Dalla fisica alla filosofia: che cos'è la realtà?

Per secoli la fisica e la filosofia hanno condiviso una delle domande più profonde che possiamo porci: che cos'è la realtà? A prima vista potrebbe sembrare una questione esclusivamente filosofica. La fisica, dopotutto, misura fenomeni, formula leggi e costruisce modelli matematici capaci di prevedere ciò che accade nel mondo. Eppure, ogni volta che la fisica modifica radicalmente la nostra descrizione della natura, inevitabilmente cambia anche il modo in cui possiamo pensare la realtà.

È accaduto con Galileo e Newton, quando la natura cominciò a essere descritta sistematicamente attraverso leggi matematiche. È accaduto con Einstein, quando spazio e tempo cessarono di essere considerati scenari assoluti e indipendenti. Ed è accaduto in maniera ancora più sorprendente con la meccanica quantistica, che ha messo in discussione alcune delle intuizioni più elementari attraverso le quali interpretiamo il mondo.

Il mondo della fisica classica

La concezione della realtà suggerita dalla meccanica classica appare relativamente intuitiva. Un oggetto possiede una posizione, una velocità e determinate proprietà indipendentemente dal fatto che qualcuno lo stia osservando. Se conoscessimo perfettamente lo stato iniziale di un sistema e tutte le forze che agiscono su di esso, le leggi della meccanica classica permetterebbero, almeno idealmente, di determinarne l'evoluzione.

Da questa concezione nasce l'immagine di un universo deterministico. Tra la fine del XVIII e l'inizio del XIX secolo Pierre-Simon de Laplace portò idealmente questa idea alle estreme conseguenze immaginando un'intelligenza capace di conoscere, in un determinato istante, tutte le forze della natura e lo stato di moto di ogni corpo dell'universo. Per una simile intelligenza, nulla sarebbe incerto: il futuro, come il passato, potrebbe essere ricavato dalle leggi della natura.

Questa immagine fisica si accordava bene con una particolare concezione filosofica della realtà: il mondo esiste indipendentemente da noi e possiede proprietà determinate, che la scienza cerca progressivamente di conoscere.

Ma all'inizio del Novecento questa immagine cominciò a incrinarsi.

La rivoluzione quantistica

La meccanica quantistica nacque per spiegare fenomeni che la fisica classica non riusciva a descrivere adeguatamente. Nel giro di pochi decenni, attraverso il lavoro di scienziati come Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger e Max Born, emerse una teoria straordinariamente efficace, ma concettualmente difficile da interpretare.

Nel mondo quantistico non possiamo sempre attribuire a un sistema, prima della misura, tutte le proprietà definite che attribuiamo spontaneamente agli oggetti macroscopici. Lo stato quantistico permette di calcolare le probabilità dei possibili risultati delle misurazioni, mentre la teoria non descrive semplicemente una traiettoria classica già determinata e nascosta ai nostri occhi.

Per esempio, in un atomo un elettrone si trova intorno al nucleo atomico. A differenza di un pianeta intorno al Sole, però, non possiamo descriverlo come un piccolo corpo che percorre un'orbita precisa. La teoria quantistica può invece indicare le diverse regioni dello spazio in cui potremmo trovarlo, associando a ciascuna una certa probabilità. Possiamo rappresentare questa distribuzione come una sorta di "nuvola di probabilità".

Questo non significa necessariamente che un sistema quantistico non possieda alcuna realtà prima di essere misurato. Una simile affermazione dipenderebbe già dall'interpretazione adottata. La teoria, però, ci costringe a essere molto più cauti quando cerchiamo di attribuire ai sistemi microscopici proprietà definite indipendentemente dal contesto sperimentale.

La domanda diventa allora inevitabile: prima che venga effettuata una misura, che cosa possiamo dire che esista realmente?

È qui che una questione apparentemente tecnica della fisica si trasforma in una questione filosofica.

Il problema della misura

Immaginiamo un sistema quantistico sul quale possiamo effettuare una determinata misura. Prima della misurazione, il suo stato può essere descritto da una sovrapposizione di stati associati a diversi possibili risultati.

Ad esempio, lo spin di un elettrone potrebbe essere sia su che giù finché non viene osservato.

Una sovrapposizione quantistica non equivale però a una semplice situazione classica nella quale il sistema possiede già una proprietà definita e noi ignoriamo quale sia. Le diverse componenti della sovrapposizione possono infatti produrre fenomeni di interferenza tipicamente quantistici.

Quando effettuiamo una misura, tuttavia, osserviamo un risultato determinato.

