Tra quanti e realtà. Viaggio nel mondo del caso

STRANIMONDI – La meccanica quantistica è a pieno titolo uno degli stranimondi della scienza: a livello atomico le leggi deterministiche che valgono nella nostra esperienza quotidiana lasciano il posto alla probabilità e al caso, aprendo un ventaglio di conseguenze teoriche che da decenni impegnano fisici teorici e filosofi, ma anche personaggi letterari e televisivi: Sheldon Cooper, geniale fisico della serie tv The Big Bang Theory, spiega uno dei paradossi più celebri legati alla meccanica quantistica, il gatto di Schrödinger, e lo fa sottolineando anche con un risvolto pratico piuttosto importante per la sua amica Penny: dovrà o no uscire con Leonard?

Questo breve spezzone mostra che la meccanica quantistica ha saputo non solo rivoluzionare la fisica, ma ha avuto anche un impatto evidente nella cultura popolare e nella storia delle idee. Il mondo dei quanti racchiude molti spunti di narrazione e di riflessione, a fronte di una impalcatura scientifica molto solida, complessa e matematicamente rigorosa. Riuscire a comunicare e spiegare efficacemente la meccanica quantistica significa mostrare tutte le conseguenze scientifiche e filosofiche della rivoluzione iniziata da Max Planck senza perdere di vista la precisione fisico-matematica. Una missione che riesce particolarmente bene al fisico e ingegnere Giorgio Chinnici che, a distanza di un anno dal suo libro su Alan Turing, torna in libreria con il nuovo Guarda caso. I meccanismi segreti del mondo quantistico edito da Hoepli, un breve ma esaustivo compendio sul mondo dei quanti e sulla sua storia. Come nel caso di Turing, Chinnici fa della chiarezza espositiva una sua cifra stilistica che permette al lettore di non perdersi nei meandri del mondo dei quanti. “L’obiettivo del libro era proprio questo – ci racconta Chinnici – ovvero riuscire a coniugare l’aspetto tecnico e l’aspetto più divulgativo, colmando una piccola lacuna in questo ambito. Spesso la saggistica sulla meccanica quantistica tende a essere o troppo tecnica o al contrario troppo speculativa, perdendo di vista che la grandezza di questa teoria sta nell’essere solida sul piano scientifico ma anche molto stimolante su quello filosofico”.

Un caso molto particolare

L’obiettivo è centrato da Chinnici che, sin dalla divisione dei capitoli, riesce a dare un’organizzazione molto precisa e schematica ai contenuti. Ogni capitolo è dedicato a un aspetto peculiare della quantistica: si parte con la casualità, che non a caso dà anche il titolo al libro. La meccanica quantistica è una teoria che porta di peso il caso all’interno della fisica: “Un caso intrinseco, ontologico direbbero i filosofi, che non dipende da nostre lacune conoscitive. Fino alla meccanica quantistica la probabilità era epistemica: il lancio di un dado è casuale nel senso che non riusciamo a tenere in considerazione matematicamente tutte le variabili in gioco per prevedere l’esito di un lancio. Tuttavia, a livello ideale, se le sapessimo tutte l’esito sarebbe prevedibile. Quello che succede a livello atomico è diverso: in meccanica quantistica il risultato di una misura è genuinamente casuale: lo abbiamo visto sperimentalmente per esempio negli esperimenti della doppia fenditura“. Eppure in questi contesti sperimentali abbiamo anche visto che questo caso non è un caso cieco: “Esiste una casualità intrinseca a livello di ogni singolo evento, ma sui grandi numeri gli esperimenti hanno mostrato che non si tratta di una casualità cieca. Il fenomeno ha degli schemi di comportamento che ritroviamo sempre”.

