle altre due direzioni.

Questo potrebbe sembrare controintuitivo, ma non è solo una proprietà inerente all’Universo quantistico, ma è una proprietà condivisa da qualsiasi teoria fisica che obbedisce a una specifica struttura matematica: la non commutatività (cioè, a * b ≠ b * a). Le tre direzioni del momento angolare non commutano tra loro. L’energia e il tempo non commutano, portando a incertezze intrinseche nelle masse di particelle di breve durata. E nemmeno la posizione e la quantità di moto commutano, il che significa che non puoi misurare né dove si trova una particella né quanto velocemente si sta muovendo simultaneamente con una precisione arbitraria.

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Questo diagramma illustra la relazione di incertezza intrinseca tra posizione e quantità di moto. Quando uno è conosciuto in modo più accurato, l’altro è intrinsecamente meno capace di essere conosciuto con precisione. Non c’è posizione fondamentale o quantità di moto inerente a ciascuna particella; c’è un valore medio di aspettativa con un’incertezza sovrapposta ad esso. Questa incertezza non può essere rimossa dalla fisica quantistica, in quanto rappresenta un aspetto importante della nostra realtà quantistica. Credito : Maschen/Wikimedia Commons)

Questi fatti sono strani, ma non sono l’unico comportamento strano della meccanica quantistica. Molte altre configurazioni sperimentali portano a risultati controintuitivamente bizzarri, come nel caso del gatto di Schrödinger. Metti un gatto in una scatola sigillata con cibo avvelenato e un atomo radioattivo. Se l’atomo decade, il cibo viene rilasciato e il gatto lo mangerà e morirà. Se l’atomo non si decompone, il gatto non può procurarsi il cibo avvelenato e rimane vivo.

Aspetti esattamente un’emivita di questo atomo, che ha, quindi, una probabilità 50/50 di decadere o rimanere nel suo stato iniziale. Apri la scatola. Appena prima di effettuare la misurazione o l’osservazione, il gatto è vivo o morto? Secondo le regole della meccanica quantistica, non puoi conoscere il risultato prima di fare l’osservazione. C’è una probabilità del 50% di un gatto morto e una probabilità del 50% di un gatto vivo, e solo aprendo la scatola puoi sapere con certezza la risposta.

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All’interno della scatola, il gatto sarà vivo o morto, a seconda che una particella radioattiva sia decaduta o meno. Se il gatto fosse un vero sistema quantistico, il gatto non sarebbe né vivo né morto, ma in una sovrapposizione di entrambi gli stati finché non viene osservato. Credito : Dhatfield/Wikimedia Commons)

Per generazioni, questo enigma ha ostacolato quasi tutti coloro che hanno cercato di dargli un senso. In qualche modo, sembra che il risultato di un esperimento scientifico sia fondamentalmente legato al fatto che effettuiamo o meno una misurazione specifica. Questo è stato chiamato “il problema della misurazione” nella fisica quantistica ed è stato oggetto di molti saggi, opinioni, interpretazioni e dichiarazioni di fisici e profani.

Sembra naturale porre quella che sembra una domanda più fondamentale: cosa sta realmente accadendo, oggettivamente, dietro le quinte, per spiegare ciò che osserviamo in modo indipendente dall’osservatore?

Questa è una domanda che molti si sono posti negli ultimi 90 anni (o giù di lì), cercando di ottenere una visione più profonda di ciò che è veramente reale. Ma nonostante molti libri e editoriali sull’argomento, da Lee Smolin a Sean Carroll ad Adam Becker ad Anil Ananthaswamymolti altri, questa potrebbe anche non essere una buona domanda.

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Schema del terzo esperimento Aspect che verifica la non-località quantistica. I fotoni entangled dalla sorgente vengono inviati a due commutatori veloci, che li indirizzano ai rivelatori polarizzanti. Gli interruttori cambiano le impostazioni molto rapidamente, modificando efficacemente le impostazioni del rivelatore per l’esperimento mentre i fotoni sono in volo. Impostazioni diverse, abbastanza sconcertanti, si traducono in risultati sperimentali diversi. Questo non può essere spiegato con una teoria della meccanica quantistica sia che sia locale sia che coinvolga realismo e determinismo. ( Credito : Ciad Orzel)

Lo stesso Smolin lo ha espresso senza mezzi termini durante una conferenza pubblica che ha tenuto nel 2019, una posizione che ha ribadito in un’intervista l’anno scorso :

“Una descrizione completa dovrebbe dirci cosa sta accadendo in ogni singolo processo, indipendentemente dalle nostre conoscenze, convinzioni o dai nostri interventi o interazioni con il sistema”.

Nella scienza, questo è ciò che chiamiamo un presupposto, un postulato o un’asserzione. Sembra convincente, ma potrebbe non essere vero. La ricerca di “una descrizione completa” presuppone che la natura possa essere descritta in modo indipendente dall’osservatore o dall’interazione, e questo potrebbe non essere il caso. È facile argomentare che i fisici dovrebbero preoccuparsi di più di queste basi quantistiche.

Ma fissare il comportamento della natura in ogni sorta di circostanza è molto diverso dal presumere che esista persino una sorta di realtà oggettiva che esiste, deterministicamente, indipendentemente da qualsiasi osservatore o interazione chiave.

