Una visione privata della realtà quantistica

Il teorico quantistico Christopher Fuchs spiega come risolvere i paradossi della meccanica quantistica.

Christopher Fuchs descrive la fisica come “un’interazione dinamica tra narrazione e scrittura di equazioni. Nessuno dei due è solo, nemmeno alla fine della giornata”.

E in effetti Fuchs, un fisico dell’Università del Massachusetts, a Boston, ha una storia radicale da raccontare. La storia si chiama QBism e va più o meno così:

C’era una volta una funzione d’onda, che si diceva descrivesse completamente lo stato di un sistema fisico nel mondo. La forma della funzione d’onda codifica le probabilità dei risultati di qualsiasi misurazione che un osservatore potrebbe eseguire su di essa, ma la funzione d’onda apparteneva alla natura stessa, una descrizione oggettiva di una realtà oggettiva.

File:Schrodinger Equation.png - Wikipedia
Equazione di Schrödinger

Poi è arrivato Fuchs. Insieme ai ricercatori Carlton Caves e Rüdiger Schack, ha interpretato le probabilità della funzione d’onda come probabilità bayesiane, cioè come gradi soggettivi di credenza sul sistema.

Le probabilità bayesiane potrebbero essere pensate come atteggiamenti di gioco d’azzardo per scommettere sui risultati delle misurazioni, atteggiamenti che vengono aggiornati man mano che nuovi dati vengono alla luce.

In altre parole, sosteneva Fuchs, la funzione d’onda non descrive il mondo, ma descrive l’osservatore. “La meccanica quantistica”, dice, “è una legge del pensiero”.

Il Bayesianesimo Quantistico, o QBism come lo chiama ora Fuchs, risolve molti dei misteri più profondi della teoria quantistica. Prendiamo, ad esempio, il famigerato “collasso della funzione d’onda”, in cui il sistema quantistico passa inspiegabilmente da più stati simultanei a una singola realtà. Secondo QBism, il “collasso” della funzione d’onda è semplicemente l’osservatore che aggiorna le proprie convinzioni dopo aver effettuato una misurazione. L’azione “inquietante” a distanza, in cui la misurazione di una particella da parte di un osservatore proprio qui fa collassare la funzione d’onda di una particella laggiù, risulta non essere così inquietante: la misurazione qui fornisce semplicemente informazioni che l’osservatore può usare per scommettere sullo stato della particella distante, qualora venisse a contatto con essa.

CERN, varato il piano per il Future Circular Collider (FCC): 100 chilometri  e 21 miliardi di euro | Hardware Upgrade
LHC, CERN

Ma in che modo, potremmo chiederci, la sua misurazione qui influisce sul risultato di una misurazione che un secondo osservatore effettuerà laggiù? In effetti, non lo fa. Poiché la funzione d’onda non appartiene al sistema stesso, ogni osservatore ha la sua. La mia funzione d’onda non deve allinearsi alla tua.

Una particella quantistica può trovarsi in una gamma di stati possibili. Quando un osservatore effettua una misurazione, essa “collassa” istantaneamente la funzione d’onda in un possibile stato. QBism sostiene che questo crollo non è misterioso. Riflette solo la conoscenza aggiornata dell’osservatore. Non sapeva dove fosse la particella prima della misurazione, ma ora lo sa.

In un mare di interpretazioni di stranezze quantistiche, QBism nuota da solo. La tradizionale “interpretazione di Copenhagen” tratta l’osservatore come in qualche modo al di fuori della natura, intriso di misteriosi poteri di collasso della funzione d’onda, governati da leggi della fisica che sono diverse da quelle che governano ciò che viene osservato. Va tutto bene finché non arriva un secondo osservatore per osservare il primo osservatore.

