In principio è la relazione: la meccanica quantistica di Carlo Rovelli

di Emilia Margoni

Parte ampia della fisica del Novecento è legata alle sorti di un gatto: confinato in una scatola, in pericolosa prossimità con un congegno mortale, attende il compiersi del proprio destino. Il suo futuro è legato a un fenomeno dal carattere ambiguo[1], che può tanto verificarsi quanto non verificarsi: il decadimento di una sostanza radioattiva, che potrebbe innescare la macchina mortale. Fuori dalla scatola, un pubblico di osservatori incerti e in attesa: ignari dell’evoluzione dei fatti, si chiedono se il fenomeno si sia verificato oppure no. Il gatto è morto o è vivo? O, nell’avviso di molti fisici, non può dirsi né vivo né morto? Sul criterio con cui orientarsi per rispondere a queste domande, il dibattito a quasi un secolo di distanza – ovvero quando nel 1935 Erwin Schrödinger lanciò l’ipotesi animalicida per indicare l’impasse della meccanica quantistica allorché applicata a sistemi fisici macroscopici – è ancora in corso. Sinora nessuno è riuscito a offrire una ricostruzione convincente delle circostanze, tale cioè da mettere tutti d’accordo sulle sorti dello sventurato felino. A chi volesse chiarirsi le idee sul perché questo esperimento mentale rappresenti il fulcro di una delle teorie più sofisticate della fisica teorica contemporanea gioverà addentrarsi nella lettura di un felice libretto di Carlo Rovelli.

A distanza di soli tre anni dalla pubblicazione de L’ordine del tempo (Adelphi, 2017), il noto fisico italiano torna alle stampe con Helgoland (Adelphi, 2020), accattivante lettura su un tema – la meccanica quantistica – tutt’ora al centro di un vivace dibattito. Anzitutto, una premessa. Sarebbe ingenuo intendere il testo come una ricostruzione storica accurata o un manuale divulgativo per non addetti ai lavori.

L’autore dedica sì una prima sezione alle principali tappe del processo di formalizzazione della meccanica quantistica e ai protagonisti che ne hanno preso parte – dopotutto, Helgoland è proprio uno dei luoghi in cui sbocciano le prime rocambolesche proposte per una nuova teoria dei quanti. Vero è anche che bisogna riconoscere a Rovelli una singolare abilità nel rendere accessibili argomenti di elevata difficoltà teorica. Eppure, a mano a mano che si procede nella lettura, emerge sempre più il carattere autoriale del testo – e per “autoriale” intendo un certo tipo di ingresso nei dibattiti secondo una linea originale e personalissima. Traendo spunto dalla lezione di Rovelli, varrà allora la pena di sottoporre il testo a un’opera di estrazione, senza la pretesa di restituirne fedelmente il contenuto o la trama concettuale.

Il libro è diviso in tre parti. La prima è dedicata a una ricostruzione, (inevitabilmente) idiosincratica, dei momenti salienti nella messa a punto di una teoria microscopica della materia. La seconda parte esplora sinteticamente le principali interpretazioni che sono state offerte da illustri rappresentanti della fisica novecentesca a proposito di tale teoria. Nell’ultima parte, Rovelli delinea i tratti di quella che viene indicata come interpretazione relazionale della meccanica quantistica, da lui stesso elaborata a partire dalla fine degli anni ’90 del Novecento. La mia rapida sortita nel libro si atterrà a tale tripartizione.

