Esiste una realtà indipendente dall’osservazione?

Quando nessuno guarda la Luna, la Luna continua a esistere?

Nel mondo quotidiano la risposta appare evidente. Gli oggetti non sembrano dipendere dalla nostra presenza. Una montagna esiste anche se nessuno la osserva; un albero continua a crescere in una foresta disabitata; un pianeta percorre la propria orbita anche quando non viene misurato da alcuno strumento.

La scienza moderna si è sviluppata in larga parte sull’idea che il mondo possieda regolarità oggettive indipendenti dalle credenze, dalle percezioni e dai desideri dell’osservatore. Il compito della fisica consiste nel costruire teorie capaci di descrivere e spiegare tali regolarità attraverso leggi matematiche e verifiche sperimentali. Questa impostazione è compatibile con differenti concezioni filosofiche della scienza, dal realismo all’empirismo, ma presuppone almeno che i risultati degli esperimenti non dipendano semplicemente dalle nostre aspettative.

La meccanica quantistica non dimostra che il mondo scompaia quando smettiamo di guardarlo. Non dimostra neppure che la coscienza umana crei la materia.

Mette però in discussione una concezione più precisa: l’idea che ogni sistema fisico possieda in ogni momento un insieme completo di proprietà determinate, locali e indipendenti dal contesto nel quale vengono misurate.

La differenza è fondamentale.

Possiamo continuare a sostenere l’esistenza di una realtà indipendente dall’osservazione senza attribuirle necessariamente tutte le caratteristiche del mondo classico. La realtà potrebbe essere costituita non soltanto da oggetti separati dotati di proprietà intrinseche, ma anche da relazioni, stati globali, possibilità o strutture che non possono essere ridotte alle proprietà autonome delle singole parti.

La domanda non è quindi semplicemente:

la realtà esiste?

La domanda più precisa è:

quale tipo di realtà è compatibile con la meccanica quantistica e con i risultati degli esperimenti?

Che cosa significa realismo?

In filosofia, la parola realismo può assumere significati differenti.

In senso molto generale, il realismo afferma che esiste un mondo indipendente dalla mente. Le montagne, gli atomi e le galassie non sono semplici invenzioni della coscienza umana.

Il realismo scientifico aggiunge che le teorie scientifiche mature e confermate descrivono, almeno approssimativamente, aspetti della struttura di questo mondo. Quando una teoria parla di elettroni, campi o spaziotempo, secondo il realista scientifico non sta soltanto costruendo un linguaggio utile per prevedere le osservazioni: cerca anche di dirci qualcosa su ciò che esiste realmente.

Esiste poi una forma più specifica di realismo, spesso associata intuitivamente alla fisica classica, secondo cui ogni proprietà fisica rilevante possiede un valore determinato prima della misurazione. Un corpo avrebbe sempre una posizione precisa, una quantità di moto precisa e tutte le altre proprietà necessarie a definirne completamente lo stato classico.

Questa tesi viene talvolta chiamata definitezza dei valori.

A essa può essere associata la non contestualità: il valore attribuito a una proprietà non dipenderebbe dal particolare insieme di misurazioni compatibili nel quale quella stessa proprietà viene osservata.

Un’altra idea ancora è la separabilità: se due sistemi si trovano in regioni spazialmente distinte, ciascuno dovrebbe possedere un proprio stato fisico completo e la realtà dell’insieme dovrebbe essere determinata dalle realtà delle sue parti e dalle loro relazioni.

Infine, troviamo la località, concetto che può essere formulato in modi diversi ma che, nel contesto del dibattito inaugurato da Einstein e sviluppato da Bell, riguarda l’idea che ciò che avviene in una regione non produca influenze causali istantanee su sistemi sufficientemente lontani.

Queste idee sono collegate, ma non sono identiche.

La meccanica quantistica non costringe necessariamente ad abbandonare ogni forma di realismo. Costringe però a esaminare separatamente:

• l’esistenza di un mondo indipendente;
• la presenza di proprietà determinate prima della misura;
• l’indipendenza delle proprietà dal contesto sperimentale;
• la separabilità dei sistemi distanti;
• la località delle influenze fisiche.

Molte confusioni sulla filosofia quantistica nascono dal raggruppamento di tutte queste tesi sotto la sola parola “realtà”.

Dalla filosofia antica al realismo scientifico

La domanda sull’esistenza di una realtà indipendente dall’esperienza attraversa l’intera storia della filosofia.

Democrito immaginava che la realtà fosse costituita da atomi e vuoto. Colori, sapori e odori non appartenevano agli atomi nello stesso modo in cui appartenevano loro forma, disposizione e movimento, ma emergevano nel rapporto tra la struttura materiale e la nostra esperienza sensibile.

Platone distingueva il mondo sensibile, mutevole e imperfetto, dalla realtà intelligibile delle Forme. Aristotele attribuiva agli enti una sostanza e proprietà che non dipendevano dal fatto di essere conosciute da qualcuno.

Nella filosofia moderna, Cartesio pose al centro il rapporto tra il soggetto pensante e il mondo esterno. La certezza immediata apparteneva al pensiero, mentre l’esistenza della realtà materiale doveva essere filosoficamente giustificata.

John Locke distinse tra qualità primarie, come estensione, forma e movimento, attribuite agli oggetti, e qualità secondarie, come colore e sapore, che dipendono anche dal modo in cui gli oggetti agiscono sui nostri sensi.

George Berkeley contestò la possibilità di concepire una sostanza materiale esistente indipendentemente dalla percezione. Nella sua filosofia idealistica, la realtà degli oggetti sensibili non poteva essere separata dall’essere percepiti, mentre la continuità e l’ordine del mondo erano garantiti dalla percezione divina.

