Perché Einstein ha “insultato” per tutta la vita la meccanica quantistica? Come mai Einstein è stato etichettato come “oppositore” è quasi un grande mistero quanto la meccanica quantistica stessa.
Pochi detti di Albert Einstein sono stati citati così ampiamente quanto il suo commento secondo il quale Dio non gioca a dadi con l’universo. Le persone hanno naturalmente preso la sua battuta come prova che era fermamente contrario alla meccanica quantistica, che considera l’aleatorietà come una caratteristica intrinseca del mondo fisico.
La visione di Einstein
Einstein, come racconta la storia standard, rifiutò di accettare che alcune cose fossero indeterminate, che accadessero semplicemente, e che non ci fosse un bel nulla che qualcuno potesse fare per capire il perché. Quasi da solo tra i suoi colleghi, si aggrappò all’universo a orologeria della fisica classica, che ticchettava meccanicamente, ogni momento dettando il successivo.
La frase sul gioco dei dadi divenne emblematica del lato B della sua vita: la tragedia di un rivoluzionario divenuto reazionario che sconvolse la fisica con la teoria della relatività, ma che era, come disse Niels Bohr, “a pranzo” sulla teoria quantistica.
“La storia giusta”
Nel corso degli anni, però, molti storici, filosofi e fisici hanno sfidato questa linea narrativa. Approfondendo ciò che Einstein disse effettivamente, hanno scoperto che il suo pensiero sull’indeterminismo era molto più radicale e sfumato di quanto comunemente si ritenga. “Diventa una sorta di missione ottenere la storia giusta“, dice Don A. Howard, storico presso l’Università di Notre Dame. “È incredibile quando scavate negli archivi e vedete la disparità rispetto alla narrazione comune.”
Come lui e altri hanno dimostrato, Einstein accettò che la meccanica quantistica fosse indeterministica – come avrebbe dovuto, perché era lui stesso colui che ne aveva scoperto l’indeterminismo.
Ciò che non accettò fu che questo indeterminismo fosse fondamentale per la natura. Dava ogni indicazione di derivare da un livello più profondo della realtà che la teoria non riusciva a catturare. La sua critica non era mistica, ma si concentrava su specifici problemi scientifici che rimangono irrisolti ancora oggi.
L’indeterminismo
La domanda se l’universo sia un orologio o un tavolo da gioco d’azzardo tocca il cuore di ciò che supponiamo che la fisica sia: una ricerca di regole semplici che sottendono alla meravigliosa diversità della natura. Se alcune cose accadono senza motivo, segnano i limiti dell’indagine razionale. “L’indeterminismo fondamentale significherebbe la fine della scienza“, si preoccupa Andrew S. Friedman, cosmologo presso il Massachusetts Institute of Technology.
“La distinzione tra determinismo e indeterminismo è una distinzione a livello specifico“, dice Christian List, filosofo presso la London School of Economics and Political Science. “Se hai il determinismo a un livello particolare, è completamente compatibile con l’indeterminismo, sia a livelli più alti che a livelli più bassi.”
Gli atomi nel nostro cervello possono comportarsi in un modo completamente deterministico pur concedendoci la libertà d’azione perché gli atomi e l’agenzia operano su livelli diversi. Allo stesso modo, Einstein cercava un livello subquantico deterministico senza negare che il livello quantico fosse probabilistico.
Einstein e “il caso”
Come mai Einstein è stato etichettato come “oppositore” è quasi un grande mistero quanto la meccanica quantistica stessa. La stessa nozione di quanti – di unità discrete di energia – era figlia del suo genio nel 1905, e per un decennio e mezzo ha praticamente difeso da solo.
Einstein ha ideato la maggior parte di ciò che i fisici riconoscono ora come le caratteristiche essenziali della fisica quantistica, come la peculiare capacità della luce di agire sia come particella che come onda, ed è stato il suo pensiero sulla fisica delle onde che Erwin Schrödinger ha costruito per sviluppare la formulazione più ampiamente utilizzata della teoria quantistica negli anni ’20. Inoltre, Einstein non era contrario al caso.
Nel 1916 dimostrò che quando gli atomi emettono fotoni, il tempo e la direzione dell’emissione sono casuali. “Questo va contro l’immagine popolare di Einstein come avversario della probabilità“, dice il filosofo Jan von Plato dell’Università di Helsinki.
Tra casualità e determinismo
L’equazione di Schrödinger è al 100% deterministica. Descrive una particella o un sistema di particelle usando una cosiddetta funzione d’onda, che esprime la natura ondulatoria delle particelle e tiene conto dei modelli ondulatori che le collezioni di particelle possono formare.
L’equazione prevede cosa accade alla funzione d’onda in ogni momento con certezza assoluta. In molti modi, l’equazione è più deterministica delle leggi del moto di Newton: non porta a pasticci come singolarità (dove le quantità diventano infinite e quindi indescrivibili) o caos (dove il movimento diventa imprevedibile).
La parte complicata è che il determinismo dell’equazione di Schrödinger è il determinismo della funzione d’onda, e la funzione d’onda non è direttamente osservabile, come lo sono le posizioni e le velocità delle particelle. Invece, la funzione d’onda specifica le quantità che possono essere osservate e la probabilità di ciascuna eventualità.
