Finale: la Meccanica Quantistica può essere innocua?

Siamo quindi arrivati alla fine di questa serie di post su un possibile approccio “non convenzionale” alla risoluzione di alcuni dei nodi storici della Meccanica Quantistica (MQ).

Proviamo a riepilogare:

  1. La MQ “funziona” benissimo, ma ha degli aspetti controversi. Un grande fisico come Feynman diceva che nessuno capisce davvero la MQ, ma il problema maggiore è che la MQ, specie se accompagnata dalla sua “canonica” interpretazione detta di Copenhagen, confuta o almeno mette in seria difficoltà alcuni principi fondanti della scienza classica: il Realismo Scientifico, il Principio di Località, il Determinismo. Esistono da molti anni dei tentativi per “salvare” almeno qualcuno di questi principi: ad esempio le teorie delle variabili nascoste come quella di Bohm  appunto ipotizzando delle variabili reali ma inaccessibili che determinino gli aspetti apparentemente casuali dei fenomeni quantistici. Nessuno di questi tentativi però si è sinora affermato. 
  2. Esaminando più da vicino il problema, mi pare si possa dire che tutti gli aspetti “imbarazzanti” della MQ siano legati alle nozioni di Spazio e di Tempo. Il Principio di Indeterminazione di Heisenberg si applica tipicamente a grandezze, come la posizione, la velocità o l’energia di una particella, che hanno a che fare con lo Spazio e il Tempo, e non si applica a grandezze non spaziotemporali come la massa a riposo, lo spin o la carica elettrica.
  3. Parallelamente, l’altra grande e rivoluzionaria teoria fisica del Novecento, la Relatività Generale einsteiniana, fondandosi sul principio di equivalenza perfetta tra i sistemi di riferimento di tutti i possibili osservatori, ci ha “costretto” a considerare con sospetto la nozione di “punto” dello spazio-tempo. La Fisica non è in grado di distinguere tra due Universi che si differenzino solo per una trasformazione dello spazio-tempo che non modifichi le relazioni tra gli oggetti fisici (tecnicamente, un diffeomorfismo dello spazio-tempo e della sua metrica); questa caratteristica può anche essere espressa come background-independence, ossia la descrizione fisica del mondo non dipende dallo specifico “sfondo” spaziotemporale che usiamo. Se accettiamo l’antico principio di identità degli indiscernibili introdotto da Leibniz, non si tratterebbe di due Universi distinti, ma dello stesso Universo descritto in due modi diversi. Lo Spazio e il Tempo, quindi, non sarebbero adatti a fornire una descrizione “fondamentale” della realtà fisica.
  4. Dalle considerazioni precedenti, viene naturale chiedersi se si possa elaborare una teoria fondamentale che non faccia uso dei concetti di Spazio e di Tempo. Una teoria del genere dovrebbe essere essenzialmente relazionale, ossia basarsi solo su oggetti elementari e le loro relazioni, e sarebbe “naturalmente” background-independent.  Lo Spazio dovrebbe emergere quando si descriva un sistema “abbastanza grande” perché abbia senso definirne una “dimensione”, ma questa definizione sarebbe basata sulle grandezze “fondamentali” che costituiscono la descrizione relazionale. Ricordiamoci però che “perdere” lo spaziotempo significa perdere anche la Gravitazione einsteiniana, che è indissolubile da esso. Quindi, se vogliamo ricostruire il nostro apparato bisogna che al crescere della “dimensione” del sistema  oltre allo spaziotempo emerga anche la Gravità.
  5. Fortunatamente, ci sono delle teorie escogitate appunto per fare questo, ossia “riprodurre” la Gravitazione einsteiniana a partire da un substrato fondamentale relazionale. La più accreditata di queste è la teoria delle Spin Networks, che adotta come descrizione fondamentale della realtà fisica una rete costituita da unità dotate di spin e dalle loro relazioni. Questa teorie, ancora non elaborate in modo compiuto, sembrano però in grado di far emergere sia lo spazio-tempo, sia la Gravità, sia, anche, le leggi base della MQ.
  6. Se queste teorie fossero esatte, “salverebbero” due dei tre principi che ho citato prima e renderebbero la MQ sostanzialmente “innocua”:
    1. Il Realismo Scientifico sarebbe preservato, perché le “reti” e le loro proprietà sarebbero ben definite anche indipendentemente dal fatto di essere sottoposte a un osservazione o meno. La rete stessa, e quindi le sue NxN relazioni, costituirebbe l’insieme di variabili nascoste che giustificherebbero l’apparente ambiguità delle descrizioni quantistiche spaziotemporali.
    2. Per lo stesso motivo, sarebbe preservato anche il Determinismo, visto che le componenti probabilistiche della teoria quantistica sarebbero rimpiazzate da calcoli deterministici a partire dalle variabili “fondamentali”.
    3. Invece il Principio di Località sarebbe abbandonato, proprio perché fondato su una nozione, la contiguità spaziale, che non ha un corrispettivo nella descrizione fondamentale della realtà. Il disegno qui sotto, prelevato da uno degli articoli che ho citato, mostra perché:

locality in networks

Se nella rete il nodo i ha una relazione con j, k, l, m, quando lo Spazio “emerge” può accadere che uno di questi nodi, in questo esempio k, si trovi “spazialmente lontano” da i. Non è insomma garantito che all’esistenza di una relazione nella rete fondamentale corrisponda poi una distanza spaziale “piccola”. La nozione di “locale” non è traducibile a livello delle proprietà fondamentali.

Restano da dire, credo, solo altre due cose. Una è che non vorrei aver dato l’idea che questo percorso logico attraverso cui vi ho condotto sia la “nuova verità” della Fisica: non c’è al momento, per quanto posso dire, un consenso sul fatto che le cose stiano effettivamente così, e, data la forma fortemente teorica del tutto, è difficile che siano le osservazioni sperimentali a decidere quale teoria sia quella “giusta”. Ci sono nuove teorie della Fisica fondamentale che competono con quelle “relazionali” (come la Teoria delle Stringhe) e non so quale prevarrà.

L’altra cosa riguarda il Tempo. Forse avrete notato che ho lasciato il Tempo fuori dalle mie ultime considerazioni; il motivo è che mentre secondo l’approccio che ho descritto lo Spazio è decisamente una grandezza non “reale” a livello “fondamentale”, il Tempo “esisterebbe” anche nella descrizione fondamentale della realtà. L’autore che, insieme a Lee Smolin, ha scritto alcuni degli articoli che sto citando, ne ha pubblicato uno (leggetelo, se siete interessati al tema “tecnico”) dall’eloquente titolo Lo spazio non esiste, così il tempo può esistere. La sua tesi, sostanzialmente, è che l’eliminazione dello Spazio dalle grandezze “veramente fondamentali” consente di risolvere i paradossi legati al Tempo che, come saprete, è difficile definire nella rappresentazione relativistica einsteiniana.

Chiudo con una notazione personale. Quando, verso la fine del 2007 ho aperto questo blog, il mio scopo era in realtà anche avere una scusa per ragionare e informarmi meglio su alcuni temi che rientravano tra i miei interessi ma che non riuscivo ad approfondire; avere un pubblico vero o presunto mi ha “obbligato” a essere più organico e rigoroso nelle mie piccole esplorazioni. Il percorso che ho sintetizzato qui sopra mi sembra che almeno per ora risponda in modo promettente a uno dei quesiti che sollevavo allora. Confesso che ne sono molto contento, anche se le cose che ho trovato e vi ho raccontato c’erano quasi tutte già allora. Ero io che non le sapevo…

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