Immanuel Kant cercò una strada differente. Non negò l’esistenza di una realtà indipendente, ma sostenne che noi conosciamo gli oggetti soltanto così come appaiono entro le condizioni della nostra esperienza. La “cosa in sé” non può essere conosciuta direttamente nello stesso modo in cui conosciamo i fenomeni.

La fisica classica sembrò offrire un potente sostegno a una concezione realista. Il mondo poteva essere descritto come un sistema di corpi dotati di proprietà misurabili, governati da leggi universali e indipendenti dall’osservatore.

La relatività modificò profondamente questa immagine senza eliminare l’oggettività fisica. Osservatori in differenti stati di moto possono attribuire valori differenti a distanze, durate e simultaneità, ma le loro descrizioni sono collegate da trasformazioni precise e condividono strutture invarianti.

La meccanica quantistica rese il problema ancora più profondo. Non mise in discussione soltanto il valore delle grandezze rispetto a differenti sistemi di riferimento. Mise in discussione la possibilità di attribuire simultaneamente valori definiti a tutte le osservabili indipendentemente dal contesto sperimentale.

Einstein e la realtà fisica

Einstein fu uno dei fondatori della teoria quantistica.

Introdusse nel 1905 l’ipotesi dei quanti di luce per spiegare, tra gli altri fenomeni, le caratteristiche dell’effetto fotoelettrico, contribuì profondamente alla teoria quantistica della radiazione e comprese precocemente la natura radicale delle correlazioni quantistiche.

Eppure non considerò mai soddisfacente la meccanica quantistica come descrizione completa della realtà.

Einstein non negava la correttezza delle sue previsioni. Riconosceva che il formalismo funzionava straordinariamente bene. Il suo dubbio riguardava ciò che la teoria descriveva.

La funzione d’onda fornisce le probabilità dei possibili risultati. Ma rappresenta lo stato fisico completo di un singolo sistema oppure costituisce una descrizione incompleta, eventualmente statistica, di una realtà sottostante?

Einstein propendeva per la seconda possibilità. Riteneva che la funzione d’onda non costituisse una descrizione completa dello stato fisico individuale e che dovesse esistere una descrizione più completa della realtà.

La sua posizione si fondava su alcune convinzioni filosofiche.

La prima era il realismo: i sistemi fisici possiedono caratteristiche reali indipendenti dall’atto di osservarli.

La seconda era la separabilità: sistemi sufficientemente lontani dovrebbero possedere stati reali propri.

La terza era un principio di località: una scelta compiuta in una regione non dovrebbe modificare istantaneamente la realtà fisica di un sistema distante.

La relatività speciale impone una struttura causale nella quale segnali e influenze causali locali non possono propagarsi oltre il cono di luce. Per Einstein, una teoria fondamentale avrebbe dovuto rispettare una concezione locale e separabile della realtà.

Il contrasto con la meccanica quantistica divenne evidente attraverso l’entanglement.

Che cos’è l’entanglement?

Quando due sistemi quantistici interagiscono, possono entrare in uno stato nel quale non è più possibile attribuire a ciascuno una funzione d’onda indipendente capace di descrivere completamente lo stato del sistema composto.

Il sistema composto possiede uno stato ben definito, ma le sue parti non possono essere descritte separatamente mediante stati puri autonomi.

Questa proprietà viene chiamata entanglement quantistico.

Consideriamo due particelle con spin descritte dallo stato:

\[ |\psi\rangle=\frac{1}{\sqrt{2}}\left( |\uparrow\rangle_A|\downarrow\rangle_B - |\downarrow\rangle_A|\uparrow\rangle_B \right) \]

Questo stato, chiamato stato di singoletto, descrive due spin con correlazioni perfette quando vengono misurati lungo la stessa direzione.

Se Alice misura la particella \(A\) e ottiene “alto”, Bob, misurando la particella \(B\) lungo lo stesso asse, ottiene “basso”. Se Alice ottiene “basso”, Bob ottiene “alto”.

Prima della misura, però, lo stato complessivo non assegna semplicemente ad Alice e Bob due valori individuali già dichiarati dal formalismo. Descrive una sovrapposizione di correlazioni.

Il sistema complessivo possiede proprietà ben definite, come lo spin totale nullo del singoletto, che non possono essere ricondotte semplicemente a due stati puri autonomi delle singole parti.

Questa è una forma di non separabilità.

Due sistemi possono trovarsi molto lontani e continuare a essere descritti da uno stato quantistico comune. La distanza spaziale non trasforma automaticamente lo stato globale in due stati indipendenti.

Le correlazioni classiche

Per comprendere che cosa renda speciale l’entanglement, possiamo partire da un esempio classico.

Immaginiamo di inserire un guanto destro e un guanto sinistro in due scatole chiuse. Una scatola viene inviata a Roma e l’altra a Milano.

Quando Andrea apre la scatola a Roma e trova il guanto destro, sa immediatamente che a Milano si trova quello sinistro.

La scoperta è istantanea, ma non è avvenuta alcuna influenza fisica istantanea tra Roma e Milano. I due guanti possedevano già le loro proprietà prima dell’apertura delle scatole. Andrea ha semplicemente scoperto una correlazione stabilita al momento della preparazione.

Lo stesso avviene con due oggetti classici preparati in modo da mostrare sempre risultati opposti. L’osservazione rivela una relazione preesistente.

Einstein sperava che anche le correlazioni quantistiche potessero ricevere una spiegazione analoga. Le particelle avrebbero potuto possedere elementi fisici ulteriori, non descritti dalla funzione d’onda, capaci di determinare o spiegare i risultati delle possibili misurazioni.

La funzione d’onda non avrebbe descritto completamente queste proprietà, proprio come una distribuzione probabilistica classica può non specificare quale guanto si trovi in una determinata scatola.

Ma le correlazioni quantistiche possono assumere forme che non sono riproducibili mediante semplici istruzioni locali preesistenti compatibili con le condizioni successivamente formulate da Bell.