L’interpretazione “molti mondi” afferma che l’universo e tutti i suoi osservatori sono descritti da una singola funzione d’onda gigante che non collassa mai. Naturalmente, per farlo funzionare, bisogna insistere sul fatto che ad ogni bivio – ogni lancio di moneta, ogni decisione, ogni momento – la funzione d’onda si ramifica e anche noi, dividendoci in innumerevoli versioni di noi stessi che abbiamo collettivamente fatto e non fatto tutto quello che faremo o non faremo mai.

Per coloro per i quali un insieme di infinite realtà parallele è un prezzo troppo alto da pagare per evitare il collasso della funzione d’onda, c’è sempre l’interpretazione bohmiana, che cerca di restituire una realtà più concreta al mondo postulando l’esistenza di una forza guida che permea l’universo e governa in modo deterministico ogni cosa in esso. Sfortunatamente, questa nuova realtà rimane per sempre fuori dalla portata delle indagini scientifiche.

Queste interpretazioni hanno tutte qualcosa in comune: trattano la funzione d’onda come una descrizione di una realtà oggettiva condivisa da più osservatori. QBism, d’altra parte, tratta la funzione d’onda come una descrizione della conoscenza soggettiva di un singolo osservatore. Risolve tutti i paradossi quantistici, ma al costo non insignificante di tutto ciò che potremmo chiamare “realtà”.

D’altronde, forse è questo che la meccanica quantistica ha cercato di dirci sin dall’inizio: che una singola realtà oggettiva è un’illusione.

Il QBism solleva anche una serie di domande nuove e altrettanto misteriose. Se la funzione d’onda descrive un osservatore, l’osservatore deve essere umano? Quell’osservatore deve avere coscienza? Potrebbe essere un cane? (“I cani non usano le funzioni d’onda”, ha detto Fuchs. “Diamine, non ho collassato una funzione d’onda fino a quando non avevo 34 anni.”) Se la mia funzione d’onda non deve allinearsi con la tua, viviamo nello stesso universo? E se la meccanica quantistica non descrive una realtà esterna, cosa lo fa?

Fuchs lotta con queste domande, spesso elaborando i suoi pensieri sotto forma di e-mail. Le sue missive sono diventate leggendarie. Per due decenni Fuchs li ha raccolti in enormi documenti – li chiama i suoi samizdat – che hanno fatto il giro tra fisici e filosofi quantistici come una sorta di manoscritto sotterraneo. Dopo che Fuchs ha perso la sua casa di Los Alamos a causa di un incendio nel maggio 2000, ha deciso di sostenerli pubblicandoli sul sito di prestampa scientifica arxiv.org come un enorme documento, che è stato successivamente pubblicato dalla Cambridge University Press come un libro di 500 pagine . Un secondo samizdat è stato pubblicato 13 anni dopo con altre 2.300 pagine. Le e-mail rivelano sia la mente alla ricerca di Fuchs sia il suo carattere vivace. Come afferma il fisico David Mermin, “Se Chris Fuchs non esistesse, Dio sarebbe stato negligente se non lo avesse inventato”.

Italian Samizdat: SAMIZDAT e TAMIZDAT
Un Samizdat

Allora come finirà la storia di QBism? In definitiva, Fuchs vuole rispondere a una singola domanda, quella notoriamente posta dall’eminente fisico John Archibald Wheeler, che era il mentore di Fuchs: Perché il quantico? Cioè, perché il mondo dovrebbe essere costruito in modo tale da poter essere descritto solo dalle strane regole della meccanica quantistica?

Nel frattempo, Quanta ha incontrato Fuchs in un bar a Cambridge, Massachusetts, per fargli alcune nostre domande. Segue una versione modificata e condensata della conversazione.

QUANTA MAGAZINE: Hai detto: “Sapevo di dover diventare un fisico, non per amore della fisica, ma per diffidenza”.

CHRISTOPHER FUCHS: Quando ero bambino ero un grande fan della fantascienza. Sono cresciuto in una piccola città del Texas e mi è piaciuta molto l’idea del volo spaziale. Sembrava inevitabile: stavamo andando sulla luna, quello era solo il primo passo, la scienza non ha limiti e alla fine avremmo fatto le cose che fanno in Star Trek: andare sui pianeti, trovare nuove creature, vivere avventure.

