Il mondo della meccanica quantistica

La meccanica quantistica (la teoria degli atomi, quark e fotoni) è senza dubbio bizzarra e, grazie al lavoro che sto svolgendo, potrebbe diventare ancora più strana.

Nella prima parte del XX secolo, il fisico danese Niels Bohr (considerato da molti il padre della fisica quantistica) affermò: “Chi non è sconvolto dalla teoria quantistica non può averla compresa”.

A causa della sua complessità intrinseca, la teoria quantistica non permette di immaginare un universo meccanicistico governato da semplici rapporti di causa ed effetto. Piuttosto, ai fisici è sempre sembrato di dover fare una delle seguenti due scelte:

1. Rinunciare alla nostra attuale comprensione della realtà, in cui le proprietà delle particelle esistono indipendentemente dal fatto che siano state misurate o meno.
2. Ammettere la possibilità che le particelle comunichino tra loro a una velocità superiore a quella della luce.

Molti fisici sostengono questa seconda opzione, anche se solleva numerosi interrogativi affascinanti, come il paradosso del nonno.

Dagli anni ’80, però, una terza possibilità ha cominciato a farsi strada, senza essere presa troppo sul serio fino a oggi: rinunciare a una parte del nostro libero arbitrio.

Libero arbitrio

Cosa intendiamo per libero arbitrio in questo contesto? Facciamo un esempio:

Uno scienziato potrebbe impostare un voltmetro su una scala di sensibilità alta o bassa, credendo di esercitare il proprio libero arbitrio nella scelta.

Ma qualsiasi influenza abbia determinato le sue decisioni potrebbe aver agito anche sulle proprietà elettriche del circuito che sta per testare.

In altre parole, siamo influenzati da fattori ambientali, e quegli stessi fattori potrebbero aver influenzato anche il comportamento del circuito che stiamo misurando.

Per dirla in un altro modo: non siamo scollegati dal resto dell’universo – siamo fenomeni fisici esattamente come la tensione elettrica, i sistemi solari e tutto il resto.

“Dio non gioca a dadi” – Albert Einstein

Consideriamo una ben nota sorgente quantistica di luce, lo stato singoletto, che emette coppie di fotoni correlati più o meno nello stesso momento ma in direzioni opposte.

Ora immaginiamo due personaggi fittizi: Alice e Bob, che si trovano alle estremità opposte di una stanza.

Per ogni coppia di fotoni emessi, uno viaggia verso Alice e l’altro verso Bob.

I fotoni oscillano in vari modi mentre si muovono (su e giù, destra e sinistra, diagonalmente) – una proprietà chiamata polarizzazione.

Gli occhiali da sole sfruttano questa proprietà, lasciando passare solo i fotoni che oscillano verticalmente.

Nel nostro esperimento immaginario, Alice e Bob possono verificare se i loro fotoni oscillano in una certa direzione indossando occhiali da sole, inclinando la testa a un determinato “angolo di oscillazione” e osservando se un fotone riesce a passare.

Le coppie di fotoni nel nostro esperimento hanno una caratteristica straordinaria:

Se Alice e Bob inclinano la testa allo stesso angolo, i rispettivi fotoni o passano entrambi attraverso gli occhiali, o vengono entrambi bloccati. In altre parole, c’è una correlazione perfetta e dimostrabile.

Com’è possibile?

Una risposta ovvia è che i fotoni abbiano un destino predeterminato, come se avessero concordato una storia in anticipo (“Ok, se gli occhiali di Bob sono inclinati diagonalmente, passiamo, altrimenti ci vediamo al pub dopo”).

Questa idea di una “storia prestabilita”, o determinismo, è esattamente ciò a cui Einstein si riferiva quando disse “Dio non gioca a dadi!”.

Superare il limite di velocità?

Fin qui, tutto bene. Ma… c’è sempre un ma, no?

La sorgente quantistica nell’esempio precedente si comporta in modo tale che, se Alice e Bob inclinano la testa ad angoli diversi, i fotoni correlati passano attraverso entrambe le lenti troppo spesso per essere spiegati solo dal determinismo.

Nel 1964, John Bell dimostrò che il determinismo non era sufficiente: sembrava che i fotoni avessero bisogno di “comunicare” in qualche modo una volta raggiunti gli occhiali (“Ehi, Alice sta inclinando la testa diagonalmente, cosa sta facendo Bob?”).

Il risultato di Bell avrebbe fatto rivoltare Einstein nella tomba (il grande fisico era morto nove anni prima).

Ammettendo una comunicazione tra i fotoni dopo la loro separazione, si sarebbe dovuto inviare informazioni più veloci della luce – un limite universale stabilito dallo stesso Einstein nella sua Teoria della Relatività.

Rinunciare (in parte) al libero arbitrio

Io sostengo che ci sia un’altra possibilità, un argomento nuovo e convincente che ho sviluppato nell’ultimo anno.

Eccolo: Alice e Bob compiono scelte quasi, ma non del tutto, libere su come inclinare la testa in qualità di “sperimentatori” nel nostro scenario fittizio.

Supponiamo che gli stessi fattori che determinano la “storia prestabilita” dei fotoni abbiano anche una piccola influenza statistica (circa il 14%) sulle scelte di Alice e Bob riguardo all’inclinazione della testa.

In altre parole: Alice e Bob scelgono liberamente, ma non così liberamente come credono.

Questo ha senso, dato che Alice e Bob fanno parte dello stesso mondo fisico dei fotoni e sono quindi soggetti agli stessi fattori ambientali.

In questo modo, Einstein può avere la sua torta e mangiarla: il comportamento dei fotoni è predeterminato, e non c’è comunicazione più veloce della luce tra di loro.

Ma il grande uomo sarebbe disposto a rinunciare a una parte del suo libero arbitrio in cambio di questa soluzione? E avrebbe davvero scelta in merito?