Perché non possiamo non dirci Realisti

Per completare il ragionamento avviato nel post precedente, riassumo brevemente le “puntate precedenti”, esposte più diffusamente in alcuni post a tema fisico:

  1. Il Realismo Scientifico è stato a lungo il presupposto epistemologico della ricerca scientifica. In breve, si tratta dell’ipotesi secondo la quale “il mondo studiato dalla scienza esiste, ed ha le proprietà che ha indipendentemente dalle nostre credenze […] , e lo scopo della scienza è descrivere e spiegare quel mondo, inclusi i suoi molti aspetti che non sono direttamente osservabili” (dal Glossario di un volumone di Filosofia della Scienza di 1300 pagine in inglese che forse prima o poi dovrei leggere…).
  2. Questa tesi è stata messa in crisi dalla Fisica Quantistica (d’ora in poi, FQ), che ha confutato alcune attese “ingenue” del Realismo (ad esempio, l’attesa che una particella abbia delle proprietà definite in qualunque momento, anche se non osservate, v. la discussione sul paradosso EPR, ad esempio su Wikipedia, la voce inglese perché quella italiana è scritta male).
  3. La corrente dominante negli anni ’30 e ’40 ha prodotto un’interpretazione “ortodossa” della FQ chiamata interpretazione di Copenhagen, che adotta una posizione strumentalista. Lo Strumentalismo sostiene che la realtà in sé non è indagabile, e che le nostre teorie scientifiche hanno valore solo come strumenti per la descrizione e la previsione dei fenomeni come da noi percepiti.
  4. Questa interpretazione, ad esempio in Heisenberg, uno dei maggiori esponenti della FQ, comporta che gli enti concettuali di una teoria siano validi solo come funzionali alla costruzione dello strumento-teoria e non abbiano una necessaria relazione con enti della “realtà esterna”. Vale il principio della complementarità delle teorie scientifiche, nel senso che ognuna descrive una categoria di fenomeni, senza pretendere di essere valida in assoluto.
  5. Lo Strumentalismo così definito, a mio parere, oltre a non essere adatto a ispirare il comportamento reale di un ricercatore scientifico (che secondo me parte sempre da un atteggiamento realistico, esplicito o meno), è anche insostenibile. Vediamo perché, utilizzando anche l’esempio dell’evaporazione dei buchi neri citata nel post precedente.

Nella situazione attuale della Fisica, la FQ e la Relatività Generale (RG) sono teorie complementari: descrivono in modo estremamente soddisfacente categorie di fenomeni generalmente distinte. Ora, l’ipotesi dell’evaporazione dei buchi neri di Hawking si basa sull’utilizzo contemporaneo di due concetti:

  • I buchi neri, frutto della RG
  • Le fluttuazioni del vuoto quantistico, frutto della FQ

Se io ho una posizione epistemologica realistica, entrambi questi concetti corrisponderanno, nei limiti di esattezza delle mie teorie, a enti fisici reali. Di conseguenza, se considero valide sia la FQ che la RG, posso senza contraddizione chiedermi cosa succede ai buchi neri a causa delle fluttuazioni quantistiche e alla conseguente creazione di coppie di antiparticelle virtuali. Potrò o meno essere capace di trovare una risposta, ma la domanda ha un senso.

Se io invece ho una posizione strumentalista, non posso neanche pormi questa domanda. Infatti, buchi neri e particelle quantistiche sono concetti appartenenti a due teorie diverse, e privi di senso fuori di esse. In assenza di una realtà sottostante che garantisca la continuità tra le due teorie, è impossibile “trasportare” un concetto da una teoria a un’altra. Ne consegue che:

  • E’ impossibile studiare fenomeni “di confine”, a meno di unificare esplicitamente le teorie (o costruirne una terza per descrivere appunto tali fenomeni).
  • Ogni teoria deve essere totalmente autosufficiente nella descrizione dei propri concetti. Se si parla di elettroni in Fisica, non è detto che si possa farlo, mettiamo, in Chimica, e quand’anche lo si faccia (ossia se in Chimica esiste un concetto di elettrone autonomamente definito) è possibile affermare che i due concetti si identificano solo se si è in grado di unificare le due teorie. Non è così semplice, ad esempio, dire che gli elettroni della Chimica sono dotati di spin (bisogna unificare FQ e Chimica, cosa poi effettivamente fatta).