La differenza sarebbe stata dimostrata da John Bell.

L’argomento EPR

Nel 1935 Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen pubblicarono un articolo destinato a diventare uno dei testi più discussi della fisica moderna.

Il loro obiettivo era mostrare che la descrizione quantistica della realtà non poteva essere completa.

L’argomento si fondava su un criterio di realtà. Se possiamo prevedere con certezza il valore di una grandezza fisica senza disturbare in alcun modo il sistema, allora, secondo EPR, deve esistere un elemento della realtà corrispondente a quella grandezza.

Nella versione originale dell’argomento, EPR considerarono due sistemi entangled nelle variabili di posizione e quantità di moto.

Dopo averli separati, una misura della posizione del primo sistema permetteva di prevedere con certezza la posizione del secondo. Una misura della quantità di moto del primo permetteva invece di prevedere con certezza la quantità di moto del secondo.

Alice poteva scegliere quale grandezza misurare sul proprio sistema.

Se la scelta di Alice non produceva alcuna influenza fisica sul sistema lontano di Bob, allora, seguendo il criterio di realtà adottato da EPR, la posizione o la quantità di moto di Bob dovevano corrispondere a elementi della realtà indipendentemente dalla misurazione compiuta da Alice.

Poiché Alice avrebbe potuto scegliere quale grandezza misurare, EPR conclusero che al sistema di Bob dovessero corrispondere elementi di realtà sia per la posizione sia per la quantità di moto.

La meccanica quantistica, però, non attribuisce simultaneamente valori definiti a entrambe con precisione arbitraria nello stesso stato quantistico.

EPR non conclusero quindi che la meccanica quantistica fosse sperimentalmente sbagliata. Conclusero che la funzione d’onda non forniva una descrizione completa della realtà fisica.

Dovevano esistere elementi ulteriori non contenuti nella descrizione quantistica.

L’idea che la descrizione quantistica dovesse essere completata da ulteriori elementi fisici avrebbe successivamente alimentato il programma delle teorie a variabili nascoste.

La versione di Bohm

L’argomento EPR originale utilizza posizione e quantità di moto ed è matematicamente più complesso da presentare.

Nel 1951 David Bohm ne formulò una versione basata sullo spin di due particelle. È questa la forma utilizzata più spesso per spiegare l’entanglement e il teorema di Bell.

Le due particelle vengono preparate nello stato di singoletto e inviate in direzioni opposte. Alice e Bob possono scegliere lungo quale asse misurare lo spin.

Quando utilizzano lo stesso asse, ottengono sempre risultati opposti.

Se Alice misura “alto”, può prevedere con certezza che Bob otterrà “basso” lungo lo stesso asse, senza intervenire direttamente sul suo apparato.

Seguendo il criterio di realtà di EPR, sembrerebbe naturale concludere che il risultato di Bob corrisponda a una proprietà reale del sistema.

Ma Alice può scegliere tra differenti direzioni di misura. Se ogni possibile risultato di Bob esistesse indipendentemente dalla scelta di Alice, una spiegazione locale dovrebbe specificare variabili fisiche nel passato comune dei due sistemi sufficienti a determinare, o almeno a fissare probabilisticamente, le distribuzioni dei risultati senza dipendenza causale dalla scelta lontana.

Una teoria locale di questo tipo dovrebbe quindi fornire una spiegazione delle correlazioni attraverso proprietà o variabili condivise dai sistemi prima della separazione.

Per diversi decenni sembrò che la scelta tra una concezione di questo genere e la meccanica quantistica fosse principalmente filosofica.

Bell dimostrò che non era così.

La risposta di Bohr

Niels Bohr rispose rapidamente all’argomento EPR.

Non contestò i calcoli delle correlazioni. Contestò il criterio utilizzato per attribuire realtà simultanea alle proprietà.

La scelta della misurazione compiuta da Alice non esercita necessariamente un disturbo meccanico ordinario sulla particella di Bob. Bohr sostenne però che il criterio EPR di realtà trascurava il ruolo essenziale dell’intera disposizione sperimentale nel definire le condizioni sotto le quali una previsione fisica acquista significato.

Se Alice sceglie di misurare la posizione, si stabilisce un contesto sperimentale nel quale può formulare una previsione certa sulla posizione di Bob. Se sceglie di misurare la quantità di moto, viene utilizzato un contesto differente.

Secondo Bohr, non è legittimo riunire in un’unica descrizione classica proprietà definite attraverso configurazioni sperimentali incompatibili.

La risposta riflette il principio di complementarità. Posizione e quantità di moto sono entrambe necessarie al linguaggio della fisica, ma le condizioni sperimentali per determinarle con precisione non possono essere combinate senza limiti.

Per Einstein, questa risposta rinunciava troppo facilmente alla descrizione di una realtà indipendente.

Per Bohr, era invece la richiesta di una simile descrizione classica, separata dalle condizioni sperimentali che rendono possibile la definizione del fenomeno, a essere inadeguata.

Il contrasto riguardava quindi due concezioni differenti della scienza.

Einstein chiedeva che la teoria rappresentasse lo stato reale dei sistemi anche quando non vengono osservati. Bohr attribuiva un ruolo fondamentale alle condizioni nelle quali un fenomeno può essere definito e comunicato.

Le variabili nascoste

Una possibile risposta alle difficoltà quantistiche consiste nell’ipotizzare che la funzione d’onda non descriva completamente il sistema.

Potrebbero esistere variabili nascoste che determinano o completano la descrizione dei risultati individuali, mentre la meccanica quantistica fornirebbe soltanto una descrizione statistica.

L’idea può essere confrontata, almeno intuitivamente, con ciò che avviene nella meccanica statistica classica.

