Phenomenological quantum mechanics: II. Deducing the formalism from experimental observations

Nel vasto panorama della fisica moderna, la meccanica quantistica si pone come la teoria più riuscita mai concepita, eppure rimane la più enigmatica. Essa governa il comportamento delle particelle più piccole dell'universo, dagli elettroni che orbitano attorno a un atomo ai fotoni della luce che ci permettono di vedere. Per quasi un secolo, gli scienziati si sono affidati a un particolare quadro matematico per fare previsioni su questi sistemi minuscoli. Questo quadro funziona con una precisione sbalorditiva, permettendoci di costruire laser, transistor e macchine per la risonanza magnetica. Tuttavia, la teoria porta con sé un bagaglio strano: richiede una distinzione speciale, spesso confusa, tra il mondo quantistico e il mondo quotidiano in cui viviamo. Essa suggerisce che le particelle esistano in una nebbia di possibilità finché non vengono misurate, momento in cui sembrano improvvisamente "scegliere" una singola realtà. Questo cambiamento brusco, noto come collasso della funzione d'onda, non è mai stato osservato direttamente, e lascia molti fisici a chiedersi se gli strumenti matematici standard che utilizzano siano l'unico modo per descrivere la natura, o solo il più conveniente.

Un team di ricercatori dalla Polonia, dalla Germania e dalla Cina ha adottato un approccio diverso. Invece di partire dalle familiari equazioni della meccanica quantistica, si sono posti una domanda fondamentale: e se provassimo a ricostruire l'intera teoria da zero, usando solo i dati grezzi di ciò che vediamo effettivamente in laboratorio? Il loro obiettivo era vedere se le strane strutture matematiche della teoria quantistica, come gli spazi astratti dove "vivono" le particelle nel modello standard, emergerebbero naturalmente dal semplice atto di registrare sequenze di misurazioni. Volevano sapere se le caratteristiche più famose della teoria fossero leggi inevitabili della natura o semplicemente artefatti del modo specifico in cui gli esseri umani hanno scelto di scrivere la matematica.

I ricercatori hanno iniziato esaminando come i sistemi quantistici si comportano quando vengono interrogati ripetutamente nel tempo. In un esperimento tipico, uno scienziato potrebbe misurare una proprietà di una particella, attendere un momento, misurarla di nuovo e continuare questa sequenza. La teoria standard prevede le probabilità di questi risultati, ma tratta l'atto della misurazione come un evento speciale che interrompe il flusso naturale del tempo. Il team, tuttavia, si è concentrato sui modelli grezzi presenti nei dati stessi. Hanno notato che, mentre i risultati di queste misurazioni sequenziali seguono un chiaro ordine di causa ed effetto — dove il passato influenza il futuro ma mai il contrario — essi mostrano anche una profonda incoerenza che sfida la logica classica. Nel mondo classico, se conosci il percorso fatto da una pallina, puoi prevedere dove sarà successivamente. Nel mondo quantistico, il percorso intrapreso dipende da come lo guardi, e i dati mostrano che il sistema non segue un unico percorso continuo come una pallina su una collina.

Per dare un senso a questo, il team ha introdotto un nuovo modo di pensare ai dati. Invece di assumere che il sistema segua un unico percorso, hanno considerato la possibilità che il sistema esplori simultaneamente due percorsi diversi, uno che si muove in avanti nel tempo e uno che si muove all'indietro. Hanno chiamato questo approccio "bi-traiettoria". Trattando i dati sperimentali come una combinazione di questi due flussi opposti, hanno scoperto che le complesse probabilità multi-temporali registrate in laboratorio potevano essere descritte con una sorprendente semplicità. Hanno scoperto che queste probabilità potevano essere mappate su una struttura geometrica nota come spazio di Hilbert. In termini quotidiani, questo è uno spazio matematico dove ogni possibile esito di un esperimento corrisponde a una specifica direzione o punto. I ricercatori hanno dimostrato che questo spazio non è un'invenzione arbitraria dei fisici, ma una conseguenza necessaria del modo in cui i dati si comportano. Se si tenta di descrivere la sequenza di misurazioni quantistiche senza questa struttura, la matematica semplicemente non torna.