Quindi, la “complementarità” invocata dallo Strumentalismo è interamente valida solo per categorie di fenomeni rigorosamente distinte e non sovrapponibili. Ma la FQ stessa nasce come teoria complementare alla Fisica classica, da cui dipende per la definizione stessa dell’operazione di misura! Ne consegue il paradosso che la FQ è per costruzione incompatibile con lo Strumentalismo, e richiede la nozione di una realtà esterna unificante per poter essere definita. L’unica forma di teoria che può “sopportare” lo Strumentalismo è una “teoria del tutto”, che non presenti necessità di “giunzioni” con sistemi concettuali diversi: paradossalmente, il tipo di teoria che i più eminenti realisti a partire da Einstein hanno sempre ricercato, e che gli strumentalisti hanno sempre considerato superflua.

Questo mio ragionamento, se corretto, (e sarei molto curioso di sapere cosa ne pensino gli addetti ai lavori) mi porta a ritenere fuorviante il concetto di complementarità delle teorie scientifiche e a considerare inevitabile una posizione epistemologica in qualche forma aderente al Realismo. Ma se il Realismo è epistemologicamente corretto, l’attuale interpretazione della FQ non può esserlo, e quindi ci ritroviamo daccapo, come Einstein, a chiederci: la descrizione quantistica della realtà fisica può dirsi completa? E a rispondere: “No”

Esagero? Vediamo…

Un lettore scrive un commento interessante, segnalandomi che le conclusioni epistemologiche che ho esposto nel mio post precedente sono a suo parere eccessive, non logicamente conseguenti e non condivise dall’interpretazione standard della Fisica Quantistica. Inoltre, trova che il Realismo Scientifico non abbia il ruolo centrale che io gli assegno nella possibilità di costruire teorie scientifiche coerenti.

Dato che di lettori ne ho pochi, è sicuramente una buona prassi quella di tener conto dei loro commenti, tanto più quando sono pertinenti, come in questo caso. A costo di essere noioso, quindi, riprenderò il ragionamento fatto e cercherò di vedere se ci siano dei "buchi" o delle conclusioni arbitrarie.
Una cosa vorrei però anticiparla, in quanto credo sia rilevante: trovo sicuramente fallace, nell’interpretazione standard della Fisica Quantistica, il riferimento al caso classico. Difatti, a mio parere, si commette l’errore di considerare qualitativamente diversa una condizione postulata come solo quantitativamente diversa. Il mondo "macroscopico" della Fisica classica è, se la Fisica Quantistica è esatta, altrettanto quantistico, in linea di principio, di quello microscopico; certo, la misura relativa delle indeterminazioni statistiche differisce, ma questa differenza quantitativa non può giustificare un approccio epistemologicamente diverso.

Quindi, dovremo dedicare qualche prossimo post all’esame dettagliato della questione; se ci riesco, li inframmezzerò con qualche post di altro tema, o rischio di diventare insopportabile…

Repetita Iuvant

Tornando alla Fisica, riformulo per chiarezza parte dell’ultimo post, facendo solo un breve accenno al perché si ritiene che il Realismo Scientifico non sia sostenibile. L’idea alla sua base è che (come riteneva, ad esempio, anche Einstein) ai concetti delle nostre teorie corrispondano proprietà reali della natura, che esistono a un livello indipendente da noi.

Esempio tipico: io misuro la velocità di un elettrone. Quando lo faccio, trovo che essa ha un valore ben definito; tuttavia, la teoria standard afferma che l’elettrone, prima che io effettui la misura, non ha una velocità definita. E’ proprio perché io la misuro che essa assume un valore definito. Tra una misura e l’altra, è concettualmente privo di senso parlare del valore della velocità dell’elettrone.

Non mi dilungo, perché di questi fenomeni ci sono moltissime illustrazioni ben fatte ed esaurienti. Basti dire che, a meno di non aderire a una interpretazione alternativa della teoria quantistica detta "di Bohm" o più genericamente "delle variabili nascoste", al momento si ritiene che il Realismo Scientifico sia falso, ossia che le proprietà con le quali descriviamo i fenomeni siano ben definite solo in rapporto alle nostre osservazioni, e che non siano dotate di caratteristiche definite al di fuori di questi momenti.