Così ho iniziato a leggere libri di fisica e viaggi spaziali, ed è stato lì che ho imparato per la prima volta che viaggiare nello spazio sarebbe stato difficile a causa delle grandi distanze tra le stelle. Come lo aggiri? Ho imparato a conoscere John Wheeler, i buchi neri e i wormhole, e che forse i wormhole potrebbero essere un modo per aggirare il problema del limite di velocità, oppure potremmo superare il limite di velocità usando particelle esotiche chiamate tachioni. Ho mangiato la roba. La maggior parte si è rivelata piuttosto improbabile; i wormhole si erano dimostrati instabili e nessuno credeva veramente nei tachioni. Nel complesso, il messaggio per me era che la fisica non ci avrebbe permesso di raggiungere le stelle. Per scherzo, direi ai miei amici, se le leggi della fisica non ci permettono di andare alle stelle, le leggi della fisica devono essere sbagliate!

QM: Poi sei andato a finire a studiare con John Wheeler:

CF: La prima volta che sono andato all’Università del Texas, mi sono reso conto che il ragazzo di cui avevo letto anni prima, John Wheeler, era in realtà un professore lì. Così sono andato a leggere alcuni dei suoi articoli più recenti, in cui parlava di “legge senza legge”. Diceva cose come: “Alla fine, l’unica legge è che non esiste una legge”. Non esiste una legge fondamentale della fisica. Tutte le leggi della fisica sono mutabili e quella stessa mutabilità è un principio della fisica. Direbbe che non c’è legge della fisica che non sia stata trascesa.

L’ho visto e ho ricordato la mia battuta su come le leggi della fisica debbano essere sbagliate, ed ero immensamente attratto dall’idea che forse alla fine non ci sono davvero leggi della fisica. Cosa ci sia al posto delle leggi, non lo sapevo. Ma se le leggi non fossero affidabili al 100%, forse c’era una porta sul retro per le stelle. Era tutto romanticismo giovanile; Non avevo ancora nemmeno seguito un corso di fisica.

John Archibald Wheeler - Scholars | Institute for Advanced Study
John Archibald Wheeler (Jacksonville, 9 luglio 1911 – Hightstown, 13 aprile 2008)

QM: In uno dei tuoi articoli, dici che Erwin Schrödinger ha scritto dell’influenza greca sul nostro concetto di realtà, e che è una contingenza storica che parliamo della realtà senza includere il soggetto – la persona che parla. Stai cercando di rompere l’incantesimo del pensiero greco?

CF: Schrödinger pensava che i greci avessero una specie di presa su di noi: vedevano che l’unico modo per fare progressi nel pensare al mondo era parlarne senza il “soggetto conoscente” in esso.

QBism va contro questa tensione dicendo che la meccanica quantistica non riguarda il modo in cui il mondo è senza di noi; invece si tratta proprio di noi nel mondo.

L’oggetto della teoria non è il mondo o noi ma noi-nel-mondo, l’interfaccia tra i due.

QM: È così radicato in noi pensare al mondo senza pensare a noi stessi al suo interno. Mi ricorda Einstein che metteva in dubbio lo spazio e il tempo: queste caratteristiche del mondo che sembravano così assolute che nessuno pensava nemmeno di metterle in discussione.

CF: Si dice che nelle civiltà precedenti le persone non sapessero bene come distinguere tra oggettivo e soggettivo. Ma una volta che l’idea di separare i due ha preso piede, ci è stato detto che dobbiamo farlo e che la scienza riguarda l’obiettivo. E ora che è finito, è difficile tornare indietro. Penso che la più grande paura che le persone hanno del QBism sia proprio questa: che sia antropocentrico. La sensazione è che l’abbiamo superato con Copernico, e questo deve essere un passo indietro. Ma penso che se vogliamo davvero un universo pieno di possibilità senza limiti estremi, questo è esattamente dove devi andare.