La teoria lascia aperto cosa sia esattamente la funzione d’onda e se debba essere presa letteralmente come un’onda reale là fuori nel mondo. Pertanto, lascia anche aperto se l’aleatorietà osservata sia intrinseca alla natura o solo una facciata. “Le persone dicono che la meccanica quantistica è indeterministica, ma è troppo veloce“, dice il filosofo Christian Wüthrich dell’Università di Ginevra in Svizzera.
La “nebbia di esistenza potenziale”
Werner Heisenberg, un altro pioniere della teoria quantistica, immaginò la funzione d’onda come una nebbia di esistenza potenziale. Se non riesce a individuare inequivocabilmente dove si trova una particella, è perché la particella non è, in realtà, situata da nessuna parte.
Solo quando osservi la particella essa si materializza da qualche parte. La funzione d’onda potrebbe essere stata distribuita su una vasta regione dello spazio, ma nel momento in cui viene fatta l’osservazione, improvvisamente collassa su un picco stretto in una singola posizione, e la particella appare lì.
Quando guardi una particella, questa smette di comportarsi deterministicamente e salta a un risultato finale come un bambino che afferra un posto a una partita a sedie musicali. Non esiste una legge che governi il collasso. Non c’è un’equazione per esso. Succede.
Il collasso divenne un ingrediente fondamentale dell’interpretazione di Copenaghen, il punto di vista sulla meccanica quantistica che prende il nome dalla città in cui Bohr aveva il suo istituto e Heisenberg fece gran parte dei suoi primi lavori. (Ironicamente, lo stesso Bohr non accettò mai il collasso della funzione d’onda.) Copenaghen prende l’aleatorietà osservata della fisica quantistica come dato di fatto, senza possibilità di ulteriori spiegazioni.
La maggior parte dei fisici l’ha accettato, se solo a causa di un effetto di ancoraggio psicologico: era una storia abbastanza buona, ed era la prima.
L’interpretazione di Copenaghen
Einstein era decisamente anti–interpretazione di Copenaghen. Si sdegnava all’idea che l’atto di misura dovesse causare una rottura nell’evoluzione continua di un sistema fisico, e questo era il contesto in cui iniziò a lamentarsi del lancio dei dadi divini.
“È questo, specificamente, che Einstein sta lamentando nel 1926 e non una dichiarazione metafisica a copertura di determinismo come una condizione assolutamente necessaria“, dice Howard. “Si trova specificamente nel bel mezzo di questi argomenti su se il collasso della funzione d’onda introduce discontinuità.”
Il collasso non poteva essere un processo reale, ragionò Einstein. Richiederebbe un’azione istantanea a distanza, un meccanismo misterioso che garantisca che, ad esempio, il lato sinistro e il lato destro di una funzione d’onda si collassino entrambi allo stesso picco stretto anche quando nessuna forza li sta coordinando.
Non solo Einstein, ma ogni fisico del suo tempo pensava che un tale processo fosse impossibile; funzionerebbe più velocemente della luce, in violazione apparente della teoria della relatività. In effetti, la meccanica quantistica non dà solo dei dadi con cui giocare, ma coppie di dadi che escono sempre doppie, anche se ne tiri uno sulla Luna e l’altro su Marte.
Per Einstein, sembrava ovvio che i dadi dovessero essere truccati – possedendo attributi nascosti che fissano il loro risultato in anticipo. Ma Copenaghen negava qualsiasi cosa del genere, implicando che i dadi influenzassero davvero gli uni gli altri istantaneamente attraverso l’immensità dello spazio.
Cos’è una misura?
Einstein era ulteriormente preoccupato dal potere che Copenaghen accordava alla misurazione. Cos’è una misura? È qualcosa che solo esseri coscienti o professori titolari possono fare? Heisenberg e altri copenaghisti non riuscirono a elaborare. Alcuni suggerirono che noi creiamo la realtà nell’atto di osservarla. Einstein considerava tutte le teorie, incluso la sua, come pietre miliari verso qualcosa di più grande.
Infatti, Howard sostiene che Einstein sarebbe stato felice di intrattenere l’indeterminismo finché non si fossero affrontate le sue preoccupazioni – se, ad esempio, qualcuno avesse potuto spiegare cosa fosse una misurazione e come le particelle potessero restare sincronizzate senza agire a distanza.
Una questione di probabilità
Le probabilità nel modo di pensare di Einstein erano altrettanto oggettive di quelle nell’interpretazione di Copenaghen. Anche se non comparivano nelle leggi fondamentali del movimento, esprimevano altre caratteristiche del mondo; non erano semplicemente artefatti dell’ignoranza umana.
Einstein diede a Popper l’esempio di una particella che si muove intorno a un cerchio a velocità costante; la possibilità di trovare la particella in un determinato arco del cerchio riflette la simmetria del suo percorso.
Allo stesso modo, un dado ha una probabilità di uno sesto di atterrare su un lato dato perché ha sei lati uguali. “Ha capito meglio della maggior parte in quel periodo che c’era un significativo contenuto fisico nei dettagli delle probabilità meccaniche-statistiche“, dice Howard.