Ne consegue che, come dice appunto Heisenberg, i concetti delle nostre teorie scientifiche sono validi solo nell’ambito dei fenomeni sperimentali correttamente descritti dalle teorie stesse. Le teorie sarebbero concettualmente complementari tra loro nella misura in cui ciascuna descrive un ambito sperimentale diverso; giustapponendo, per così dire, le teorie che "funzionano" si ottiene il miglior sistema scientifico al momento a noi disponibile, e questo sistema scientifico secondo lo Strumentalismo serve, in ultima analisi, a "fare i conti" per prevedere i risultati degli esperimenti o per realizzare apparati efficaci. L’obiettivo di descrivere la realtà naturale sarebbe velleitario e comunque privo di senso.

Qui si inserisce la mia considerazione (tra l’altro credo di aver letto qualcosa di simile in un libro che ora non riesco a ricordare): noi troviamo che, ad esempio, Fisica Quantistica e Chimica usano il concetto di elettrone. I fenomeni che le due teorie descrivono sono diversi, e di fatto anche la struttura e il formalismo delle teorie sono diversi. Si pone la domanda: c’è qualche motivo per cui possiamo dire che l’elettrone della Fisica Quantistica è lo stesso elettrone della Chimica?
Se io estraggo elettroni ionizzando una qualche sostanza (processo chimico-fisico), cosa mi dice che io possa attrivuire loro le proprietà che ho rilevato applicando la Fisica Quantistica a dei fenomeni diversi, nei quali ho però usato l’elettrone come concetto descrittivo di un particolare elemento della natura? Niente, perché non solo non presumo che le mie teorie debbano integrarsi tra loro (ossia che possa esistere una descrizione teorica unificante della natura), ma non posso neanche ricorrere alla realtà esterna come sostrato unificante che garantisca che le proprietà degli enti si conservino tra diversi livelli di descrizione.

Insomma, ci ritroviamo sospinti verso un atteggiamento estremamente rinunciatario (filosoficamente, ritengo corrisponda a un Nominalismo estremo) dicendo che non solo non abbiamo modo di descrivere la Realtà, ma che i nostri concetti non sono coerenti, e il fatto, ad esempio, di utilizzare l’elettrone e le sue proprietà fisiche nella descrizione di fenomeni di scala diversa è puramente strumentale e non necessario, e non può essere in nessun modo giustificato logicamente: se una teoria "funziona", tanto basta. La coerenza con altre teorie non è un requisito né un pregio, e il "fondamento" di una teoria è solo la sua efficacia pratica.

Altrimenti, se questo atteggiamento, che secondo me alla fine invalida il concetto stesso di "teoria scientifica", non ci soddisfa (e sono disposto a scommettere che non soddisfa nessuno, oltre a essere totalmente opposto al modo di ragionare degli scienziati), dovremo ricercare un approccio epistemologico che preservi un certo grado di Realismo. Ci devo ancora pensare su…

Bisogna essere Realisti…

Dunque, torniamo al tema del post precedente, anche perché non so quanto io sia riuscito ad essere chiaro. Vorrei quindi riepilogare alcuni punti chiave del tema che sto proponendovi, a costo di essere un po’ lungo.

La scienza "classica" assumeva, più o meno esplicitamente, alla base del suo metodo un’ipotesi che potremmo chiamare del Realismo Scientifico, e che informalmente riassumerei così:

  • L’obiettivo della scienza è descrivere gli enti e le proprietà della realtà fisica, e rivelare le leggi che la governano.
  • Nella misura in cui, quindi, una teoria scientifica è "vera", gli enti e le proprietà che descrive corrispondono a quelli della realtà fisica. Se crediamo ad esempio che le nostre attuali teorie sulla materia siano corrette, gli elettroni esistono "davvero", sono caratterizzati da carica, posizione, velocità, ecc.
  • Gli oggetti fisici e le loro proprietà esistono indipendentemente dalle nostre teorie o dal fatto che li osserviamo o meno.