La fisica dello scorso secolo viene generalmente contraddistinta, in quella sempre forzosa suddivisione per grandi fasi storiche, quale epoca di transizione rivoluzionaria. L’avvento della teoria della relatività, assieme alla formulazione e al progressivo consolidamento della meccanica quantistica, hanno segnato uno spartiacque senza precedenti nella storia della scienza e della metafisica contemporanee. Inutile sottolineare come l’elaborazione di tali teorie trovi le proprie origini in anomalie sperimentali e formalizzazioni matematiche ottocentesche e come, pertanto, il grande salto della fisica contemporanea sia legato piuttosto a un progressivo lavoro d’inclusione di tali singolari fenomeni e alla loro successiva sistematizzazione entro paradigmi teorici innovativi. D’altra parte, se non sono mai semplicemente i singoli individui a definire e imporre un modello – e questo individualismo quasi-metodologico è spesso rimproverato alle ricostruzioni di Rovelli – certo è che la knabenphysik continua a costituire, a distanza di quasi un secolo dal suo primo avvio, un rompicapo di non facile risoluzione per fisici e vari altri esperti del settore.

Eccoci allora nel vivo della questione.

Com’è ormai noto, il principio di indeterminazione di Heisenberg comporta l’impossibilità di determinare con precisione arbitraria coppie di variabili cosiddette coniugate. Tali variabili, quali ad esempio velocità e posizione, vengono pertanto definite osservabili incompatibili: tanto più alta è la precisione con cui conosco il valore di una delle due, tanto più cresce l’incertezza sul valore dell’altra. Questo principio implica, tra l’altro, che qualunque tipo di interazione tra sistemi fisici ne modifichi le rispettive proprietà interne – in particolare, nel caso in cui uno strumento di misura venga adoperato per calcolare lo stato di un sistema fisico d’interesse, l’interazione tra i due comporta un’inevitabile alterazione di tale stato. A seconda del paradigma interpretativo che si intende avvalorare, tale principio assume tuttavia significati affatto diversi. E proprio alle proposte interpretative della meccanica quantistica è soprattutto dedicato il testo di Rovelli. Senza entrare nei dettagli, che possono essere consultati nella scorrevole e sempre godibile analisi offerta in Helgoland, il punto cruciale su cui la critica si divide è il tipo di implicazioni che la teoria sembra suggerire circa il carattere della realtà fisica. Oltre al principio di indeterminazione, infatti, a qualificare la meccanica quantistica concorre tutta un’altra serie di ingredienti. Rovelli ne individua tre: l’attenzione rivolta ai soli parametri osservabili, il carattere probabilistico delle predizioni e la struttura granulare delle variabili fisiche coinvolte.

Come si diceva in apertura, la meccanica quantistica rappresenta a detta di molti esperti del settore una delle teorie più sofisticate della fisica teorica contemporanea. Eppure, a ben vedere, il tutto può essere ricondotto all’esperimento mentale di Schrödinger, di cui ora posso offrire maggiori dettagli. Il fisico austriaco ci invita a immaginare che un gatto si trovi all’interno di una scatola in cui un fenomeno quantistico può accadere con probabilità di ½ (come abbiamo appena visto le previsioni della meccanica quantistica hanno infatti carattere probabilistico). Se il fenomeno in questione si verifica, un congegno attiva l’emissione di una dose di cianuro e il gatto muore. Se invece non si verifica, il gatto rimane in vita. Il problema diviene allora: dall’esterno della scatola, cosa possiamo dire circa lo stato del gatto? Stando alle previsioni della meccanica quantistica, dal momento che il fenomeno ha pari probabilità di verificarsi e di non verificarsi, fintantoché non lo osserviamo, sulle condizioni del gatto non si può raggiungere nessuna conclusione – in gergo tecnico, il gatto si trova in uno stato di sovrapposizione quantistica. Eppure, persino prima di poterci esprimere sulla possibilità o l’impossibilità di poter dire qualcosa sul verificarsi del fenomeno, c’è un equivoco di fondo da sciogliere: la questione ha natura ontologica o epistemica? Fuori dalle gergalità, con il suo esempio, Schrödinger vuole dire che il gatto, quale entità concreta, si trova effettivamente in una condizione indeterminata o che, di contro, è l’osservatore che non ha modo di valutarne le condizioni?