QM: In che modo QBism ti consente di aggirare questi limiti?

CF: Un modo per vederlo è che le leggi della fisica non riguardano le cose “là fuori”. Piuttosto, sono le nostre migliori espressioni, le nostre dichiarazioni più inclusive, di ciò che sono i nostri limiti. Quando diciamo che la velocità della luce è il limite massimo di velocità, stiamo dicendo che non possiamo andare oltre la velocità della luce.

Ma proprio come i nostri cervelli sono diventati più grandi attraverso l’evoluzione darwiniana, si può immaginare che alla fine ci saremo evoluti fino a uno stadio in cui possiamo trarre vantaggio da cose che ora non possiamo. Potremmo chiamare queste cose “cambiamenti nelle leggi della fisica”. Di solito pensiamo all’universo come a questa cosa rigida che non può essere cambiata. Invece, metodologicamente dovremmo presumere esattamente l’opposto: che l’universo è davanti a noi in modo che possiamo modellarlo, che può essere cambiato e che ci respingerà. Capiremo i nostri limiti notando quanto ci respinge.

QM: Parliamo di probabilità.

La probabilità non esiste! Bruno de Finetti, nell’introduzione al suo set in due volumi sulla teoria della probabilità, scrive in lettere maiuscole: “LA PROBABILITÀ NON ESISTE”. Dice che andrà come fanno i flogisti, le streghe, gli elfi e le fate.

Details: Bruno de Finetti
Bruno de Finetti (Innsbruck, 13 giugno 1906 – Roma, 20 luglio 1985)

QM: Quando i fondatori della meccanica quantistica si sono resi conto che la teoria descrive il mondo in termini di probabilità, hanno pensato che significasse che il mondo stesso è probabilistico.

CF: Ai tempi di Pierre-Simon Laplace, la probabilità era considerata un’affermazione soggettiva: non sai tutto, ma puoi gestirlo quantificando la tua conoscenza. Ma a un certo punto tra la fine del 1800 e l’inizio del 1900, le probabilità iniziarono a comparire in modi che apparivano oggettivi. Le persone usavano metodi statistici per ricavare cose che potevano essere misurate in laboratorio, cose come il calore.

Quindi le persone hanno pensato, se questa quantità deriva da considerazioni probabilistiche, ed è oggettiva, deve essere che anche le probabilità siano oggettive. Poi è arrivata la meccanica quantistica. La “folla di Copenhagen” sosteneva che la meccanica quantistica è una teoria completa, finita, chiusa, che spesso è stata interpretata nel senso che tutte le sue caratteristiche dovrebbero essere caratteristiche oggettive della natura.

Se gli stati quantistici danno probabilità, anche quelle probabilità dovrebbero essere caratteristiche oggettive della natura. Dall’altro lato della barriera c’era Albert Einstein, che ha detto che la meccanica quantistica non è completa. Quando descriveva le probabilità nella meccanica quantistica, sembrava interpretarle come dichiarazioni di conoscenza incompleta, stati soggettivi.

QM: Quindi, quando dici che la probabilità non esiste, intendi che la probabilità oggettiva non esiste.

CF: Giusto, non esiste come qualcosa al mondo senza un agente di gioco d’azzardo. Ma supponi di esserti convinto che il modo giusto per comprendere la probabilità sia come una descrizione dell’incertezza e dell’ignoranza. Ora c’è una vasta gamma di posizioni che potresti prendere. Secondo lo statistico bayesiano I.J. Bene, ci sono 46.656 varietà. Quando abbiamo iniziato a lavorare sul bayesianesimo quantistico, abbiamo cercato di prendere una posizione sulla probabilità che fosse come la posizione di E.T. Jaynes: ammetteremo che le probabilità sono nella nostra testa – le mie probabilità sono nella mia testa, le tue probabilità sono nella tua testa – ma se baso le mie probabilità sulle stesse informazioni su cui si basano le tue, le nostre due probabilità dovrebbero essere identiche. Condizionate sulle informazioni, dovrebbero essere oggettive. Nello spettro di 46.656 varietà, questa posizione è chiamata “bayesianesimo oggettivo”.