Quando lanciamo una moneta, assegniamo probabilità a testa e croce perché non conosciamo esattamente la posizione iniziale, la velocità, la resistenza dell’aria e tutte le altre condizioni. In linea di principio, nella descrizione classica ideale, il risultato è determinato dalle leggi del moto.

La probabilità esprime la nostra ignoranza, non necessariamente un’indeterminazione fondamentale.

Einstein sperava che la probabilità quantistica potesse derivare dall’incompletezza della descrizione fornita dalla funzione d’onda, anche se la sua posizione non deve essere identificata semplicemente con una particolare teoria deterministica a variabili nascoste.

Ma non tutte le teorie a variabili nascoste sono uguali. Possono essere locali oppure nonlocali, deterministiche oppure stocastiche, contestuali oppure non contestuali.

La meccanica bohmiana, formulata nella sua forma moderna da David Bohm nel 1952, dimostra che una teoria deterministica a variabili aggiuntive capace di riprodurre le previsioni della meccanica quantistica non relativistica è possibile.

Questa teoria è però esplicitamente nonlocale.

Il problema non è quindi se ogni forma di realismo o ogni teoria a variabili nascoste possa sopravvivere. Il problema è quali caratteristiche una teoria realista debba modificare o abbandonare per riprodurre i fenomeni quantistici.

Bell trasforma la filosofia in fisica sperimentale

Nel 1964 il fisico nordirlandese John Stewart Bell compì un passo decisivo.

Bell si chiese se fosse possibile costruire una teoria capace di completare la meccanica quantistica conservando una struttura localmente causale.

La risposta fu negativa.

Bell dimostrò che nessuna teoria che soddisfi determinate condizioni di causalità locale, insieme alle altre assunzioni necessarie alla derivazione, può riprodurre tutte le correlazioni previste dalla meccanica quantistica.

Una vasta classe di teorie nelle quali le correlazioni vengono spiegate mediante variabili appartenenti al passato causale comune dei sistemi e nelle quali ciò che accade in una regione non dipende causalmente dalle scelte effettuate in una regione spazialmente separata deve rispettare determinati limiti statistici.

Questi limiti sono espressi dalle disuguaglianze di Bell.

La meccanica quantistica prevede invece che, per alcuni stati entangled e opportune scelte delle misurazioni, tali disuguaglianze vengano violate.

La differenza tra una descrizione localmente causale di questo tipo e le previsioni quantistiche non era quindi soltanto metafisica. Poteva essere sottoposta a esperimento.

Bell mostrò che non possiamo spiegare tutte le correlazioni quantistiche immaginando semplicemente che le particelle portino con sé istruzioni locali preesistenti, simili ai guanti chiusi nelle scatole.

Come funzionano le disuguaglianze di Bell

Immaginiamo che Alice e Bob ricevano due particelle entangled.

Alice può scegliere tra due impostazioni del proprio strumento, indicate con \(a\) e \(a'\). Bob può scegliere tra altre due impostazioni, \(b\) e \(b'\).

Ogni misura produce uno di due risultati, che possiamo rappresentare con \(+1\) e \(-1\).

In una teoria localmente causale del tipo considerato, il risultato di Alice può dipendere dall’impostazione del suo strumento e dalle variabili rilevanti condivise nel passato, ma non dalla scelta lontana di Bob. Analogamente, il risultato di Bob non può dipendere causalmente dall’impostazione scelta da Alice.

Indicando con \(E(a,b)\) la correlazione media tra i risultati ottenuti con determinate impostazioni, possiamo costruire la quantità:

\[ S= E(a,b)+E(a,b')+E(a',b)-E(a',b') \]

Una forma della disuguaglianza di Bell, chiamata disuguaglianza CHSH, stabilisce che per i modelli locali considerati:

\[ |S|\leq 2 \]

La meccanica quantistica prevede invece, per stati e scelte opportune degli assi di misura, valori che possono raggiungere:

\[ |S|=2\sqrt{2} \]

Questo valore costituisce il cosiddetto limite di Tsirelson, il massimo consentito dalla meccanica quantistica per la quantità CHSH.

La differenza non dipende da una particolare interpretazione filosofica. È una differenza quantitativa tra classi di teorie.

Gli esperimenti possono quindi misurare le correlazioni e stabilire quale limite viene rispettato.

Che cosa presuppone il teorema di Bell?

Il teorema di Bell viene spesso riassunto dicendo che la natura ha confutato il “realismo locale”. Questa espressione è utile come abbreviazione, ma può essere fuorviante se non viene precisata.

Le disuguaglianze derivano da un insieme di assunzioni.

Una delle principali è la causalità locale: una volta specificata completamente la situazione fisica rilevante nel passato comune dei due sistemi, le probabilità dei risultati locali non devono dipendere causalmente dall’impostazione o dal risultato ottenuto nella regione spazialmente separata.

Un’altra è l’indipendenza delle impostazioni, spesso chiamata measurement independence: le impostazioni degli strumenti di Alice e Bob non devono essere correlate in modo rilevante con le variabili fisiche utilizzate per spiegare i risultati.

La derivazione utilizza inoltre una struttura probabilistica ben definita per le variabili fisiche e i risultati effettivamente considerati.

Non è necessario supporre, come premessa generale del teorema, che tutte le osservabili non misurate possiedano simultaneamente valori preesistenti determinati.

Il teorema non dimostra semplicemente che “la realtà non esiste”. Mostra che nessuna teoria che soddisfi contemporaneamente le condizioni richieste da un modello localmente causale di quel tipo può riprodurre tutte le previsioni quantistiche.

Qualcosa nell’immagine classica deve essere abbandonato o modificato.

Le diverse interpretazioni non concordano su che cosa debba essere sacrificato.

Gli esperimenti di Bell

Le prime verifiche sperimentali significative delle disuguaglianze di Bell furono realizzate negli anni Settanta.