Da qui nasce il celebre problema della misura: come dobbiamo interpretare il passaggio dalla descrizione quantistica, nella quale compaiono diverse componenti associate a risultati possibili, al singolo risultato che effettivamente registriamo?

Il famoso gatto di Schrödinger fu concepito proprio per mettere in evidenza le difficoltà che emergono quando estendiamo la descrizione delle sovrapposizioni quantistiche dal mondo microscopico agli oggetti macroscopici.

La decoerenza permette oggi di comprendere molto meglio perché le interferenze tra diverse componenti di una sovrapposizione diventino estremamente difficili da osservare nei sistemi macroscopici, continuamente coinvolti in interazioni con l'ambiente. Ma la decoerenza, da sola, non costituisce necessariamente una soluzione completa del problema della misura: rimane da stabilire che cosa rappresenti esattamente lo stato quantistico e, a seconda dell'interpretazione adottata, come comprendere l'emergere del singolo risultato osservato.

Einstein e la realtà indipendente dall'osservatore

Albert Einstein fu uno dei protagonisti della nascita della teoria quantistica, ma non accettò facilmente alcune delle conseguenze filosofiche associate alle interpretazioni che si stavano affermando.

Einstein riteneva che una teoria fisica fondamentale dovesse descrivere una realtà esistente indipendentemente dall'osservazione. Nel 1935, insieme a Boris Podolsky e Nathan Rosen, formulò il celebre argomento EPR, con l'obiettivo di sostenere che la descrizione fornita dalla meccanica quantistica potesse essere incompleta.

Al centro della discussione si trovava ciò che oggi chiamiamo entanglement quantistico. Due sistemi entangled possono presentare correlazioni che non possono essere spiegate trattandoli semplicemente come due oggetti indipendenti dotati fin dall'inizio di proprietà locali determinate secondo un modello classico.

La questione non riguardava soltanto la capacità della teoria di prevedere i risultati degli esperimenti. Riguardava il significato stesso della parola realtà.

Bell: dalla filosofia all'esperimento

Nel 1964 il fisico John Bell compì un passo decisivo. Dimostrò che una vasta classe di teorie basate su variabili nascoste locali impone limiti precisi alle correlazioni che possono essere osservate sperimentalmente.

La meccanica quantistica prevede invece, in determinate condizioni, la violazione di quelle che oggi chiamiamo disuguaglianze di Bell.

Gli esperimenti realizzati nei decenni successivi hanno osservato le correlazioni previste dalla meccanica quantistica, mentre esperimenti sempre più sofisticati hanno progressivamente chiuso importanti scappatoie sperimentali.

Questo significa che nessuna teoria basata su variabili nascoste locali può riprodurre tutte le correlazioni previste dalla meccanica quantistica e osservate sperimentalmente.

Non significa, però, che gli esperimenti di Bell abbiano dimostrato una particolare interpretazione filosofica della meccanica quantistica, né che abbiano dimostrato semplicemente che «la realtà non esiste». Significa che determinate concezioni classiche della realtà non possono essere mantenute nella loro forma tradizionale.

È inoltre importante sottolineare che le correlazioni dell'entanglement non permettono di trasmettere informazioni più velocemente della luce. La violazione delle disuguaglianze di Bell non equivale quindi alla possibilità di utilizzare l'entanglement come sistema di comunicazione istantanea.

La natura ci costringe comunque a rivedere almeno una parte dell'immagine classica della realtà.

La realtà esiste prima che la osserviamo?

Bisogna evitare una conclusione tanto suggestiva quanto semplicistica: la meccanica quantistica non dimostra che la coscienza umana crei la realtà.

Nella pratica sperimentale, una misura implica un'interazione fisica tra il sistema, l'apparato di misura e spesso l'ambiente, dalla quale emerge un risultato registrabile. Non è necessario postulare l'intervento di una mente cosciente per descrivere il processo fisico della misurazione.

La vera questione è più sottile: quali proprietà possiamo attribuire a un sistema indipendentemente dal contesto nel quale vengono misurate?

È una domanda che conduce direttamente al problema filosofico del realismo. Possiamo pensare la realtà come un insieme di oggetti dotati in ogni momento di proprietà completamente determinate e indipendenti dalle condizioni sperimentali? Oppure la struttura della teoria quantistica richiede una concezione più complessa del rapporto tra sistemi fisici, proprietà e misurazioni?

La fisica quantistica non fornisce una risposta filosofica unica. Ed è proprio qui che cominciano le interpretazioni.