All’altra estremità dello spettro c’è Bruno de Finetti.

Dice che non c’è alcun motivo per cui le mie probabilità e le tue coincidano, perché le mie si basano sulla mia esperienza e le tue si basano sulla tua esperienza.

Il meglio che possiamo fare, in tal caso, se pensiamo alle probabilità come atteggiamenti di gioco, è cercare di rendere coerenti internamente tutti i nostri atteggiamenti personali di gioco. Dovrei farlo con il mio e tu con il tuo, ma è il meglio che possiamo fare. È quello che intendeva de Finetti quando diceva che la probabilità non esiste. Voleva dire, prendiamo la posizione estrema. Invece di dire che le probabilità sono per lo più nella mia testa, tuttavia ci sono alcune regole extra che le ancorano al mondo, si è sbarazzato dell’ancora.

Alla fine io e il mio collega Rüdiger Schack abbiamo ritenuto che per essere coerenti avremmo dovuto rompere i legami con Jaynes e muoverci maggiormente nella direzione di de Finetti. Dove Jaynes ha preso in giro de Finetti, abbiamo pensato, in realtà, che fosse qui la vera soluzione.

QM: È allora che il nome è cambiato da bayesianesimo quantistico a QBism?

CF: Il bayesianesimo quantistico era troppo un parolone, quindi ho iniziato a chiamarlo QBism. Non appena ho iniziato a chiamarlo QBism, le persone ci hanno prestato più attenzione! Ma il mio collega David Mermin ha iniziato a lamentarsi del fatto che QBism non dovrebbe essere l’abbreviazione di bayesianesimo quantistico perché ci sono molti bayesiani là fuori che non accetterebbero le nostre conclusioni. Così ha voluto chiamarlo Brunoismo quantistico, per Bruno de Finetti. Il problema è che ci sono parti della metafisica del QBism che nemmeno de Finetti accetterebbe!

Ma poi ho trovato la B perfetta. Il guaio è che è così brutto che non vorresti mostrarlo in pubblico. È un termine che viene dal giudice della Corte Suprema Oliver Wendell Holmes Jr. Ha descritto la propria filosofia come “bettabilitarismo”. È la filosofia che, come ha detto Louis Menand, “il mondo è sciolto alle articolazioni”. Il meglio che puoi fare è scommettere sulle conseguenze delle tue azioni. [Il portmanteau deriva da “bet” e “ability”] Penso che questo si adatti perfettamente, ma non voglio dire che QBism stia per bettabilitarismo quantistico, quindi penso che sia meglio fare quello che ha fatto KFC. Era il Kentucky Fried Chicken; ora è solo KFC.

QM: Se la meccanica quantistica è un manuale utente, come l’hai chiamata tu, chi è l’utente? Einstein ha parlato di osservatori, ma un osservatore in meccanica quantistica è diverso da un osservatore in relatività.

CF: L’altro giorno stavo parlando con il filosofo Robert DiSalle. Ha detto che l’osservatore non è così problematico nella relatività perché un osservatore può, per così dire, “guardare oltre le spalle di un altro osservatore”. Mi piace quel fraseggio. In altre parole, puoi prendere ciò che vede un osservatore e usare le leggi di trasformazione per vedere ciò che vedrà l’altro osservatore. Bohr l’ha davvero giocato. Ha giocato le somiglianze tra la meccanica quantistica e la relatività, e non riusciva a capire perché Einstein non avrebbe accettato la teoria quantistica.

Ma penso che i problemi siano diversi. Poiché QBism comprende un risultato di misurazione quantistica, è personale. Nessun altro può vederlo. Io lo vedo o tu lo vedi. Non c’è trasformazione che porti da una esperienza personale all’altra esperienza personale. William James si sbagliava quando ha cercato di sostenere che “due menti possono sapere una stessa cosa”.