Come si accennava, molte sono state le proposte avanzate. Senza poterle qui menzionare tutte, c’è chi ritiene, come nel caso dell’interpretazione a molti-mondi, che il gatto esista in entrambi gli stati, ciascuno associato al corrispondente fenomeno quantistico. I sostenitori di tale interpretazione ritengono pertanto che esistano tanti mondi paralleli quanti sono i possibili esiti di ciascun fenomeno quantistico. Altri, viceversa, come nel caso del q-bismo[2], intendono la meccanica quantistica quale prezioso strumento di calcolo che rende conto solamente delle condizioni di possibilità della nostra conoscenza di un sistema fisico, anziché del suo effettivo stato.

Per uscire dalla impasse, Rovelli avanza un’intrigante proposta, che va sotto il nome di interpretazione relazionale. L’idea, elaborata in un articolo del 1996 e ribadita nel libro di cui qui si discute, è quella di rinunciare alla nozione di stato assoluto di un sistema fisico. Secondo Rovelli, la meccanica quantistica descrive il modo in cui i sistemi fisici si determinano in rapporto ad altri sistemi fisici. A suo avviso, le proprietà di tali sistemi non possono intendersi quali intrinseche, bensì disposizionali. Detto altrimenti, i valori specifici di una certa variabile fisica emergono soltanto in virtù dell’interazione con altri sistemi fisici. “Gli oggetti sono caratterizzati dal modo in cui interagiscono” (p. 84); e ancora, “non ci sono proprietà al di fuori delle interazioni” (p. 88). Questo implica, tra l’altro, che una stessa sequenza di eventi può essere definita e detta in molti modi: “Le proprietà degli oggetti esistono solo nel momento delle interazioni e possono essere reali rispetto a un oggetto ma non rispetto a un altro” (p. 90).

Questo, in effetti, rende la distinzione tra ontologia ed epistemologia quantomeno impropria, se non fuorviante. Infatti, solo l’interazione tra sistemi fisici rende possibile la reciproca informazione. Al contempo, tutti i sistemi fisici sono equivalenti, nel senso che non esiste un sistema di riferimento privilegiato che risponda alla condizione di osservatore: chi sta fuori dalla scatola è un sistema tanto quanto il gatto dalle incerte sorti. Gli esseri umani che si interrogano su quanto sta accadendo nella scatola non sono da intendersi come persone esterne alla scena che semplicemente osservano un qualcosa, bensì fenomeni fisici, al pari di quelli che si producono entro la scatola, e che in quanto tali possono entrare in interazione con questi ultimi. Questa proposta, il cui intento è quello di mettere in questione la distinzione tra soggetto e oggetto, osservatore e sistema, è una delle conseguenze più dirompenti dell’interpretazione relazionale della meccanica quantistica. La nozione di stato assoluto di un sistema viene rimpiazzata dall’idea di mutua informazione[3] tra sistemi fisici. Tale informazione – che di fatto indica una correlazione tra sistemi fisici – è un effetto combinato di disposizioni, ovvero lo spettro di possibili esiti di un fenomeno quantistico, e attualizzazione di determinati esiti allorché il sistema interagisce con altri.

Tale visione della realtà fisica, quale combinazione tra disposizioni e interazioni gode di una ricca tradizione filosofica. Non è un caso che la posizione di Rovelli riecheggi le proposte di alcuni filosofi contemporanei[4] che fanno esplicito riferimento alla filosofia processuale di Alfred N. Whitehead. L’idea che anima tale proposta è che la realtà fisica non corrisponda a un insieme di elementi (siano essi particelle, atomi, molecole e così via verso aggregati sempre più complessi) che entrano poi in relazione tra di loro. Piuttosto, l’identi(ficabili)tà di un certo elemento (particella, atomo, molecola) è possibile soltanto grazie all’insieme di relazioni in cui tale elemento s’inserisce. In altre parole, il processualismo àncora l’individualità di un’entità all’insieme di relazioni che tale entità dispiega quando si lega ad altre entità. Gli oneri dell’ipotesi in questione sono tutt’altro che leggeri: non esistono proprietà intrinseche alle cose.

