Einstein, Bohr e la guerra sulla teoria dei quanti

Foto in bianco e nero che mostra Bohr ed Einstein seduti fianco a fianco in conversazione.

Niels Bohr (a sinistra) con Albert Einstein alla fine degli anni venti, quando la meccanica quantistica era agli inizi.Credit: Emilio Segre Visual Archives/AIP/SPL

What Is Real?: The Unfinished Quest for the Meaning of Quantum Physics Adam Becker Basic: 2018.

L’inferno è scoppiato in fisica circa 90 anni fa. La teoria dei quanti è emersa – in parte in accesi scontri tra Albert Einstein e Niels Bohr. Ha posto una sfida alla natura stessa della scienza, e probabilmente continua a farlo, mettendo a dura prova la relazione tra la teoria e la natura della realtà. Adam Becker, scrittore scientifico e astrofisico, esplora questa storia intricata in What Is Real?

Becker mette in discussione l’egemonia dell’interpretazione di Copenhagen della meccanica quantistica. Proposta da Bohr e Werner Heisenberg negli anni ’20, questa teoria sostiene che i sistemi fisici hanno solo probabilità, piuttosto che proprietà specifiche, finché non vengono misurati. Becker sostiene che cercare di analizzare come questa interpretazione rifletta il mondo in cui viviamo è un esercizio di opacità. Mostrando che l’evoluzione della scienza è influenzata da eventi storici – inclusi fattori sociologici, culturali, politici ed economici – esplora spiegazioni alternative. Se gli eventi si fossero svolti diversamente negli anni ’20, afferma, la nostra visione della fisica potrebbe essere molto diversa.

Becker si sofferma sulla Conferenza Solvay del 1927 a Bruxelles, dove 29 brillanti scienziati si riunirono per discutere la nascente teoria dei quanti. Qui, i disaccordi tra Bohr, Einstein e altri, tra cui Erwin Schrödinger e Louis de Broglie, arrivarono al culmine. Mentre Bohr proponeva che le entità (come gli elettroni) avessero solo delle probabilità se non venivano osservate, Einstein sosteneva che avessero una realtà indipendente, spingendo la sua famosa affermazione che “Dio non gioca a dadi”. Anni dopo, aggiunse una glossa: “Ciò che chiamiamo scienza ha il solo scopo di determinare ciò che è”. Improvvisamente, il realismo scientifico – l’idea che le teorie scientifiche confermate riflettano approssimativamente la realtà – era in gioco.

I fenomeni quantistici erano fenomenalmente sconcertanti per molti. Il primo era la dualità onda-particella, in cui la luce può agire come particelle e le particelle come gli elettroni interferiscono come onde luminose. Secondo Bohr, un sistema si comporta come un’onda o una particella a seconda del contesto, ma non si può prevedere quale farà.

In secondo luogo, Heisenberg mostrò che l’incertezza, per esempio sulla posizione e la quantità di moto di una particella, è cablata nella fisica. In terzo luogo, Bohr sostenne che possiamo avere solo una conoscenza probabilistica di un sistema: nell’esperimento mentale di Schrödinger, un gatto in una scatola è sia morto che vivo finché non viene visto. In quarto luogo, le particelle possono diventare intrecciate. Per esempio, due particelle possono avere spin opposti, non importa quanto distanti siano: se si misura che una è in spin up, si sa immediatamente che l’altra è in spin down. (Einstein chiamò questo “azione spettrale a distanza”.)

Becker spiega come queste osservazioni sfidino la località, la causalità e il determinismo. Nel mondo classico delle palle da biliardo, dei proiettili e delle mele che cadono dagli alberi, non sono mai stati problemi.

Sfogliando la storia, Becker mostra come Bohr, da antirealista, abbia portato dalla sua parte molti fisici emergenti, tra cui Heisenberg, Wolfgang Pauli e Max Born. Einstein, tuttavia, si ostinava a sostenere che l’interpretazione di Copenhagen era incompleta. Congetturava che ci potessero essere variabili o processi nascosti alla base dei fenomeni quantistici; o forse le “onde pilota”, proposte da de Broglie, governano il comportamento delle particelle. Nel 1932, il matematico John von Neumann produsse una prova che non ci potevano essere variabili nascoste nella meccanica quantistica. Anche se matematicamente corretta, fu rivelata fallace decenni dopo. Ma il danno era stato fatto: le alternative potenzialmente valide concepite da Einstein e de Broglie rimasero relativamente inesplorate. L’interpretazione di Copenaghen aveva preso piede negli anni ’30, e i libri di testo oggi affermano che la visione di Bohr “vinse”.

Quindi, la Conferenza di Solvay può essere vista come uno scontro tra due paradigmi matematicamente equivalenti ma fondamentalmente diversi: La visione strumentalista della fisica quantistica di Bohr e quella realista di Einstein. Nella scienza, un paradigma dominante determina quali esperimenti vengono fatti, come vengono interpretati e che tipo di percorso segue un programma di ricerca.

Ma cosa succede se un campo sceglie il paradigma sbagliato? Becker mostra come, negli anni ’50 e ’60, una manciata di fisici ha rispolverato le teorie di Einstein e de Broglie e le ha trasformate in un’interpretazione completa in grado di scuotere lo status quo. David Bohm sostenne che le particelle nei sistemi quantistici esistevano indipendentemente dall’osservazione o meno, e che hanno posizioni e movimenti prevedibili determinati da onde pilota. John Bell ha poi dimostrato che le preoccupazioni di Einstein sulla località e l’incompletezza dell’interpretazione di Copenhagen erano valide. Fu lui a confutare la prova di von Neumann rivelando che essa escludeva solo una ristretta classe di teorie delle variabili nascoste.

La comunità scientifica accolse freddamente le idee di Bohm. Un ex mentore, J. Robert Oppenheimer, disse: “se non possiamo confutare Bohm, allora dobbiamo accettare di ignorarlo”. E, come mostra Becker, le opinioni di sinistra di Bohm portarono a un’apparizione davanti al Comitato per le attività antiamericane della Camera, e alla successiva ostracizzazione.

Il contemporaneo di Bohm, il fisico Hugh Everett, lanciò un’altra sfida all’interpretazione di Copenhagen. Nel 1957, Everett si propose di risolvere il “problema della misurazione” nella teoria quantistica – la contraddizione tra la natura probabilistica delle particelle a livello quantistico e il loro “collasso”, quando vengono misurate, in uno stato a livello macroscopico.

L’interpretazione dei molti mondi di Everett non postula alcun collasso. Invece, le probabilità si biforcano al momento della misurazione in universi paralleli – come uno in cui il gatto di Schrödinger è vivo e un altro in cui è morto. Anche se un numero infinito di universi non verificabili sembra poco scientifico per alcuni, molti fisici oggi considerano la teoria importante.

Il libro ha alcuni difetti minori. Becker dà troppo spazio alle recenti applicazioni basate sulla ricerca di Bell, e troppo poco ai nuovi sviluppi della filosofia della scienza. Tuttavia, come il cosmologo Sean Carroll nel suo The Big Picture del 2016 (R. P. Crease Nature 533, 34; 2016), fa un caso esplicito per l’importanza della filosofia. Questa è una chiamata chiave, con scienziati influenti come Neil deGrasse Tyson che liquidano la disciplina come una perdita di tempo.

What Is Real? è un argomento per mantenere una mente aperta. Becker ci ricorda che abbiamo bisogno di umiltà mentre indaghiamo la miriade di interpretazioni e narrazioni che spiegano gli stessi dati.