Perché sempre più fisici stanno iniziando a pensare che lo spazio e il tempo siano “illusioni”

Lo scorso dicembre è stato assegnato il Premio Nobel per la Fisica per la conferma sperimentale di un fenomeno quantistico noto da più di 80 anni: l’entanglement. Come concepito da Albert Einstein e dai suoi collaboratori nel 1935, gli oggetti quantistici possono essere misteriosamente correlati anche se sono separati da grandi distanze. Ma per quanto bizzarro possa sembrare il fenomeno, perché questa antica idea merita ancora il premio più prestigioso in fisica?

Per coincidenza, solo poche settimane prima che i recenti premi Nobel venissero onorati a Stoccolma, un altro team di illustri scienziati di Harvard, MIT, Caltech, Fermilab e Google ha riferito di aver eseguito un’operazione sul computer quantistico di Google che potrebbe essere interpretato come una puntura I wormhole sono tunnel attraverso l’universo che possono fungere da scorciatoia attraverso lo spazio e il tempo e sono amati dai fan della fantascienza, e sebbene il tunnel realizzato in questo ultimo esperimento esista solo in un gioco dell’universo 2D, potrebbe essere una svolta per la ricerca futura all’avanguardia della fisica…

Ma perché l’entanglement è legato allo spazio e al tempo? E in che modo potrebbe essere importante per le future scoperte della fisica? Il concetto di entanglement, propriamente inteso, significa che l’universo è “monometrico”, come lo chiamano i filosofi, e che ogni cosa nell’universo, a un livello fondamentale, fa parte di un tutto unificato. Una caratteristica distintiva della meccanica quantistica è che la sua realtà fondamentale è descritta in termini ondulatori e l’universo monadico richiede una funzione globale. Decenni fa, ricercatori come Hugh Everett e Dieter Zeh hanno mostrato come la realtà della nostra vita quotidiana potesse emergere da una descrizione così completa della meccanica quantistica. Ma solo ora ricercatori come Leonard Susskind o Sean Carroll stanno sviluppando idee su come questa realtà quantistica nascosta potrebbe spiegare non solo la materia ma anche il tessuto stesso dello spazio e del tempo.

L’entanglement è molto più di un altro strano fenomeno quantistico. È il principio che agisce alla base sia del motivo per cui la meccanica quantistica fonde il mondo in uno sia del motivo per cui sperimentiamo questa unità fondamentale come molte cose separate. Allo stesso tempo, l’entanglement è il motivo per cui sembriamo vivere nella realtà classica. È – nel senso letterale della parola – collante e creatore di mondi. L’entanglement si applica agli oggetti costituiti da due o più componenti e descrive cosa accade quando il principio quantistico che “tutto ciò che può realmente accadere” viene applicato a questi oggetti componenti. Di conseguenza, lo stato di entanglement è la sovrapposizione di tutte le possibili combinazioni in cui i componenti dell’oggetto componente possono produrre lo stesso risultato complessivo. Ancora una volta, è la natura ondulatoria del campo quantico che potrebbe aiutare a spiegare come funziona effettivamente l’entanglement.

Immagina un mare di vetro perfettamente calmo in una giornata di tempesta. Ora chiediti, come può essere prodotto un tale livello sovrapponendo due modelli di onde individuali? Una possibilità è che la sovrapposizione di due superfici perfettamente piatte porti nuovamente a un risultato perfettamente piatto. Ma un’altra possibilità che potrebbe derivare da una superficie piatta è se due modelli d’onda identici sono sovrapposti l’uno all’altro da un mezzo ciclo di oscillazione, in modo tale che le creste d’onda di un modello eliminino le depressioni d’onda dell’altro e viceversa. Se osservassimo solo la circonferenza del corpo vitreo, poiché è il risultato di due rigonfiamenti insieme, non ci sarebbe modo di distinguere gli schemi dei singoli rigonfiamenti. Ciò che sembra perfettamente ordinario quando parliamo di onde ha conseguenze ancora più bizzarre se applicato a realtà concorrenti. Se la tua vicina ti dice che ha due gatti, uno vivo e l’altro morto, significa che il primo o il secondo gatto è morto e l’altro gatto, rispettivamente, è vivo – sarebbe un modo strano e inquietante di descrivere gli animali domestici, e potresti non sapere chi di loro è il fortunato, ma finirai sulle tracce del vicino. Non così nel regno dei quanti. Nella meccanica quantistica, la stessa affermazione indica che i due gatti si sono fusi in una sovrapposizione di stati, tra cui il primo gatto è vivo e il secondo è morto e il primo gatto è morto mentre l’altro è vivo, ma anche possibilità in cui entrambi i gatti sono per metà vivo e mezzo morto, o che il primo gatto è un terzo di loro sono vivi, mentre i secondi gatti si sommano ai due terzi della vita persa. In una coppia quantitativa di gatti, i destini e le circostanze dei singoli animali si dissolvono completamente nel caso dell’insieme. Allo stesso modo, nell’universo quantistico non ci sono oggetti individuali. Tutto ciò che esiste è combinato in un unico “uno”.