Research Seminar with Professor Robert DiSalle - On the method and  metaphysics of mathematical physics | Institute for the History &  Philosophy of Science & Technology
Robert DiSalle

QM: Questo significa che, come ha detto Arthur Eddington, la materia del mondo è la mente?

CF: QBism direbbe, non è che il mondo sia costruito da cose “all’esterno” come avrebbero fatto i greci. Né è costruito da cose “interne” come vorrebbero gli idealisti, come George Berkeley ed Eddington.

Piuttosto, la sostanza del mondo è nella natura di ciò che ognuno di noi incontra in ogni momento di vita – roba che non è né dentro né fuori, ma prima dell’idea stessa di una separazione tra i due.

QM: Quindi alla fine entra in gioco l’obiettività?

CF: Spero che lo faccia. In definitiva, considero il QBism come una ricerca per indicare qualcosa nel mondo e dire che è intrinseco al mondo. Ma non ho ancora una risposta definitiva. La meccanica quantistica è una teoria per utente singolo, ma sezionandola puoi imparare qualcosa sul mondo in cui tutti noi siamo immersi.

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La doppia fessura

QM: Trattare la meccanica quantistica come una teoria per utente singolo risolve molti dei paradossi, come un’azione inquietante a distanza.

CF: Sì, ma in un modo che molte persone trovano preoccupante. La solita storia del teorema di Bell è che ci dice che il mondo deve essere non locale. Che c’è davvero un’azione inquietante a distanza. Così hanno risolto un mistero aggiungendo un mistero bello grande! Cos’è questa non località? Dammi una teoria completa. I miei colleghi QBist e io invece pensiamo che ciò che il teorema di Bell indica veramente è che i risultati delle misurazioni sono esperienze, non rivelazioni di qualcosa che è già lì.

Ovviamente altri pensano che abbiamo rinunciato alla scienza come disciplina, perché parliamo di gradi soggettivi di fede. Ma pensiamo che risolva tutti gli enigmi fondamentali. L’unica cosa che non risolve è la domanda di Wheeler, perché il quantico?

QM: Perché quantico?

Vorrei avere più senso. Sono rimasto affascinato da queste bellissime strutture matematiche chiamate SIC, “misurazioni simmetriche informazionalmente complete” – un nome orribile, quasi cattivo quanto il bettabilitarismo. Possono essere usati per riscrivere la regola Born [la procedura matematica che genera probabilità nella meccanica quantistica] in un linguaggio diverso, in cui sembra che la regola Born riguardi in qualche modo profondo l’analisi del reale in termini di ipotesi.

Se hai nel cuore – e non tutti lo fanno – che il vero messaggio della meccanica quantistica è che il mondo è sciolto alle articolazioni, che c’è davvero una contingenza nel mondo, che può davvero esserci novità nel mondo, allora il mondo è sempre pieno di possibilità e la meccanica quantistica le lega insieme. Potrebbero volerci 25 anni per ottenere la matematica giusta, ma tra 25 anni riprendiamo questa conversazione!

Articolo pubblicato su Quanta Magazine nel 2015

Christopher Fuchs

Christopher Fuchs è Professore per Fisica al College of Science and Mathematics alla UMass di Boston. È allievo di John Archibald Wheeler, con il quale ha conseguito un PhD all’Università del New Mexico, ad Albuquerque. È fondatore insieme ai suoi colleghi e il principale sostenitore del QBism, acronimo per “Bayesianesimo quantistico”.

Si tratta di un’interpretazione alternativa della meccanica quantistica che tratta la funzione d’onda quantistica (equazione di Schrödinger) come un riflesso dell’ignoranza.

Ha ricevuto numerosi riconoscimenti accademici ed è considerato uno dei più innovativi e eruditi pensatori della fisica moderna.

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