Nel 1972 Stuart Freedman e John Clauser osservarono correlazioni in accordo con la meccanica quantistica e incompatibili con la disuguaglianza testata.

Negli anni Ottanta gli esperimenti guidati da Alain Aspect introdussero importanti miglioramenti, tra cui esperimenti nei quali le impostazioni degli analizzatori venivano modificate durante il volo dei fotoni.

Successivamente, Anton Zeilinger e molti altri ricercatori svilupparono nuove sorgenti di entanglement, esperimenti su distanze maggiori e applicazioni nell’informazione quantistica.

Per molto tempo rimasero aperte alcune scappatoie sperimentali.

La scappatoia della rivelazione dipendeva dal fatto che non tutte le particelle prodotte venivano registrate. La scappatoia della località riguardava la possibilità che le scelte delle impostazioni e i risultati potessero essere collegati da influenze subluminali durante l’esperimento. La cosiddetta scappatoia della libertà di scelta, più precisamente collegata alla measurement independence, riguardava possibili correlazioni tra le impostazioni degli strumenti e le variabili rilevanti dei sistemi.

Nel 2015 diversi gruppi realizzarono esperimenti detti loophole-free, capaci di chiudere simultaneamente, nelle condizioni sperimentali considerate, le principali scappatoie della località e della rivelazione.

I risultati continuarono a essere in accordo con la meccanica quantistica e a violare le disuguaglianze di Bell.

Questo non significa che ogni possibile ipotesi filosofica alternativa sia stata eliminata. In particolare, l’indipendenza delle impostazioni costituisce un’assunzione concettualmente differente dalle scappatoie sperimentali della località e dell’efficienza di rivelazione.

Nel 2022 il premio Nobel per la fisica fu assegnato ad Alain Aspect, John Clauser e Anton Zeilinger per gli esperimenti con fotoni entangled, la violazione delle disuguaglianze di Bell e i contributi pionieristici alla scienza dell’informazione quantistica.

Gli esperimenti non dimostrano una singola interpretazione della meccanica quantistica. Escludono però la possibilità di conservare senza modifiche una vasta classe di spiegazioni localmente causali delle correlazioni osservate.

La natura è nonlocale?

Dire che gli esperimenti violano le disuguaglianze di Bell non significa automaticamente che sia stato osservato un segnale capace di viaggiare istantaneamente.

Il termine nonlocalità viene utilizzato in modi differenti.

In senso preciso, le correlazioni quantistiche violano le condizioni imposte dalla causalità locale utilizzata nella derivazione delle disuguaglianze di Bell, date le altre assunzioni rilevanti. Non possono essere riprodotte da un modello localmente causale del tipo considerato.

Questo non implica però che Alice possa inviare un messaggio a Bob più velocemente della luce.

I due fatti devono essere tenuti distinti:

• le correlazioni quantistiche non ammettono una spiegazione localmente causale del tipo considerato da Bell, date le altre assunzioni;
• le correlazioni non possono essere controllate per trasmettere informazioni istantanee.

Le correlazioni osservate violano quindi i limiti imposti dalle disuguaglianze di Bell alle teorie che soddisfano le assunzioni considerate, ma continuano a rispettare il principio di non segnalazione.

Perché l’entanglement non permette comunicazioni istantanee

Supponiamo che Alice e Bob condividano molte coppie di particelle entangled.

Alice può scegliere quale grandezza misurare e ottiene per ogni particella un risultato individuale imprevedibile secondo la teoria quantistica. Bob, a grande distanza, ottiene anch’egli una sequenza di risultati individualmente imprevedibili.

Osservando soltanto i propri dati, Bob non può sapere quale impostazione abbia scelto Alice e neppure se Alice abbia già effettuato la propria misurazione.

La distribuzione locale dei suoi risultati rimane la stessa.

Le correlazioni emergono soltanto quando Alice e Bob confrontano le rispettive registrazioni. Per effettuare questo confronto devono utilizzare un canale di comunicazione classico, soggetto al limite della velocità della luce.

Alice non può scegliere il risultato che ottiene. Non può decidere di produrre una sequenza di “alto” e “basso” corrispondente a un messaggio.

L’entanglement genera correlazioni nonclassiche, non un sistema di telegrafia istantanea.

Questa distinzione permette alla meccanica quantistica di convivere operativamente con la struttura causale della relatività speciale, anche se il significato profondo delle correlazioni continua a sollevare problemi interpretativi.

Correlazione non significa causa

Quando due eventi sono correlati, non significa necessariamente che uno abbia causato l’altro.

I risultati di Alice e Bob possono, in una teoria classica, dipendere da una causa comune nel passato. È ciò che avviene con i guanti: la correlazione deriva dal modo in cui sono stati inseriti nelle scatole.

Bell mostra però che una spiegazione mediante variabili associate a una causa comune che soddisfi la causalità locale e l’indipendenza delle impostazioni non può riprodurre tutte le correlazioni quantistiche osservate.

Non possiamo quindi spiegare i risultati dicendo semplicemente che ogni particella conosceva già tutte le risposte da fornire e che tali risposte erano completamente locali e indipendenti dalle impostazioni future.

Ma non dobbiamo neppure immaginare necessariamente un segnale che parte da Alice e raggiunge Bob al momento della misura. Il formalismo quantistico descrive uno stato globale e assegna probabilità congiunte ai risultati.

A seconda dell’interpretazione, le correlazioni possono essere comprese come effetto di una dinamica nonlocale, come conseguenza della struttura dello stato globale, come relazioni tra sistemi oppure attraverso altre concezioni.

L’esperimento stabilisce la struttura delle correlazioni. Il modo in cui la inseriamo in un’immagine della realtà richiede un’interpretazione.

Separabilità e olismo

L’entanglement mette fortemente sotto pressione una concezione semplice della separabilità.