Dall’atomo al libero arbitrio

La natura del caso e della probabilità sono stati al centro dei dibattiti sull’interpretazione della meccanica quantistica. Una delle sezioni più riuscite del libro è il capitolo dedicato all’entanglement in cui viene discussa la disputa sulla completezza della meccanica quantistica e il conseguente contributo del fisico John Stewart Bell, colui che “almeno su questo ambito – afferma Chinnici – ha chiuso la partita dando torto ad Einstein”. Albert Einstein aveva dato un contributo fondamentale alla nascita della teoria, ma non amava le conseguenze a livello filosofico: se la teoria fosse stata completa, ovvero non fossero esistite variabili nascoste a noi ignote, il caso sarebbe stato vero caso e Dio avrebbe davvero giocato a dadi col mondo. “Eppure Dio gioca a dadi. Almeno è quello che sappiamo dopo i contributi fondamentali di John Stewart Bell e Alain Aspect: il caso è caso in senso pieno e non esistono variabili nascoste. Einstein fu guidato nella sua polemica – che culminò con la formulazione dell’argomento EPR con i colleghi Podolski e Rosen – dai suoi fermi principi filosofici: non poteva accettare la sparizione dalla fisica di principi come il determinismo e il realismo”. Il determinismo è l’idea che l’evoluzione di un sistema fisico è completamente determinata dallo stato del sistema in un istante qualsiasi e dalle forze in gioco. Il realismo è il principio filosofico per cui il mondo esiste a prescindere da chi lo osserva: stando all’interpretazione di Copenhagen alcune proprietà del mondo quantistico arrivavano a concretizzarsi solo all’atto dell’osservazione. Sarebbe come dire che l’osservazione crei il mondo, violando quel principio di realismo che appare necessario per fare scienza. “Personalmente – afferma Chinnici – ritengo l’approccio realista fondamentale per la scienza. Sul determinismo ho dei dubbi: mi pare affascinante una teoria che di fatto afferma che alcune cose sono del tutto libere e imprevedibili e ciò per altro ben si sposa con l’idea di libero arbitrio. Un rigido determinismo in cui tutto è già previsto sarebbe secondo me terrificante”.

Tra quanti e realtà

Dalla nascita della meccanica quantistica, la fisica prodotta fino a quel momento ha iniziato a essere chiamata classica. Una piccola svolta terminologica che però sottolinea con forza il carattere di autentica avanguardia della quantistica nella descrizione fisica del mondo. Nel mondo degli atomi vige la legge quantistica, nel mondo di tutti i giorni continua a valere la fisica newtoniana. E la differenza è sensibile: nel mondo dei quanti dominano considerazioni probabilistiche al contrario del determinismo cui siamo abituati nel mondo quotidiano. Eppure, il mondo quotidiano deterministico è fatto di atomi che si comportano in modo indeterministico. Una vera e propria impasse: dove si pone il confine oltre il quale vige la fisica classica e prima del quale vige la meccanica quantistica? “Questo è un problema teorico serio. Un altro episodio centrale nel superamento della fisica classica è la teoria della relatività: lì tracciare un confine tra le leggi di Einstein e quelle newtoniane è fattibile considerando la velocità della luce come parametro. La relatività vale sempre, ma quando la velocità è piccola rispetto c, ovvero la velocità della luce, la fisica di Newton si conferma un’eccellente approssimazione della teoria di Einstein. Ma nel caso della fisica dei quanti trovare questo parametro di riferimento è molto più difficile”. Non è una questione di scala e non è possibile indicare un parametro ugualmente univoco. “Anche nel caso della quantistica possiamo dire che per una qualche ragione a livello macroscopico i suoi effetti sono trascurabili. Bisogna capire il perché a un certo punto le stime di probabilità che valgono a livello atomico vengono sostituite dal determinismo del mondo reale. Uno dei filoni di ricerca più interessanti su questo è quello della decoerenza quantistica che però ha un apparato matematico molto complesso che deve ancora essere sviluppato pienamente”. In ogni caso qui risiede una delle principali bizzarrie del mondo quantistico: il nostro mondo è composto di atomi e particelle subatomiche, per cui ciò che avviene a livello atomico può certamente avere ripercussioni sul mondo quotidiano: “È proprio l’essenza del paradosso del gatto di Schrödinger: quello che avviene con genuina casualità a livello atomico avrà una conseguenza concreta nel mondo macroscopico: il gatto o sarà vivo o sarà morto”.

La rivincita della filosofia 

Come abbiamo avuto modo di vedere fin qui sono numerosi i riferimenti alla filosofia in ambito quantistico. Maneggiare con cura concetti come caso, determinismo, probabilità, probabilità epistemica, realismo e antirealismo è necessario non solo su un piano speculativo, ma anche fisico e scientifico. In questo senso, la filosofia non è una mera ancella della fisica. “Non si può parlare di meccanica quantistica senza conoscere filosoficamente questi concetti. Le menti che hanno saputo dare grandi concetti scientifici erano anche menti che avevano conoscenze filosofiche approfondite: un esempio ovviamente è Einstein. Comprendeva perfettamente le teorie esistenti sul piano fisico-matematico ma anche sul piano delle idee: per superare la fisica classica Einstein doveva comprenderla profondamente anche sul piano speculativo. Il ragionamento filosofico è necessario al pari di una preparazione scientifica e matematica per poter immaginare e dare consistenza a una teoria rivoluzionaria come la relatività e questo discorso vale sicuramente anche per la meccanica quantistica”.

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