Il modello d’onda per gli elettroni che passano attraverso una doppia fenditura, uno alla volta. Se misuri “quale fenditura” attraversa l’elettrone, distruggi il modello di interferenza quantistica mostrato qui. Le regole del Modello Standard e della Relatività Generale non ci dicono cosa succede al campo gravitazionale di un elettrone quando passa attraverso una doppia fenditura; ciò richiederebbe qualcosa che va oltre la nostra attuale comprensione, come la gravità quantistica. Indipendentemente dall’interpretazione, gli esperimenti quantistici sembrano preoccuparsi se facciamo determinate osservazioni e misurazioni (o forziamo determinate interazioni) o meno. Crediti : Dr. Tonomura; Belsazar/Wikimedia Commons)

La realtà, se vuoi chiamarla così, non è un’esistenza oggettiva che va oltre ciò che è misurabile o osservabile. In fisica, descrivere ciò che è osservabile e misurabile nel modo più completo e accurato possibile è la nostra più alta aspirazione. Elaborando una teoria in cui gli operatori quantistici agiscono su funzioni d’onda quantistiche, abbiamo acquisito la capacità di calcolare con precisione la distribuzione di probabilità di qualunque risultato possa verificarsi.

Per la maggior parte dei fisici, questo è sufficiente. Ma puoi imporre una serie di ipotesi su queste equazioni e trovare una serie di diverse interpretazioni della meccanica quantistica:

  • La funzione d’onda quantistica che definisce queste particelle è fisicamente priva di significato, fino al momento in cui effettui una misurazione (Interpretazione di Copenaghen).
  • Tutti i possibili risultati si verificano effettivamente, richiedendo un numero infinito di universi paralleli (Interpretazione a molti mondi).
  • Riesci a immaginare la realtà come un numero infinito di sistemi preparati in modo identico e l’atto della misurazione come l’atto di scegliere quale rappresenta la nostra realtà (Interpretazione d’insieme).
  • Le particelle esistono sempre come assoluti, con posizioni reali e univoche, dove deterministiche “onde pilota” le guidano in maniera non locale ? (de Broglie-Bohm/Interpretazione dell’onda pilota).

Sean Carroll ha appena ideato lui stesso una sorta di nuova interpretazione, che è probabilmente interessante quanto (o non più interessante di) qualsiasi altra. E oh, ce ne sono altre.

In modo frustrante, tutte queste interpretazioni, più altre, sono sperimentalmente indistinguibili l’una dall’altra. Non c’è esperimento che siamo stati ancora in grado di progettare o eseguire che distingua una di queste interpretazioni da un’altra, e quindi sono fisicamente identiche. L’idea che esista una realtà fondamentale, oggettiva, indipendente dall’osservatore è un presupposto senza prove dietro di esso, solo migliaia e migliaia di anni della nostra intuizione che ci dice “dovrebbe essere così“.

Ma la scienza non esiste per dimostrare che la realtà è conforme ai nostri pregiudizi e opinioni; cerca di scoprire la natura della realtà indipendentemente dai nostri pregiudizi. Se vogliamo davvero capire la meccanica quantistica, l’obiettivo dovrebbe essere più quello di lasciar andare i nostri pregiudizi e abbracciare, senza ulteriori ipotesi, ciò che l’Universo ci dice di se stesso.

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Avendo una sorgente che emette una coppia di fotoni entangled, ciascuno dei quali finisce nelle mani di due osservatori separati, è possibile eseguire misurazioni indipendenti dei fotoni. I risultati dovrebbero essere casuali, ma i risultati aggregati dovrebbero mostrare correlazioni. Il fatto che tali correlazioni siano limitate o meno dal realismo locale dipende dal fatto che obbediscano o violino la disuguaglianza di Bell. Credito : APS/Alan Stonebraker)

Comprendere l’Universo non significa rivelare una vera realtà, separata da osservatori, misurazioni e interazioni. L’Universo potrebbe esistere in un modo tale che questo è un approccio valido, ma potrebbe anche essere il caso in cui la realtà sia inestricabilmente intrecciata con l’atto di misurazione, osservazione e interazione a un livello fondamentale.

La chiave, se vuoi approfondire la comprensione dell’Universo, è trovare un test sperimentale che discerna un’interpretazione da un’altra, escludendola o elevandola al di sopra delle altre. Finora sono state escluse solo le interpretazioni che richiedono realismo locale (con un certo livello di determinismo), mentre le altre sono tutte non testate; la scelta tra di loro è esclusivamente una questione di estetica.

Nella scienza, non spetta a noi dichiarare cos’è la realtà e poi distorcere le nostre osservazioni e misurazioni per conformarle ai nostri presupposti. Invece, le teorie ed i modelli che ci consentono di prevedere ciò che osserveremo e/o misureremo con la massima accuratezza, con il massimo potere predittivo e zero presupposti inutili, sono quelle che sopravvivono. Non è un problema per la fisica che la realtà appaia sconcertante e bizzarra; è solo un problema se pretendi che l’Universo fornisca qualcosa al di là di ciò che la realtà fornisce.

C’è una realtà strana e meravigliosa là fuori, ma fino a quando non escogiteremo un esperimento che ci insegni più di quanto sappiamo attualmente, è meglio abbracciare la realtà così come possiamo misurarla piuttosto che imporre una struttura aggiuntiva guidata dai nostri stessi pregiudizi. Finché non lo faremo, filosofeggiamo superficialmente su una questione in cui è richiesto un intervento scientifico. Finché non elaboreremo quell’esperimento chiave, rimarremo tutti all’oscuro.

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