Questa posizione è in realtà una posizione filosofica, ed è stata messa seriamente in discussione dai sostenitori dello Strumentalismo Scientifico, secondo i quali le teorie scientifiche sono semplici strumenti per effettuare calcoli e prevedere i risultati delle nostre osservazioni, e che la scienza non dovrebbe porsi l’obiettivo di individuare la struttura della realtà fisica, in quanto essa è per definizione inaccessibile, ammesso che abbia senso parlarne. Da questa posizione consegue che gli elettroni e le loro proprietà non "esistono" indipendentemente da noi, ma che hanno senso solo nell’ambito dell’uso che noi facciamo di questi concetti. Per gli strumentalisti, dire che un elettrone ha una velocità e una posizione nello spazio anche se noi non l’osserviamo non ha senso.

Fin qui, il dibattito sembrerebbe strettamente filosofico, e legato a come si definisce la "realtà" di un ente (e infatti le due posizioni, magari espresse diversamente, si ritrovano nella storia della filosofia); eppure la storia della scienza ha dimostrato che la questione non è puramente filosofica.

Infatti, la Fisica Quantistica, e gli esperimenti ispirati da essa, hanno dimostrato che la formulazione del Realismo Scientifico che ho dato prima è incompatibile con i dati sperimentali. Nella prima metà del XX secolo, un certo numero di esperimenti chiave ha dato torto ai Realisti (tra cui Einstein) e ha dimostrato che l’ipotesi che gli enti fisici abbiano proprietà indipendenti dal modo in cui noi le osserviamo è falsa. Da qui, i più eminenti fisici quantistici dell’epoca (in particolare Bohr e Heisenberg) hanno derivato una interpretazione strumentalista della teoria fisica che è diventata quella canonica e che è tuttora quella "ortodossa", in quanto non pretende di stabilire alcuna corrispondenza tra la Fisica e la "realtà".

Da questa posizione deriva un’altra conseguenza, che Heisenberg nel suo libro che ho citato in un post precedente definisce la complementarietà delle teorie scientifiche. In sostanza, se una teoria non è altro che un modo per calcolare i risultati di certi esperimenti, allora i modelli alla base di ogni teoria servono solo per comodità di rappresentazione, e hanno valore solo nell’ambito dei fenomeni che quella teoria permette di verificare sperimentalmente. Le teorie scientifiche sono "complementari", ossia ognuna ha un suo spazio di applicazione, e i concetti dell’una non possono essere arbitrariamente "trasportati" nell’altra. In un’interpretazione radicalmente strumentalista, infatti, gli enti descritti dalla teoria non hanno alcun valore al di fuori di essa, e anche al suo interno sono solo degli utili artifici per descrivere una classe di fenomeni.

Questo approccio, che evita alle teorie di "fare i conti" con la realtà, ha però a mio modo di vedere un serio inconveniente: impedisce di costruire un modello integrato della realtà. Infatti, nella Fisica Quantistica noi parliamo di elettroni, e ne descriviamo il comportamento in certe condizioni sperimentali, che sono all’interno del perimetro della Fisica Quantistica. Ma gli elettroni sono un’entità di cui parliamo in molte teorie scientifiche diverse, dalla chimica alla cosmologia, e ciascuna di queste teorie ha un ambito di applicazione diverso (ossia, in termini "strumentalistici", è efficace per lavorare su fenomeni diversi per natura delle forze in gioco, dimensione, modalità di osservazione, ecc.). Se non fosse così, d’altra parte, ossia se non esistessero delle entità "ponte" tra una teoria e l’altra, noi non potremmo dire, ad esempio, che le relazioni chimiche tra elementi si poggiano sulla struttura quantistica dell’atomo, che quest’ultima dipende dalla struttura a quark del nucleo atomico, e così via.

La scienza utilizza sistematicamente concetti unificanti, e la validità di questi concetti sta nel fatto che essi implicitamente si riferiscono allo stesso ente della realtà fisica. Rimuovere il legame tra concetto e realtà, come vogliono gli strumentalisti, implica di fatto distruggere i legami tra le diverse teorie scientifiche: non c’è niente a dirci che l’elettrone della Chimica abbia qualcosa a che fare con l’elettrone della Fisica Quantistica, anzi una simile correlazione è priva di senso. Questo è, credo, fortemente contrario al modo di ragionare degli scienziati: quando un chimico ha a che fare con uno ione, che ha "acquistato o perso un elettrone", dà per scontato che la massa e la carica elettrica dell’elettrone possano essere ricavati dalle misurazioni di precisione effettuare dai fisici. Ma quelle misurazioni si riferiscono a un’entità che fuori della teoria Fisica non è definita, e quindi non sono utilizzabili nella descrizione di fenomeni di natura diversa. Per essere logicamente coerente, ogni teoria dovrebbe usare solo concetti e dati che sia in grado di definire e ricavare autonomamente.