Nella visione classica, se conosciamo completamente lo stato di ogni parte e le relazioni rilevanti tra esse, possiamo ricostruire lo stato dell’intero sistema.

Nello stato entangled, invece, l’intero sistema può trovarsi in uno stato puro ben definito mentre le parti, considerate separatamente, non possiedono stati puri autonomi. La descrizione completa del sistema composto non può essere fattorizzata nella semplice combinazione degli stati puri dei suoi componenti.

In questo senso, il tutto non è semplicemente riducibile a due descrizioni quantistiche autonome delle parti.

Questo suggerisce una forma di olismo quantistico.

L’olismo non deve essere interpretato in senso mistico. Non significa che tutto nell’universo sia collegato a tutto in modo utilizzabile o cosciente. Indica una caratteristica matematica e fisica precisa: alcuni stati composti non possono essere scomposti nel prodotto di stati autonomi dei sottosistemi.

Le relazioni possono quindi assumere un ruolo fondamentale nella descrizione fisica.

Una possibile lettura filosofica è che la realtà possa essere costituita da strutture relazionali nelle quali alcune proprietà delle parti dipendono dallo stato del tutto.

Una particella non sarebbe necessariamente un’entità completamente autonoma dotata di un proprio elenco completo di proprietà classiche. Potrebbe essere definita, almeno in parte, anche dalle relazioni quantistiche che la collegano ad altri sistemi.

Proprietà intrinseche e proprietà relazionali

La filosofia distingue spesso tra proprietà intrinseche e proprietà relazionali.

Una proprietà intrinseca appartiene a un oggetto considerato in se stesso. Una proprietà relazionale dipende dal rapporto con qualcos’altro.

La massa a riposo di una particella viene normalmente considerata una proprietà intrinseca. La distanza tra due oggetti è invece chiaramente relazionale.

La meccanica quantistica suggerisce che anche grandezze che intuitivamente vorremmo trattare come un catalogo di proprietà già determinate non possano sempre ricevere simultaneamente valori definiti indipendentemente dal contesto.

La componente dello spin lungo un asse, per esempio, è un’osservabile definita rispetto a una direzione spaziale, che sperimentalmente viene selezionata dall’orientamento dell’apparato di misura.

Questo non significa che la particella sia priva di realtà. Significa che la sua realtà potrebbe non consistere in un insieme completo di valori preesistenti per tutte le misurazioni possibili.

Una concezione relazionale della realtà non nega necessariamente il mondo esterno. Nega piuttosto che ogni aspetto del mondo debba appartenere isolatamente a singoli oggetti indipendentemente dalle relazioni nelle quali essi sono inseriti.

La contestualità

Il teorema di Bell riguarda le correlazioni tra sistemi lontani, ma la meccanica quantistica mette in crisi alcune forme di assegnazione classica delle proprietà anche all’interno di un singolo sistema.

Il teorema di Kochen-Specker mostra che, in spazi di Hilbert di dimensione appropriata, non è possibile assegnare coerentemente valori definiti a tutte le osservabili quantistiche rispettando le relazioni funzionali previste dalla teoria e supponendo contemporaneamente che quei valori siano indipendenti dal contesto di misura.

Non possiamo quindi costruire, sotto queste assunzioni, un catalogo completo nel quale ogni osservabile possieda già un valore che attende soltanto di essere letto, indipendentemente dalle altre osservabili compatibili con le quali viene misurata.

Il teorema esclude così una classe naturale di modelli a valori preesistenti non contestuali. Riprodurre le previsioni quantistiche richiede di abbandonare o modificare almeno una delle assunzioni coinvolte.

Il contesto non è lo stato psicologico dell’osservatore. È l’insieme delle condizioni fisiche e delle osservabili compatibili che definiscono la situazione sperimentale.

Bell e Kochen-Specker colpiscono due aspetti differenti dell’immagine classica:

• Bell limita le spiegazioni localmente causali delle correlazioni tra sistemi distanti;
• Kochen-Specker limita le assegnazioni non contestuali di valori preesistenti.

Insieme pongono forti vincoli all’idea che la realtà quantistica possa essere rappresentata come un semplice insieme di oggetti locali dotati, in ogni istante, di un catalogo completo di proprietà classiche determinate e indipendenti dal contesto.

Possiamo salvare il realismo?

La risposta dipende dal tipo di realismo che vogliamo conservare.

Se per realismo intendiamo soltanto che esiste un mondo indipendente dalla coscienza umana, la meccanica quantistica non lo confuta.

Gli esperimenti avvengono indipendentemente dai nostri desideri. I risultati seguono regolarità matematiche precise. Gli atomi esistevano prima degli esseri umani e i processi quantistici hanno contribuito alla formazione delle stelle, dei pianeti e delle molecole della vita.

Se per realismo intendiamo invece che tutte le osservabili possiedono sempre valori locali, definiti e non contestuali, allora la teoria e gli esperimenti pongono ostacoli molto forti a una simile concezione.

Possiamo conservare una forma di realismo modificando altre assunzioni.

La meccanica bohmiana conserva particelle con posizioni determinate, ma accetta una dinamica nonlocale e contestuale.

Le teorie di collasso oggettivo considerano il collasso un processo fisico reale e modificano la dinamica quantistica standard introducendo processi spontanei capaci di sopprimere le sovrapposizioni macroscopiche. Proprio perché modificano la dinamica, almeno alcune di queste teorie possono produrre, in linea di principio, previsioni sperimentalmente differenti dalla meccanica quantistica standard.

L’interpretazione a molti mondi considera reale lo stato quantistico universale e mantiene l’evoluzione unitaria, ma rinuncia all’idea che la misurazione produca un unico esito globale attraverso un collasso fondamentale.

Il realismo strutturale attribuisce priorità alle relazioni e alle strutture piuttosto che a un’immagine del mondo costituita esclusivamente da oggetti autonomi dotati di proprietà individuali.

