Can a Local Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?

Per quasi un secolo, i fisici hanno dibattuto sulla natura della realtà alle scale più piccole. Al cuore di questa discussione risiede una domanda fondamentale: l'universo è fatto di minuscoli punti distinti, o è qualcosa di più fluido e interconnesso? Nella visione standard della meccanica quantistica, che governa il comportamento di atomi e particelle subatomiche, immaginiamo spesso queste particelle come aventi posizioni precise, come punti su una mappa, anche se non sempre possiamo sapere esattamente dove si trovino. Questa idea si basa su un concetto chiamato località, che suggerisce che un oggetto sia influenzato solo dal suo ambiente immediato e che le proprietà fisiche possano essere fissate in un punto specifico dello spazio. Tuttavia, questa assunzione è sempre stata più una comodità matematica che un fatto provato della natura. Quando gli scienziati osservano le leggi più profonde che governano l'universo, specificamente le teorie che combinano la meccanica quantistica con la relatività di Einstein, l'idea di una posizione perfettamente nitida e puntiforme inizia a vacillare. Se l'universo è fondamentalmente non locale, ovvero se gli effetti fisici e le misurazioni sono diffusi su una piccola regione piuttosto che confinati in un singolo punto, allora la nostra comprensione quotidiana della meccanica quantistica potrebbe essere un quadro incompleto, valido solo a grandi distanze ma fallace alle scale più piccole.

Una recente indagine teorica del fisico J. W. Moffat esplora questa possibilità, chiedendosi se una descrizione completa del mondo fisico debba abbandonare l'idea di una stretta località. La ricerca suggerisce che se costruiamo una teoria quantistica basata strettamente su ciò che può essere osservato e misurato, piuttosto che su astratti punti matematici, il quadro risultante è intrinsecamente non locale. In questa visione, l'universo non contiene particelle che esistono a coordinate esatte. Inveve, gli osservabili fisici — le cose che effettivamente misuriamo in un esperimento — sono naturalmente "spalmati" su una minuscola e finita regione di spazio. Questa regione non è arbitraria; è definita da una specifica scala di lunghezza, che l'autore chiama lunghezza di Moffat. Questa lunghezza rappresenta la più piccola risoluzione possibile dell'universo, un limite fondamentale al di sotto del quale il concetto di un singolo punto perde il suo significato fisico. Lo studio sostiene che le familiari regole della meccanica quantistica, che assumono che le particelle possano essere localizzate in un punto, sono in realtà solo un'approssimazione a bassa energia di questa realtà non locale più profonda.

Per raggiungere questa conclusione, il ricercatore ha costruito un modello in cui la teoria di campo sottostante è fondamentalmente non locale. In questo quadro, le equazioni che descrivono come le particelle si muovono e interagiscono sono modificate affinché non agiscano in un singolo punto, ma interagiscano attraverso un piccolo vicinato. Quando il ricercatore ha derivato le equazioni per una singola particella da questa teoria di campo non locale, ha scoperto che l'equazione di Schrödinger standard, che è la pietra angolare della meccanica quantistica non relativistica, emerge solo quando gli effetti non locali vengono ignorati. Tuttavia, quando questi effetti vengono inclusi, l'equazione cambia. La particella non avverte più una forza solo nella sua esatta posizione; invece, il suo comportamento dipende dalle condizioni dello spazio circostante, pesate da una specifica distribuzione. Ciò produce un "equazione di Schrödinger non locale", in cui l'evoluzione dello stato della particella in un dato momento è influenzata da una nuvola di probabilità circostante, piuttosto che da un singolo punto.

Uno dei risultati più significativi di questo lavoro è come esso interpreti il famoso principio di incertezza, il quale afferma che non si può conoscere sia la posizione che la quantità di moto di una particella con perfetta precisione. Nella visione standard, questa incertezza è spesso vista come un limite fondamentale della natura stessa. Tuttavia, questo articolo dimostra che il principio di incertezza deriva naturalmente dalla simmetria dello spazio e del tempo, specificamente dal fatto che le leggi della fisica non cambiano se si sposta la propria posizione. Il ricercatore ha dimostrato che la relazione matematica tra posizione e quantità di moto, che porta al principio di incertezza, è una diretta conseguenza di come la teoria gestisce le traslazioni nello spazio. La natura non locale della teoria non distrugge questa relazione; al contrario, aggiunge uno strato extra di incertezza. Sebbene le regole matematiche di base rimangano le stesse, le misurazioni fisiche effettive di posizione e quantità di moto acquisiscono una "sfocatura" irreducible perché gli strumenti di misura stessi sono distribuiti sulla scala di lunghezza fondamentale. Ciò significa che anche se potessimo misurare perfettamente la quantità di moto di una particella, la sua posizione avrebbe comunque una diffusione minima e inevitabile determinata dalla dimensione di questa regione fondamentale.

Lo studio rivisita anche il modo in cui calcoliamo la probabilità di trovare una particella in un certo luogo. Nella meccanica quantistica standard, la probabilità è spesso descritta come il quadrato della funzione d'onda in un punto specifico. Il ricercatore sostiene che questa descrizione sia un'idealizzazione che assume la possibilità di misurare una particella in un punto infinitamente nitido. In un universo non locale, un tale misurazione è impossibile. Inveve, la probabilità di trovare una particella è il risultato di una media della funzione d'onda su la piccola regione fondamentale. La familiare regola per calcolare le probabilità viene recuperata solo quando guardiamo il sistema da una certa distanza, dove i minuscoli effetti non locali sono troppo piccoli per essere notati. Al livello più profondo, la probabilità è assegnata a una regione finita, non a un punto. Questa distinzione è cruciale perché suggerisce che la funzione d'onda non descrive una particella situata a una coordinata specifica, ma piuttosto un'entità fisica che è intrinsecamente estesa.

L'articolo conclude che una descrizione meccanico-quantistica locale non è errata, ma è incompleta. Funziona perfettamente bene per il mondo che vediamo e misuriamo negli esperimenti quotidiani, dove la lunghezza non locale fondamentale è troppo piccola per essere rilevante. Tuttavia, essa non riesce a catturare la vera natura della realtà al livello più fondamentale. L'assunzione che gli osservabili fisici possano essere definiti ad arbitrarie posizioni nitide è un'approssimazione che crolla quando si sondano le strutture più profonde dell'universo. L'universo, secondo questa visione, non è una collezione di oggetti puntiformi che interagiscono a distanza, ma un tessuto continuo e non locale dove le interazioni e le misurazioni sono intrinsecamente diffuse. Questa prospettiva si allinea con la filosofia storica della meccanica quantistica, che enfatizza come la scienza riguardi ciò che possiamo osservare e misurare, piuttosto che immaginare una realtà nascosta di punti perfetti. Prendendo sul serio la definizione operativa di realtà, la ricerca suggerisce che la non località non sia un'anomalia strana, ma una caratteristica naturale di una teoria fisica completa.