L'insieme è la cosa reale

Normalmente diamo per scontato che gli oggetti che ci circondano esistano indipendentemente da noi o da altri oggetti. Possiamo considerare un bicchiere come un oggetto ben definito e analizzarne le proprietà chimiche o fisiche in laboratorio. Se conosciamo anche tutte le influenze ambientali che influenzano il bicchiere, possiamo prevedere il suo comportamento in qualsiasi momento. La scienza si confronta con una realtà costituita da oggetti ben definiti che possono essere misurati e infine controllati con strumenti scientifici. Dalla macchina a vapore alla lampadina, gran parte del progresso scientifico si basa su questa idea. La fisica classica, con le leggi della meccanica newtoniana, dell'elettrodinamica e della termodinamica, l'ha plasmata in leggi della natura verificabili.

Tuttavia, all'inizio del XX secolo, questa visione deterministica del mondo cominciò a vacillare. Fisici come Max Planck, Albert Einstein e Nils Bohr dimostrarono che la fisica classica falliva quando si trattava di descrivere atomi o particelle elementari. Nel mondo del microscopico, sembrava che si applicassero leggi fondamentalmente diverse.

La fine del determinismo

"La fisica quantistica rompe con l'idea di una realtà deterministica che si scompone in sottosistemi", spiega l'ETH Hans Christian ?ttinger. Egli conduce ricerche sulla teoria quantistica dei campi presso il Dipartimento di scienze ed ingegneria dei materiali e si occupa delle implicazioni filosofiche ed epistemologiche della teoria quantistica. "Nel mondo delle particelle subatomiche, le cose non possono più essere viste in modo isolato, perché ogni cosa può essere correlata all'altra", spiega il fisico.

Se si misura o si osserva un sistema di elettroni, fotoni o altre minuscole particelle, si interagisce inevitabilmente con esso e si diventa parte di un sistema complessivo più grande. In questo senso, non stiamo indagando una realtà indipendente, ma anche quei cambiamenti che sono inevitabilmente innescati da misurazioni o altri interventi. Ma questo non basta. Se nella fisica classica il comportamento apparentemente casuale è il prodotto di una mancanza di informazioni o di misurazioni errate, nella teoria quantistica è dichiarato un principio. "Il nostro quadro quantistico del mondo dei più piccoli mostra chiaramente che esiste una reale casualità nel mondo", afferma ?ttinger.

L'esperimento della doppia fenditura

Il cosiddetto esperimento della doppia fenditura lo illustra in modo impressionante. Se i fotoni vengono sparati da una sorgente luminosa su uno schermo rivelatore, atterrano casualmente in punti diversi su un'ampia area, anche se sono stati sparati nelle stesse condizioni fisiche. Non c'è uno schema riconoscibile. Il caso prevale. Se invece diversi proiettili vengono sparati da una pistola esattamente nelle stesse condizioni ambientali, colpiscono sempre in modo affidabile lo stesso punto. Se tra la sorgente di luce e lo schermo del rivelatore viene posto un divisorio con due fessure parallele della stessa dimensione, sullo schermo si forma un motivo a strisce. Questo schema di interferenza può essere descritto matematicamente con una funzione d'onda che permette ai fisici di determinare la probabilità che le particelle colpiscano determinati punti. Nel mondo dei quanti, le affermazioni probabilistiche sostituiscono il determinismo della fisica classica.

Ma l'esperimento riserva un'altra sorpresa: Se a ciascuna delle due fenditure viene collegato un ulteriore rivelatore per misurare attraverso quale fenditura viaggiano i fotoni, il disegno sullo schermo cambia di nuovo. Per l'ETH, il professor ?ttinger, questo non è inaspettato: "Inserendo la partizione e i rivelatori nell'esperimento, cambiamo il mondo che volevamo osservare. Interagiscono con i fotoni e ne influenzano il comportamento". Questa intuizione si applica anche ad altre particelle elementari. Non si possono misurare né interi atomi né singoli elettroni senza vederli in un sistema complessivo più grande. Ma perché oggetti grandi come un bicchiere sono osservabili isolatamente se tutto è correlato tra loro? Per i fisici teorici come ?ttinger, gli effetti di decoerenza sono all'opera: "Le correlazioni reciproche svaniscono rapidamente con gli oggetti più grandi. Questo ci permette di analizzare un bicchiere o una pietra singolarmente senza dover tenere conto delle loro interazioni con l'ambiente".

Complementarità e contraddizioni

Per quanto plausibili possano sembrare le osservazioni di ?ttinger sul carattere olistico dei sistemi quantistici e sulla decoerenza, esse contraddicono l'interpretazione dominante della teoria quantistica, l'interpretazione di Copenhagen, coniata inizialmente da Nils Bohr. Secondo questa interpretazione, la meccanica quantistica non descrive la realtà, ma piuttosto uno stato di conoscenza della realtà. Bohr ipotizzava che ogni oggetto fisico quantistico avesse sempre proprietà sia ondulatorie che particellari. In gergo tecnico, questo viene definito principio di complementarità o dualità onda-particella. Di conseguenza, il modello di interferenza a forma di striscia dell'esperimento della doppia fenditura viene visto come un'indicazione del fatto che i fotoni si muovono effettivamente attraverso le due fenditure come onde. Se questo movimento viene misurato con un rilevatore, la funzione d'onda collassa. I fotoni diventano quindi visibili come particelle discrete sullo schermo.

Per ?ttinger e altri fisici, questa interpretazione solleva più domande che risposte. Dobbiamo supporre che le particelle si muovano come onde? Questa ipotesi non contraddice l'affermazione del collasso? Che cosa intendiamo esattamente per particella nella fisica quantistica? E possono davvero muoversi in orbite?

Teoria quantistica dei campi

Secondo ?ttinger, queste domande ci costringono ad abbandonare concetti classici come particelle, onde o moto. Egli stesso considera la teoria quantistica dei campi come l'approccio più promettente alla spiegazione fondamentale dei fenomeni quantistici, anche se la sua formulazione robusta e chiara pone problemi importanti. Nella teoria quantistica dei campi, nuove particelle possono apparire e scomparire in qualsiasi momento. Al posto delle particelle, la fisica preferisce parlare di nuvole o sciami di particelle, che sono riconoscibili come singole particelle solo al di sopra di una certa risoluzione. Al di sotto di questo limite, sono sfocate, come un'immagine in cui i singoli pixel diventano visibili solo quando si effettua uno zoom, per cui l'esatta risoluzione dei pixel è irrilevante per l'immagine complessiva.

Se questa immagine del mondo quantistico sia in definitiva più convincente sarà probabilmente oggetto di dibattito ancora per qualche tempo. Tuttavia, le applicazioni della teoria quantistica fanno da tempo parte della nostra vita quotidiana. Tuttavia, non sembriamo ancora comprendere appieno il formalismo matematico sottostante. Per farlo, dovremmo essere pronti a integrare le nuove scoperte nel nostro mondo di esperienza.