From Quantum Cryptography to Intuitionism and beyond: relativity, many-worlds and non-locality

La scienza si è a lungo confrontata con la natura della realtà, in particolare con il bizzarro comportamento delle particelle più piccole dell'universo. Per decenni, i fisici hanno dibattuto se il mondo sia fondamentalmente determinato, come una macchina a orologeria dove ogni evento futuro è fissato dal passato, o se sia veramente aperto, con nuove possibilità che emergono man mano che il tempo avanza. Questa questione tocca la base stessa del nostro modo di intendere il tempo, lo spazio e l'informazione. Se il futuro è già scritto, allora l'universo è un blocco statico dove non accade mai nulla di nuovo. Se, invece, il futuro è non scritto, allora l'universo è un luogo in cui le cose nuove vengono realmente create momento per momento. Questa distinzione non è solo filosofica; cambia il modo in cui interpretiamo le leggi della fisica, specialmente quando si tratta delle bizzarre correlazioni tra particelle che sembrano influenzarsi istantaneamente attraverso vaste distanze.

In un articolo scritto per il settantesimo compleanno del suo collega e amico Gilles Brassard, il fisico Nicolas Gisin esplora queste profonde questioni proponendo un nuovo modo di pensare a come l'informazione venga creata nell'universo. Gisin suggerisce che la natura possa avere un limite sulla velocità con cui può generare nuova informazione. Egli sostiene che, sebbene l'universo possa creare nuovi fatti, non può farlo in modo infinitamente veloce. Questa idea, che sviluppa insieme a un approccio matematico chiamato intuizionismo, offre una nuova prospettiva sul perché il mondo non diventi un caos disordinato di infinite possibilità e su come le strane regole della meccanica quantistica possano integrarsi con la teoria della relatività di Einstein.

L'articolo inizia sfidando la visione standard secondo cui i numeri che usiamo per descrivere il mondo sono completi e fissi. Nella matematica tradizionale, un numero come la temperatura di una stanza è assunto avere un valore preciso in ogni momento, anche se non lo conosciamo. Gisin, attingendo a un ramo della matematica in cui i numeri vengono costruiti nel tempo, suggerisce che per molte grandezze fisiche il valore preciso non esiste finché non passa il tempo e il valore viene determinato. In questa visione, il futuro non è un copione nascosto in attesa di essere letto; esso è genuinamente aperto. La temperatura tra dieci anni, ad esempio, non ha un valore proprio ora. Non è semplicemente ignota a noi; è ontologicamente indeterminata, il che significa che la natura stessa non ha ancora deciso quale sarà. Mentre il tempo scorre, vengono create nuove unità di informazione e l'universo compie scelte che non erano predeterminate.

Questo concetto di un futuro aperto porta a una proposta specifica riguardo ai limiti della natura. Gisin immagina uno scenario in cui un sistema, come un gas di molecole, evolva in un modo che è altamente sensibile alle sue condizioni iniziali. In una visione deterministica standard, il sistema segue un percorso unico e preciso. Ma se le condizioni iniziali non sono infinitamente precise — se contengono solo una quantità finita di informazione — allora il percorso del sistema finirà per dividersi. Le diverse possibilità si diffonderanno e la natura dovrà infine scegliere quale percorso intraprendere. Gisin suggerisce che la natura possa creare nuova informazione solo a un ritmo limitato. Se un sistema tenta di evolvere verso uno stato che richiede una quantità enorme di nuova informazione per descriverlo tutto in una volta, la natura potrebbe non essere in grado di stare al passo.