Le interpretazioni relazionali considerano alcune proprietà definite relativamente alle interazioni con altri sistemi fisici.

La meccanica quantistica non elimina quindi necessariamente il realismo. Lo costringe piuttosto a precisare quale realtà considerare fondamentale e quali caratteristiche dell’immagine classica siamo disposti ad abbandonare.

Realismo strutturale

Una possibile risposta filosofica è il realismo strutturale.

Secondo questa posizione, ciò che le teorie scientifiche descrivono in modo più affidabile non sono necessariamente gli oggetti considerati come sostanze autonome dotate di un insieme immutabile di proprietà, ma le strutture e le relazioni che collegano i fenomeni.

Le teorie possono cambiare profondamente la propria interpretazione delle entità fondamentali. La storia della fisica della luce, per esempio, ha attraversato descrizioni corpuscolari, ondulatorie, elettromagnetiche e infine quantistiche. Nel passaggio tra teorie differenti, alcune strutture matematiche e regolarità sperimentali possono tuttavia essere conservate, generalizzate o incorporate nelle teorie successive.

Nel caso dell’entanglement, lo stato complessivo definisce correlazioni che non possono essere ricondotte semplicemente a stati puri autonomi delle parti. Una possibile lettura filosofica è che la struttura relazionale possa essere più fondamentale di quanto suggerisca l’immagine classica degli oggetti separati.

Il realismo strutturale cerca quindi di conservare l’idea che la scienza descriva una realtà indipendente, evitando di identificare troppo rapidamente quella realtà con le immagini intuitive derivate dall’esperienza macroscopica.

Ma anche questa posizione solleva domande.

Può esistere una struttura senza qualcosa che la realizzi? Le relazioni possono essere fondamentali senza oggetti tra i quali sussistono? La matematica descrive la realtà oppure coincide con essa?

La fisica riapre così problemi metafisici antichi in una forma nuova.

L’idealismo è confermato?

Poiché la misurazione svolge un ruolo centrale, alcuni hanno interpretato la meccanica quantistica come una conferma dell’idealismo filosofico.

La realtà, secondo questa lettura, esisterebbe soltanto quando viene osservata da una coscienza.

Questa conclusione non è giustificata dalla teoria quantistica.

Gli “osservatori” nel linguaggio della fisica quantistica non devono necessariamente essere esseri coscienti. Apparati, atomi, campi e altri sistemi fisici possono interagire quantisticamente, diventare entangled e produrre processi di decoerenza indipendentemente dalla presenza di esseri umani.

Inoltre, le teorie quantistiche sono compatibili con interpretazioni esplicitamente realiste, come la meccanica bohmiana, le teorie di collasso oggettivo e diverse versioni dell’interpretazione a molti mondi.

La meccanica quantistica mette in difficoltà alcune forme di realismo classico basate su proprietà locali, preesistenti e non contestuali. Non dimostra che esistano soltanto idee o percezioni.

L’idealismo rimane una posizione filosofica possibile, ma non è una conseguenza sperimentale obbligatoria della teoria.

La meccanica quantistica conferma Kant?

Anche il confronto con Kant richiede cautela.

La distinzione kantiana tra fenomeno e cosa in sé sembra presentare un’affinità con la differenza tra ciò che possiamo osservare in un contesto sperimentale e ciò che una realtà indipendente potrebbe essere in se stessa.

La teoria quantistica mostra che le condizioni della misurazione svolgono un ruolo essenziale nella definizione e nella previsione di alcune proprietà osservabili. Non possiamo trattare ogni fenomeno come se le modalità fisiche attraverso cui viene investigato fossero sempre irrilevanti.

Tuttavia, gli apparati quantistici non coincidono con le forme a priori della sensibilità o con le categorie dell’intelletto kantiane. La meccanica quantistica è una teoria empirica formulata attraverso esperimenti e matematica, non un’analisi trascendentale delle condizioni universali della conoscenza.

Non possiamo quindi dire che la fisica abbia dimostrato Kant.

Possiamo però riconoscere che la teoria rende nuovamente urgente una domanda simile:

conosciamo la realtà come è in se stessa oppure soltanto attraverso le condizioni che rendono possibile una determinata esperienza fisica?

Superdeterminismo e indipendenza delle impostazioni

Una delle assunzioni utilizzate nei test di Bell è che le scelte delle impostazioni sperimentali siano sufficientemente indipendenti dalle variabili utilizzate per spiegare i risultati delle particelle.

Se questa indipendenza viene negata, è possibile evitare la conclusione standard del teorema.

Le concezioni che seguono questa strada vengono spesso chiamate superdeterministiche.

In un modello superdeterministico, le variabili fisiche rilevanti per i sistemi studiati sarebbero statisticamente correlate anche con le impostazioni degli strumenti in modo tale da violare l’assunzione di measurement independence.

Non è necessario formulare il problema in termini di libero arbitrio umano. La questione fisica fondamentale è se le impostazioni sperimentali possano essere trattate come sufficientemente indipendenti dalle variabili che determinano o influenzano i risultati.

Questa possibilità non è una contraddizione logica. Tuttavia, modifica profondamente una delle assunzioni utilizzate nell’interpretazione ordinaria degli esperimenti di Bell.

Se lo stato dei sistemi studiati è correlato con le impostazioni degli strumenti in modo rilevante, l’inferenza che conduce dalle correlazioni osservate all’esclusione dei modelli localmente causali deve essere riesaminata.

Il superdeterminismo non è semplicemente il determinismo tradizionale. Anche in un universo completamente deterministico possiamo trattare le impostazioni come statisticamente indipendenti dalle proprietà rilevanti delle particelle. Il superdeterminismo, nel contesto di Bell, richiede invece che questa indipendenza statistica venga meno.

