Locality, Probability and the Relevance of History

Nel vasto panorama della fisica moderna, due pilastri imponenti si ergono l'uno accanto all'altro, eppure spesso sembrano parlare lingue diverse. Uno è la teoria della relatività, che ci insegna che nulla può viaggiare più velocemente della luce e che le cause devono precedere i loro effetti in un ordine locale rigoroso. L'altro è la meccanica quantistica, il libro delle regole del mondo subatomico, che descrive una realtà in cui le particelle possono essere collegate attraverso vaste distanze in modi che sembrano sfidare proprio quel medesimo ordine locale. Per decenni, questa tensione è stata acuita da un celebre enigma noto come il teorema di Bell. Questo teorema suggerisce che se l'universo segue le regole della relatività e se le particelle possiedono proprietà definite prima che noi le misuriamo, allora certi schemi statistici negli esperimenti non dovrebbero mai verificarsi. Eppure, in laboratori di tutto il mondo, quegli schemi si verificano. L'universo sembra infrangere le regole della causalità locale, costringendo i fisici a scegliere tra l'abbandonare l'idea che le cause siano locali o accettare che l'universo sia più strano di quanto pensassimo.

Un nuovo articolo del filosofo Sebastian Horvat offre un modo diverso di guardare a questo enigma. Invece di scegliere tra località e il comportamento strano delle particelle quantistiche, Horvat suggerisce che sia la nostra comprensione di come il passato influenzi il futuro la parte che potrebbe aver bisogno di un aggiustamento. Egli propone che il conflitto sorga non perché la natura sia non-locale, ma perché abbiamo assunto che il passato sia irrilevante per il presente in un senso specifico e tecnico. Ridefinendo cosa significhi per una teoria essere "locale" in un mondo probabilistico, Horvat sostiene che i fenomeni quantistici possano rimanere perfettamente locali senza violare la velocità della luce, a patto di accettare che la storia completa di come una situazione sia giunta a essere conta più di quanto credessimo in precedenza.

Per comprendere il cambiamento, bisogna prima vedere come sono state scritte le vecchie regole. Per molto tempo, i fisici hanno creduto che se avessi conosciuto tutto ciò che accadeva nel passato immediato di un evento, avresti potuto determinare esattamente cosa sarebbe successo dopo. Questa è l'idea della determinazione funzionale: il presente è un risultato diretto del passato immediato. Tuttavia, la meccanica quantistica non è deterministica; tratta di probabilità. Non puoi dire con certezza dove atterrerà un elettrone, ma solo quanto sia probabile che atterri in vari punti. Per accomodare questo, il celebre fisico John Bell propose una regola modificata. Suggerì che, sebbene il passato potesse non determinare l'esito esatto, dovrebbe determinare la probabilità di quell'esito. Nella visione di Bell, se conosci lo stato del passato immediato, la probabilità che un evento accada qui non dovrebbe cambiare, indipendentemente da ciò che accade lontano, in un luogo che la luce non può raggiungere. Questo divenne il test standard per la "causalità locale".

Horvat sostiene che il test di Bell, pur essendo logico, trascuri una sfumatura cruciale quando applicato a un mondo di probabilità. Egli osserva che la regola di Bell tratta ogni possibile scenario in isolamento. Chiede: "Dato questo specifico passato, qual è la probabilità di questo futuro?". Ma Horvat suggerisce che un modo più naturale di generalizzare l'idea di determinazione locale sia osservare come le probabilità stesse si relazionino tra loro attraverso diverse storie possibili. Nella sua visione, una teoria veramente locale dovrebbe garantire che la distribuzione di probabilità di un evento sia determinata dalla distribuzione di probabilità degli eventi nel suo passato immediato. È un cambiamento sottile ma profondo: invece di eventi che determinano altri eventi, o eventi che determinano probabilità, le distribuzioni di possibilità determinano le distribuzioni di possibilità future.