Continuando a costruire il loro modello, il team ha scoperto che gli strumenti familiari della meccanica quantistica iniziano ad apparire naturalmente. I "proiettori" usati nella teoria standard per rappresentare l'atto della misurazione emergono come i blocchi costruttivi fondamentali del loro nuovo quadro. Lo "stato" di un sistema, che nella visione standard è un'istantanea delle condizioni di una particella, viene reinterpretato come una registrazione di come il sistema è stato inizializzato. Cosa più importante, le leggi del moto che governano il modo in cui un sistema cambia nel tempo sono derivate direttamente dai dati. Il team ha scoperto che il sistema evolve secondo una regola che assomiglia esattamente alla standard equazione di Schrödinger, guidata da una quantità chiamata Hamiltoniana. Ciò ha confermato che il loro nuovo approccio, che partiva senza assunzioni sulla matematica sottostante, conduce inevitabilmente alla stessa capacità predittiva della teoria stabilita.

Tuttavia, il nuovo formalismo non è solo una riformulazione di quello vecchio; esso cambia la storia di ciò che sta effettivamente accadendo. Nella visione standard, lo stato quantistico è l'oggetto principale, il personaggio centrale che detta tutto. In questa nuova immagine della bi-traiettoria, l'oggetto principale è la misura dei due percorsi stessi. Lo "stato" viene declassato a una mera descrizione di come l'esperimento è iniziato. Questo spostamento ha implicazioni profonde per uno dei problemi più antichi della fisica: il problema della misurazione. La teoria standard fatica a spiegare come un sistema quantistico diventi un oggetto classico quando osservato, richiedendo spesso un taglio artificiale tra i due. Il nuovo quadro, trattando il sistema come un'interazione continua di percorsi in avanti e all'indietro, elimina la necessità di questo netto confine. Suggerisce che la transizione dal mondo quantistico al mondo classico non sia un collasso improvviso, ma un processo graduale in cui i due percorsi della bi-traiettoria iniziano a sovrapporsi e ad allinearsi, fondendosi efficacemente in un unico tracciato classico.

I ricercatori hanno anche esplorato come questa nuova visione gestisce i sistemi che interagiscono tra loro. Hanno scoperto che, quando due sistemi quantistici interagiscono, le loro bi-traiettorie si intrecciano, il che significa che il percorso di un sistema dipende dal percorso dell'altro. Questo fornisce un modo naturale per descrivere come un sistema quantistico possa influenzare un dispositivo di misurazione, che è spesso trattato come un oggetto classico. Modellando il dispositivo di misurazione come un sistema che è stato spinto verso un limite classico, il team ha mostrato come l'informazione sul sistema quantistico venga codificata nel comportamento del dispositivo senza richiedere un misterioso e istantaneo collasso. Ciò offre una strada promettente verso la costruzione di modelli realistici di come funzionano effettivamente le misurazioni, trattando l'osservatore e l'osservato come parte di un singolo processo fisico continuo.

Sebbene il nuovo formalismo concordi perfettamente con tutte le previsioni sperimentali della teoria standard, esso offre una nuova prospettiva sulla natura della realtà. Suggerisce che le strane caratteristiche della meccanica quantistica, come l'impossibilità di definire un singolo percorso per una particella, non siano difetti della nostra comprensione ma proprietà fondamentali del modo in cui l'universo opera. L'approccio della bi-traiettoria non sostiene di aver risolto ogni mistero, né prova che la teoria standard sia sbagliata. Al contrario, fornisce una lente diversa attraverso la quale guardare gli stessi dati, una che potrebbe aiutare i fisici ad affrontare problemi che sono rimasti ostinatamente irrisolti per decenni. Dimostrando che la complessa macchina della meccanica quantistica può essere dedotta dal semplice atto di osservare sequenze di eventi, il team ha aperto una porta verso una comprensione più profonda del mondo quantistico, una che potrà eventualmente permetterci di vedere la meccanica dietro la magia.