Alcuni ricercatori continuano a esplorare questa possibilità, ma non esiste attualmente un consenso secondo cui un programma superdeterministico abbia sostituito la formulazione standard della meccanica quantistica.

Retrocausalità

Un’altra possibilità consiste nel mettere in discussione la direzione ordinaria della causalità.

Nelle interpretazioni retrocausali, le scelte di misura future possono contribuire alla descrizione o alla determinazione delle variabili fisiche associate a eventi precedenti, senza necessariamente consentire l’invio di segnali controllabili nel passato.

Invece di immaginare un’influenza istantanea tra Alice e Bob, si può considerare la possibilità che le impostazioni degli strumenti partecipino alla determinazione delle condizioni fisiche lungo l’intero processo, comprese quelle precedenti alla separazione delle particelle.

Alcuni programmi retrocausali cercano in questo modo di costruire spiegazioni compatibili con una dinamica locale nello spaziotempo, al prezzo di modificare la struttura causale ordinaria.

La causa deve sempre precedere temporalmente l’effetto? Oppure le leggi fondamentali possono imporre vincoli globali che coinvolgono condizioni passate e future?

La fisica quantistica riapre così anche il problema filosofico della direzione causale.

Come nel caso del superdeterminismo, la retrocausalità rappresenta una possibilità interpretativa, non una conclusione dimostrata dagli esperimenti di Bell.

Gli esperimenti decidono la metafisica?

Gli esperimenti di Bell mostrano che la metafisica non è completamente separata dalla fisica.

Un’idea filosofica sulla realtà può avere conseguenze matematiche e sperimentali. Se immaginiamo che le correlazioni tra le particelle possano essere spiegate mediante una teoria localmente causale e assumiamo l’indipendenza delle impostazioni, otteniamo limiti precisi sulle correlazioni.

Gli esperimenti osservano correlazioni che violano quei limiti.

Intere classi di concezioni vengono quindi escluse.

Ma gli esperimenti non determinano una sola metafisica possibile.

Le diverse risposte includono teorie nonlocali, modelli contestuali, interpretazioni everettiane con ramificazione dei risultati, teorie di collasso oggettivo, concezioni relazionali, approcci superdeterministici e programmi retrocausali. Ciascuna soluzione modifica un aspetto differente dell’immagine classica e incontra proprie difficoltà.

La relazione tra evidenza e interpretazione rimane quindi in parte sottodeterminata: più interpretazioni possono essere compatibili con gli stessi dati sperimentali disponibili.

Questo non significa che tutte siano equivalenti. Possono differire per semplicità, chiarezza, capacità esplicativa, struttura ontologica, compatibilità con altre teorie e, in alcuni casi, possibilità di produrre nuove previsioni sperimentalmente distinguibili.

La filosofia della scienza analizza proprio questi criteri.

Che cosa rimane della realtà indipendente?

Possiamo ora rispondere alla domanda del capitolo.

Esiste una realtà indipendente dall’osservazione?

La meccanica quantistica non offre una ragione definitiva per negarlo. Il mondo non dipende dalla volontà umana e i fenomeni quantistici obbediscono a regolarità oggettive.

Ciò che non possiamo più sostenere ingenuamente è che questa realtà sia necessariamente costituita da oggetti separati, ciascuno dotato in ogni momento di tutte le proprietà classiche determinate, locali e indipendenti dal contesto.

Gli esperimenti di Bell escludono le spiegazioni che soddisfano contemporaneamente le condizioni di causalità locale e le altre assunzioni utilizzate nella derivazione delle disuguaglianze testate. Il teorema di Kochen-Specker limita le assegnazioni non contestuali di valori preesistenti. L’entanglement mostra che lo stato del tutto può contenere proprietà e correlazioni non riducibili a stati puri autonomi delle singole parti.

La realtà può quindi essere indipendente dall’osservatore senza essere necessariamente indipendente da ogni relazione.

Può essere oggettiva senza essere composta esclusivamente da proprietà intrinseche.

Può essere reale senza corrispondere all’immagine intuitiva del mondo classico.

La vera lezione della meccanica quantistica non è che la realtà non esiste. È che non possiamo stabilire in anticipo quale forma debba avere sulla base delle categorie sviluppate nell’esperienza quotidiana.

Una realtà, molte immagini

Einstein, Bohr, Bohm, Everett e gli altri protagonisti del dibattito quantistico non discutevano semplicemente su come svolgere un calcolo.

Discutevano su quale immagine del mondo potesse essere considerata compatibile con quei calcoli.

Per Einstein, una teoria fisica completa avrebbe dovuto descrivere una realtà indipendente dall’atto di osservazione e rispettare una concezione locale e separabile dei sistemi distanti. Per Bohr, il fenomeno quantistico non poteva essere separato dalle condizioni sperimentali che ne permettono la definizione e la comunicazione. Per Bohm, una realtà deterministica poteva essere conservata accettando una dinamica nonlocale e contestuale. Per Everett, l’evoluzione unitaria poteva essere mantenuta rinunciando al collasso fondamentale e all’unicità globale del risultato.

Ognuna di queste posizioni risponde in modo differente alle stesse domande:

• che cosa rappresenta la funzione d’onda?
• le proprietà esistono prima della misura?
• il collasso è reale?
• la realtà è locale?
• esiste un unico risultato?
• qual è il ruolo dell’osservatore?

Il formalismo quantistico è in larga parte comune. Le immagini della realtà sono differenti.

Il passo successivo consiste quindi nell’esaminare sistematicamente queste interpretazioni.

Non per scegliere quella più affascinante, ma per comprendere quali problemi risolve, quali assunzioni introduce e quale idea della realtà ci propone.

La domanda non sarà più soltanto:

la realtà esiste indipendentemente dall’osservazione?

Sarà:

quale realtà descrive davvero la meccanica quantistica?