L’entanglement quantistico rivela un’area completamente nuova e vasta da esplorare. Definisce una nuova base per la scienza e capovolge la nostra ricerca di una teoria del tutto, basandosi sulla cosmologia quantistica piuttosto che sulla fisica delle particelle o sulla teoria delle stringhe. Ma quanto è realistico per i fisici adottare un simile approccio? Sorprendentemente, non è solo realistico, lo fanno davvero. I ricercatori all’avanguardia della gravità quantistica stanno iniziando a ripensare lo spazio-tempo come conseguenza dell’entanglement. Un numero crescente di scienziati è arrivato a basare le proprie ricerche sull’inseparabilità dell’universo. Le speranze sono alte che, adottando questo approccio, possano finalmente giungere a una vera comprensione dello spazio e del tempo, nelle profondità delle sue fondamenta.

Che lo spazio sia tenuto insieme dall’entanglement, la fisica sia descritta da oggetti astratti oltre lo spazio e il tempo o lo spazio delle possibilità rappresentato dalla funzione d’onda universale di Everett, o tutto nell’universo sia ridotto a un singolo oggetto quantistico: tutte queste idee condividono una caratteristica distintiva sapore di monismo. Al momento, è difficile giudicare quali di queste idee informeranno il futuro della fisica e quali finiranno per estinguersi. La cosa interessante è che mentre le idee sono state originariamente sviluppate nel contesto della teoria delle stringhe, sembrano aver superato la teoria delle stringhe e le stringhe non giocano più un ruolo nelle ultime ricerche. Il filo conduttore ora sembra essere che lo spazio e il tempo non sono più essenziali. La fisica contemporanea non inizia con lo spazio e il tempo per continuare le cose disposte in questo sfondo preesistente. Invece, lo spazio e il tempo si vedono come prodotti di una realtà del proiettore più fondamentale. Nathan Cyberg, un pioniere dei teorici delle stringhe all’Institute for Advanced Study di Princeton, non è solo nei suoi sentimenti quando dice: “Sono quasi certo che lo spazio e il tempo siano illusioni. Questi sono concetti rudimentali che verranno sostituiti da qualcosa di più complesso”. Inoltre, nella maggior parte degli scenari che propongono tempi spaziali emergenti, l’entanglement gioca un ruolo primario. Come sottolinea il filosofo della scienza Rasmus Yaxland, questo in definitiva significa che non ci sono più oggetti individuali nell’universo; Che tutto è connesso a tutto il resto: “Abbracciare l’entanglement mentre il mondo crea relazioni ha il prezzo di rinunciare alla possibilità di separazione. Ma forse coloro che sono disposti a fare questo passo dovrebbero guardare all’entanglement per la relazione di base con cui esso modellerà questo mondo (e forse tutto l’altro mondo) potenziale).” Così, quando lo spazio e il tempo scompaiono, ne emerge uno unificato.

Al contrario, dal punto di vista del monismo quantistico, tali strabilianti conseguenze della gravità quantistica non sono lontane. Già nella teoria della relatività generale di Einstein lo spazio non è più una fase stazionaria. Piuttosto, è la fonte delle masse di materia e della sua energia. Proprio come il punto di vista del filosofo tedesco Gottfried W. Leibniz, descrive l’ordine relativo delle cose. Se ora, secondo l’unità quantitativa, rimane solo una cosa, non c’è più niente da sistemare o sistemare, e alla fine non c’è più bisogno del concetto di spazio su questo livello fondamentale di descrizione. È “l’Uno”, un singolo universo quantistico che dà origine a spazio, tempo e materia.

“GR = QM”, ha affermato coraggiosamente Leonard Susskind in una lettera aperta ai ricercatori della scienza dell’informazione quantistica: la relatività generale non è altro che la meccanica quantistica, una teoria vecchia di cento anni che è stata applicata con grande successo a tutti i tipi di cose ma mai lo era davvero. Totalmente comprensibile. Come sottolinea Sean Carroll, “La gravità era probabilmente sbagliata da quantificare, e lo spazio-tempo è sempre stato in agguato nella meccanica quantistica”. Per il futuro, “invece di quantificare la gravità, forse dovremmo provare la meccanica quantistica. O, in modo più accurato ma meno entusiasmante, “trovare la gravità all’interno della meccanica quantistica”, suggerisce Carroll sul suo blog. Quantistica seriamente fin dall’inizio, se intesa come teoria che non si verifica nello spazio e nel tempo, ma all’interno di una realtà più fondamentale del dispositivo di visualizzazione, si sarebbero potuti evitare molti vicoli ciechi nell’esplorazione della gravità quantistica. Filosofia vecchia di un anno adottata nell’antichità, perseguitata nel Medioevo, ripresa nel Rinascimento, ritoccata nel Romanticismo – già quando Everett e Zee vi alludevano piuttosto che attenersi all’interpretazione dell’abbreviazione di meccanica dell’influente pioniere quantistico Niels Bohr. in uno strumento, saremo sulla buona strada per demistificare le fondamenta stesse della realtà.

Adattato da Uno: come un’idea antica detiene il futuro della fisica di Heinrich Basso. Copyright © 2023. Disponibile da Basic Books, un’impronta di Hachette Book Group, Inc. Tutti i diritti riservati.