Quando Horvat applica questa nuova definizione, più flessibile, di località ai dati, emerge un risultato sorprendente. Le strane correlazioni osservate negli esperimenti quantistici, che violano le disuguaglianze di Bell, non violano necessariamente questa nuova regola. La violazione avviene solo se ci si aggrappa a un'ipotesi aggiuntiva, nascosta: l'idea che la storia sia irrilevante. Questa ipotesi, che i fisici spesso danno per scontata, è la convinzione che, una volta conosciuto lo stato attuale di un sistema, la specifica strada percorsa per arrivarci non conti per predire il suo futuro. È la convinzione che il momento presente contenga tutte le informazioni necessarie, e che il passato sia solo una storia dimenticata.

Horvat dimostra che se si abbandona questa ipotesi, il conflitto scompare. Egli propone che la probità futura di un evento possa dipendere dalla storia di come lo stato attuale è stato raggiunto. Per visualizzarlo, immaginate che un cubo rosso appaia in una stanza. Se assumete che la storia sia irrilevante, predirete il suo comportamento futuro basandovi esclusivamente sul fatto che è un cubo rosso in questo momento, indipendentemente da come ci sia arrivato. Ma se la storia è rilevante, il futuro del cubo potrebbe dipendere dal fatto che sia arrivato da una piramide rossa o da una sfera rossa. Nel mondo quantistico, il "cubo rosso" è un esito di una misurazione, e la sua "storia" include la specifica catena di eventi che ha portato le particelle entangled a trovarsi nello stato in cui si trovano. L'articolo suggerisce che le correlazioni che vediamo non sono connessioni magiche attraverso lo spazio, ma il risultato del fatto che lo stato attuale porta con sé la memoria della sua specifica origine.

Ciò non significa che le cause viaggino all'indietro nel tempo o che il futuro cambi il passato. Significa piuttosto che la probabilità di ciò che accadrà dopo non è fissata unicamente dall'istantanea del presente, ma è raffinata dal contesto completo di come quell'istantanea si è formata. L'articolo sostiene che l'universo non è "markoviano", un termine tecnico per sistemi in cui il futuro dipende solo dal presente. Al contrario, l'universo è sensibile alla propria storia. La probabilità di un evento è determinata dalla probabilità degli eventi nel suo passato immediato, ma quella distribuzione di probabilità del passato è essa stessa plasmata dalla storia più profonda. Ciò permette alla teoria di rispettare la velocità della luce e la natura locale della causa ed effetto, pur rendendo conto delle connessioni inquietanti rivelate dalla meccanica quantistica.

Le implicazioni di questa visione sono significative per la nostra comprensione della realtà. Suggeriscono che l' "azione inquietante a distanza" che Einstein tanto detestava potrebbe essere un'illusione creata ignorando la rilevanza della storia. Se accettiamo che il passato conta, possiamo mantenere l'idea confortante che le cause siano locali e che nulla viaggi più veloce della luce. L'articolo non pretende di aver risolto ogni mistero della meccanica quantistica, né fornisce una nuova teoria completa dell'universo. Invece, offre un nuovo quadro logico che rimuove la contraddizione tra relatività e meccanica quantistica. Suggerisce che la via da seguire non risieda nell'abbandonare la località, ma nel riconoscere che la storia di come siamo arrivati qui è essenziale per comprendere dove stiamo andando.

In definitiva, questo lavoro ci invita a ripensare la natura del tempo e della causalità. Propone che l'universo sia un arazzo in cui i fili del passato sono intrecciati nelle probabilità del futuro. Riconoscendo che la storia è rilevante, possiamo conciliare i due grandi pilastri della fisica senza sacrificare il principio fondamentale che le cause siano locali. L'articolo ci lascia con la possibilità che una teoria locale e realistica del mondo quantistico sia ancora a portata di mano, a patto che siamo disposti ad ascoltare la storia completa del passato, e non solo il momento presente.