Ci troviamo quindi forse di fronte a un dilemma: il Realismo è confutato dai fatti, mentre lo Strumentalismo pone delle limitazioni paradossali alla nostra possibilità di conoscere la Natura. Ci rifletteremo ancora su in un prossimo post.

Fisica Quantistica e Realtà

Torno, come promesso, alla Fisica e alla scienza in generale, per discutere un tema di interesse filosofico, ma direi non solo: il dibattito sul Realismo delle teorie scientifiche (e fisiche, in particolare; diciamo che d’ora in avanti parlerò di Fisica ma le considerazioni che farò hanno implicazioni che coinvolgono tutta la scienza).

La Fisica tradizionale aveva l’ambizione di spiegare com’è fatto il mondo. Una buona teoria fisica, secondo questo modo di vedere il ruolo della scienza, cerca di individuare e descrivere gli oggetti del mondo esterno e le leggi che li governano. Newton non dubitava che pianeti e stelle esistessero, e Rutherford, quando ipotizzò che la materia fosse costituita di atomi intendeva avanzare l’ipotesi che gli atomi esistessero "davvero". Anzi, al di fuori dei ragionamenti dei filosofi come David Hume, che mettono in discussione la validità logica del metodo induttivo per determinare la "realtà", gli scienziati hanno generalmente adottato implicitamente il presupposto realista in base al quale le teorie fisiche descrivono, sia pure fallibilmente, la realtà quale essa è.

Questo, almeno, fino a quando non è entrata in scena la Fisica Quantistica. Infatti, la Fisica Quantistica ha comportato una rivoluzione copernicana nell’interpretazione del "mestiere dello scienziato": la funzione delle teorie fisiche non sarebbe più quella di descrivere la realtà. L’interpretazione canonica della Fisica Quantistica, che non sto qui a riepilogare in quanto nota a chi si interessa di queste cose (per chi volesse, c’è una descrizione piuttosto dettagliata, in inglese, qui), è generalmente associata a una impostazione strumentalista delle teorie scientifiche: le teorie scientifiche servono a fare calcoli e previsioni, ma non se ne può trarre alcuna conclusione circa l’effettiva "realtà" degli oggetti di cui si occupano. La realtà è qualcosa su cui non possiamo fare affermazioni neanche in linea di principio; tutto quello che possiamo dire, ad esempio, è che la nostra teoria prevede che se facciamo un esperimento fatto in un certo modo, troveremo un certo risultato.

Questa interpretazione strumentalista, che nega la realtà (in senso tradizionale) degli enti della teoria, ha ricevuto notevoli conferme sperimentali, e ha messo in seria difficoltà la tradizionale posizione realista di fisici anche di prima grandezza come Einstein. Per Einstein, gli oggetti fisici che studiamo, e le loro proprietà, sono "reali" ed esistono di per sé, anche indipendentemente dalle nostre osservazioni. Per Bohr e gli altri esponenti dell’interpretazione standard della Fisica Quantistica, noi possiamo solo conoscere i risultati delle nostre osservazioni e non possiamo trarne alcuna conclusione circa una realtà "in sé" indipendente dai nostri esperimenti.
Tra le conseguenze di questo tipo di approccio, c’è che gli oggetti di una teoria hanno senso solo al suo interno. Se la Fisica Quantistica parla di "elettroni", non possiamo per questo dire che gli elettroni esistono "davvero". Gli elettroni, nell’interpretazione strumentalista, sono solo un utile concetto che ci permette di elaborare una teoria che "funziona" e di fare i calcoli giusti; ma non possiamo dire nulla circa l’esistenza reale, qualunque cosa questo significhi, di enti corrispondenti al nostro concetto di elettroni. Questa considerazione ha a mio avviso importanti effetti epistemologici, che esploreremo in un prossimo post nel quale proverò a sostenere la tesi che un certo grado di realismo è indispensabile per la Scienza.