Queste considerazioni lo portarono a dubitare della verità oggettiva dell’interpretazione di Copenaghen. Einstein non era l’unico che pensava così. Nel 1935 Einstein, Podolsky e Rosen (EPR) pubblicarono un famoso articolo che mostrava come fosse possibile utilizzare una proprietà di una particella per influenzare istantaneamente una proprietà di un’altra particella, senza alcun segno visibile di azione.
Nel 1936 il fisico francese Louis de Broglie suggerì che le onde pilota, che proponevano che la funzione d’onda descrivesse una cosa reale che si stende nello spazio, potevano spiegare l’aleatorietà della meccanica quantistica senza richiedere il collasso della funzione d’onda.
Eppure Einstein si sentiva così forte nella sua convinzione che sospettò che de Broglie avesse copiato da lui. “Si direbbe che il suo articolo da solo non può essere la produzione indipendente di un pensatore maturo“, scrisse al collega matematico Maurice Solovine.
La sconfitta
Einstein continuò a cercare un’alternativa alla meccanica quantistica, ma dopo la seconda guerra mondiale non riuscì mai a recuperare la sua fama. Gli anni ’50 e ’60 furono un’epoca di grandi scoperte in fisica subatomica, con molte nuove particelle trovate nei laboratori di tutto il mondo. Ma l’atteggiamento generale verso la teoria quantistica era cambiato.
Dopo l’ascesa del nazismo, che aveva spazzato via le élite intellettuali della Germania, i fisici europei e americani che erano sopravvissuti avevano più voglia di lavorare insieme che di bisticciare. Con la guerra fredda in pieno svolgimento, molte delle menti migliori degli Stati Uniti furono prese in prestito dal governo per lavorare su missili e armi nucleari, lasciando poche risorse per una ricerca fondamentale.
La ricerca in fisica delle particelle prese piede, e la meccanica quantistica si rivelò indispensabile per spiegare i nuovi risultati. Persino Einstein dovette ammettere la sconfitta. In una lettera al collega teorico Max Born nel 1947, scrisse: “Oggi uno scettico ha poche possibilità di convincere gli altri della propria correttezza.”
Ma non c’è nulla di più importante per la ricerca scientifica di una buona lotta, e la critica di Einstein alla meccanica quantistica ha prodotto molto di buono. Nel 1964 il fisico irlandese John Bell ha sviluppato un test che ha messo alla prova la teoria quantistica contro le teorie alternative, come quella che Einstein aveva in mente.
Il test, noto come disuguaglianze di Bell, è diventato uno dei risultati più importanti in fisica del XX secolo. Nel 1972 il fisico americano John Clauser ha sviluppato un esperimento per misurare le disuguaglianze di Bell. Nel 1982 Alain Aspect e i suoi colleghi del CERN lo hanno completato, confermando che le disuguaglianze di Bell sono violate esattamente come prevede la meccanica quantistica.
Materia e vuoto quantistico
Nel frattempo, la ricerca ha dimostrato che l’interazione della materia con il vuoto quantistico può produrre fenomeni indeterministici. Ad esempio, nel 1982 l’astrofisico britannico Stephen Hawking ha mostrato che, a causa delle fluttuazioni quantistiche, i buchi neri non possono essere neri; emettono una radiazione chiamata radiazione di Hawking. “I risultati sperimentali concordano con il fatto che le regole della teoria quantistica sono come quelle della probabilità“, dice Howard.
Oggi le opinioni di Einstein sulla meccanica quantistica sono complesse e multiformi, proprio come la meccanica quantistica stessa. La sua battuta su Dio che non gioca a dadi può essere presa sia come una lamentela contro il mistero della meccanica quantistica sia come un’affermazione del suo potere di risolvere le questioni più difficili. Einstein parlava spesso di Dio in termini metaforici e poteva essere sarcastico. “Non credo che Einstein intendesse dare una risposta seriosa a una domanda seria“, dice Howard. “Non credo che lui abbia avuto una reazione intuitiva contro l’indeterminismo.”
La domanda se l’universo sia un orologio o un tavolo da gioco d’azzardo rimane irrisolta, come lo era per Einstein.
La fisica moderna ci ha insegnato che le due immagini non sono così diverse, come potrebbero sembrare. “Siamo davvero bloccati in un punto di transizione“, dice Howard. “È difficile sapere quale sarebbe il prossimo passo in una comprensione profonda dei fondamenti della fisica.”
“Einstein è una delle più grandi figure nella storia della fisica, ma dobbiamo essere molto cauti quando cerchiamo di estrarre le sue lezioni per i problemi della fisica fondamentale oggi“, dice Howard. “Era davvero geniale, ma non era un superuomo.” La sua ricerca di un’alternativa alla meccanica quantistica è stata infruttuosa, ma le sue osservazioni sono ancora piene di saggezza.
Come qualsiasi gioco d’azzardo, la meccanica quantistica è piena di sorprese. Non importa quale sia il futuro della fisica, il lavoro di Einstein rimarrà una guida per generazioni di scienziati ancora da venire.
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