Chi abbia avuto la pazienza di giungere sin qui si starà forse chiedendo cosa l’interpretazione relazionale abbia da dire sul destino del gatto nella scatola. Come si è visto, secondo il paradigma avanzato da Rovelli, le proprietà di un sistema non sono mai definite in senso assoluto, perché dipendenti dalle relazioni che i sistemi intessono tra loro. Questo significa che le proprietà, reali per un secondo sistema con cui il primo si trovi ad interagire, possono non esserlo (ed anzi in generale non lo sono) rispetto a un terzo con cui il sistema non si trova a interagire. Sicché, la risposta al quesito di cui sopra è bell’e pronta. Supponiamo, dice Rovelli, di prendere i panni del famigerato gatto. Per noi, che ci troviamo all’interno della scatola, il fenomeno quantistico o avviene o non avviene. Tertium non datur. Ovvero, l’interazione tra i due sistemi fisici (rispettivamente, il fenomeno quantistico e noi) definisce, per tali sistemi, il valore delle variabili coinvolte. Viceversa, per una persona esterna alla scatola, che non si trova a interagire con il suo contenuto, noi ci troviamo in una condizione di sovrapposizione quantistica: “le variabili fisiche non descrivono le cose: descrivono il modo in cui le cose si manifestano le une alle altre” (p. 91).

Proporre un’interpretazione della meccanica quantistica è senza dubbio un atto d’azzardo, persino per un fisico di fama mondiale come il nostro autore. Questo in ragione non solo del grado di estrema densità concettuale della teoria, ma anche del grado di dissenso che divide i suoi interpreti, tra cui figurano alcune tra le più brillanti menti della fisica del Novecento. La proposta di Rovelli però si lascia apprezzare proprio per la sua audacia, oltre che per il carattere di innovazione che potrebbe portare in campi esterni alla fisica, in particolare la filosofia: il suo invito è quello di trattare gli oggetti come precipitati. Detto altrimenti, un ente non è nulla al di fuori della serie di interazioni che intesse con altri enti. Al contempo, non esiste una prospettiva esterna, oggettiva, da cui descrivere gli enti e le loro interazioni. Ogni analisi è situata, nel senso che si cala in una prospettiva inevitabilmente parziale. Ne risulta un’idea della fisica assai lontana da quella boriosa “teoria del tutto” con cui alcuni fisici contemporanei intendono mettere un punto alla storia millenaria della riflessione umana: la fisica non è che la descrizione parziale di come alcune partizioni arbitrarie della realtà si co-determinano in un rapporto di mutua reciprocità.

Note

[1] Mutuo qui il termine “ambiguo” dall’acuta analisi del fisico teorico Niels Bohr circa lo statuto della traiettoria nel contesto della meccanica quantistica. Per una discussione sul tema, si veda David Bohm & F. David Peat, Science, Order and Creativity. A Dramatic New Look at The Creative Roots of Science and Life, New York, Bantam Books, 1987, pp. 84-87.

[2] Il termine q-bismo, che gioca volutamente sulla consonanza con la nota corrente artistico-culturale novecentesca, deriva dai <<qbit>>, unità di informazione adoperate nei computer quantistici.

[3] Come spiega Rovelli, la nozione di informazione cui qui si sta facendo riferimento indica la presenza di un “vincolo di qualche tipo […] per cui il valore di una variabile implica qualcosa per il valore dell’altra” (p. 111).

[4] Si veda, ad esempio, Nicholas Rescher, Process Philosophy: A Survey of Basic Issues, Pittsburgh, University of Pittsburgh Press, 2000; Paavo T.I. Pylkkänen, Mind, Matter and the Implicate Order, Dordrecht, Springer, 2007; Anna Marmodoro & David Yates, The Metaphysics of Relations, Oxford, Oxford University Press, 2016.

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