Molte interpretazioni, una stessa teoria

Le posizioni storicamente raggruppate sotto l'etichetta di interpretazione di Copenaghen, pur con importanti differenze tra autori come Bohr e Heisenberg, sottolineano il ruolo fondamentale del contesto sperimentale e invitano alla cautela quando cerchiamo di interpretare il formalismo quantistico come una semplice rappresentazione di proprietà preesistenti.

L'interpretazione a molti mondi, sviluppatasi a partire dalla formulazione dello stato relativo proposta da Hugh Everett, elimina invece il collasso fondamentale della funzione d'onda. L'evoluzione quantistica rimane unitaria e i diversi risultati possibili vengono associati a differenti rami della descrizione complessiva.

La meccanica bohmiana propone invece particelle dotate di posizioni definite e introduce variabili aggiuntive. È una teoria realista e deterministica, ma esplicitamente nonlocale. Proprio per questo rappresenta un esempio importante: il teorema di Bell non elimina ogni possibile forma di realismo, ma impone vincoli molto forti sulle teorie che vogliono riprodurre le previsioni della meccanica quantistica.

Esistono poi altre interpretazioni. Il QBism, per esempio, attribuisce allo stato quantistico un significato legato alle aspettative probabilistiche di un agente riguardo alle conseguenze delle proprie interazioni con il mondo.

Le diverse interpretazioni possono quindi condividere gran parte dello stesso formalismo matematico e delle stesse previsioni sperimentali, ma proporre immagini profondamente differenti di ciò che esiste e del significato dello stato quantistico.

Ed è difficile immaginare un problema più filosofico di questo.

Che cosa significa conoscere la realtà?

A questo punto la questione si allarga oltre la meccanica quantistica.

Quando una teoria scientifica funziona, che cosa abbiamo realmente conosciuto?

Abbiamo scoperto come è fatto il mondo oppure abbiamo costruito un modello estremamente efficace per prevedere ciò che possiamo osservare?

Questa distinzione attraversa tutta la storia della filosofia.

Platone aveva distinto il mondo mutevole dell'esperienza sensibile dalla dimensione intelligibile delle Forme. Aristotele aveva cercato di comprendere la struttura degli enti naturali attraverso concetti come sostanza, forma, materia e causa. Cartesio aveva posto al centro della filosofia moderna il problema del rapporto tra il soggetto conoscente e il mondo esterno. David Hume aveva messo in discussione la possibilità di osservare direttamente quella connessione necessaria tra gli eventi che chiamiamo causalità.

Con Immanuel Kant, il problema assume una forma particolarmente importante per la filosofia della conoscenza: noi conosciamo gli oggetti così come possono apparirci entro le condizioni che rendono possibile la nostra esperienza, non necessariamente le cose così come sarebbero indipendentemente da ogni possibile esperienza.

La meccanica quantistica nasce più di un secolo dopo Kant e non può essere semplicemente trasformata in una conferma della sua filosofia. Sarebbe storicamente e concettualmente scorretto.

Eppure rende nuovamente urgente una domanda che presenta una significativa affinità con il problema kantiano: fino a che punto ciò che conosciamo appartiene alla realtà stessa e fino a che punto dipende dalle condizioni attraverso cui possiamo conoscerla?

La fisica incontra la filosofia

La scienza moderna non ha quindi eliminato le grandi domande filosofiche. In alcuni casi le ha rese ancora più profonde.

La fisica può dirci con straordinaria precisione quali risultati dobbiamo aspettarci da un esperimento. Le teorie quantistiche hanno reso possibili tecnologie come laser, transistor e orologi atomici e oggi guidano lo sviluppo dell'informazione e del calcolo quantistico.

Ma dal successo sperimentale di una teoria non segue automaticamente un'unica risposta alla domanda: che cosa esiste realmente?

Qui fisica e filosofia si incontrano.

La fisica pone vincoli sempre più rigorosi alle concezioni della realtà che possiamo sostenere. Gli esperimenti possono persino escludere intere classi di modelli che sembravano filosoficamente plausibili. La filosofia, dal canto suo, cerca di chiarire che cosa intendiamo quando utilizziamo concetti come realtà, causa, oggetto, proprietà, spazio, tempo, probabilità e conoscenza.

Non sono due discipline contrapposte. Sono due modi differenti, e spesso complementari, di affrontare alcune delle domande più profonde che l'essere umano possa formulare.

La fisica può mostrarci come si comporta la natura con una precisione straordinaria. Ma comprendere che cosa quella descrizione ci autorizzi a dire sulla struttura ultima del mondo rimane anche una questione filosofica.

E forse la domanda più importante non è soltanto «di che cosa è fatto l'universo?», ma una ancora più radicale: quando diciamo che qualcosa è reale, che cosa intendiamo veramente?