Per illustrare questo, Gisin osserva un sistema di venti minuscole particelle magnetiche, note come spin. Se queste particelle sono disposte in un modo che è classicamente caotico, la loro versione quantistica diventa altamente intrecciata molto rapidamente. L'entanglement è uno stato in cui le particelle sono legate così profondamente da dover essere descritte come un unico gruppo piuttosto che come individui. Per descrivere questo gruppo, la natura dovrebbe generare una quantità massiccia di nuova informazione in una frazione infinitesimale di secondo. Gisin propone che, se la natura è limitata nella velocità con cui può produrre questa informazione, potrebbe essere costretta a dividere il sistema in parti più piccole e gestibili. Invece di creare un singolo, massiccio stato entangled per tutti i venti spin, la natura potrebbe creare due gruppi più piccoli da dieci. Questo limite potrebbe impedire all'universo di evolversi in un unico, infinitamente complesso blocco di materia entangled. Se questa idea fosse corretta, significherebbe che l'interpretazione dei "molti mondi" della meccanica quantistica, la quale suggerisce che ogni possibilità accada in un ramo separato della realtà, è errata perché la natura non può generare l'informazione necessaria per sostenere tutti quei rami simultaneamente.

L'articolo si occupa poi della relazione tra questo futuro aperto e la teoria della relatività. Un grande enigma della fisica è stato come conciliare l'idea di eventi casuali e imprevedibili con la regola di Einstein secondo cui nulla può viaggiare più veloce della luce. Alcuni fisici hanno sostenuto che, se il futuro è veramente casuale, deve violare la relatività. Gisin non è d'accordo. Egli propone che i fatti non siano assoluti; essi sono relativi alla loro posizione nello spazio e nel tempo. Quando avviene un evento casuale, come la misurazione di una particella, il risultato diventa un fatto solo entro una specifica regione dello spazio-tempo chiamata cono di luce futuro. Al di fuori di questa regione, l'evento non è ancora avvenuto e il risultato non esiste.

Ciò significa che due eventi che accadono in luoghi diversi possono essere correlati senza che l'uno causi l'altro istantaneamente. Immaginate due generatori di numeri casuali posti a grande distanza. Se producono numeri corrispondenti, non è perché uno abbia inviato un segnale all'altro. Inveve, la correlazione è un singolo evento non locale che si manifesta in entrambe le posizioni. Il fatto che corrispondano è vero solo dove i due coni di luce futuri si sovrappongono. Prima che si sovrappongano, i risultati sono indeterminati. Questa visione, che Gisin chiama "relatività dell'indeterminazione", permette le strane connessioni osservate negli esperimenti quantistici senza richiedere alcuna "azione spettrale a distanza". Suggerisce che l'universo non sia una collezione di oggetti separati che si influenzano a vicenda, ma un singolo processo in cui nuova informazione viene creata localmente e si diffonde alla velocità della luce.

Gisin riconosce che questa è un'idea audace e che non possiede una soluzione completa al problema della misura, ovvero la questione di quando e come esattamente queste grandezze indeterminate diventino definite. Egli suggerisce che la natura possa avere un meccanismo per decidere quando compiere una scelta, forse quando la quantità di informazione richiesta per descrivere un sistema eccede ciò che può essere creato in un dato tempo. Questa non è una verità provata, ma un'ipotesi che potrebbe portare a nuove previsioni e tecnologie. Se la natura è effettivamente limitata nella sua capacità di creare informazione, ciò potrebbe avere serie implicazioni per i computer quantistici, che si basano sulla creazione di enormi quantità di entanglement. Se l'universo non può generare quell'entanglement abbastanza velocemente, i computer quantistici potrebbero affrontare limiti fondamentali più severi di quanto attualmente si pensi.

L'articolo conclude sottolineando che questa nuova prospettiva non richiede osservatori o agenti coscienti affinché l'universo sia reale. La creazione di nuova informazione è un processo fisico che avviene indipendentemente dal fatto che qualcuno stia guardando o meno. Gisin scrive questo in onore del suo amico Gilles Brassard, pioniere della crittografia quantistica, per celebrare una vita trascorsa esplorando i confini dell'informazione e della realtà. Combinando l'idea matematica che i numeri vengono costruiti nel tempo con l'idea fisica che la creazione di informazione sia limitata, Gisin offre una visione di un universo dinamico, aperto e fondamentalmente creativo. È un mondo in cui il futuro non è una destinazione fissa, ma un paesaggio che viene disegnato, un nuovo fatto alla volta.